Tonos, sobretonos, resonador.

Surgen tonos adicionales debido al hecho de que no solo todo vibra cuerpo elástico, que crea el tono principal, pero también sus partes. Las partes son más pequeñas que todo el cuerpo, por lo que producen tonos más altos que la principal. matices(Alemán) Ober"más alto, superior"), pero más débil. Por ejemplo, si el tono fundamental tiene un tono de 100 Hz, entonces los armónicos tendrán un tono de 200,400, 800,1600 Hz, etc. El tono de algunos armónicos alcanza los 10000 Hz.

Básico El tono y los matices se forman en la laringe con la ayuda de las cuerdas vocales. Cavidad oral desempeña el papel de un resonador variable (su forma cambia con la ayuda de la lengua, los labios; mandíbula inferior etc.). Los resonadores pueden ser tanto la cavidad nasal como la faríngea, cuyo tamaño cambia el timbre de la voz y los sonidos del habla. Un resonador es un cuerpo vacío con paredes sólidas y agujero de cierto tamaño. El resonador realza algunos matices y amortigua otros. Así surgen los ruidosos. Algo similar, sólo que mucho más complicado, ocurre durante la creación de consonantes.

Los sonidos consonantes constan de un tono fundamental y armónicos, que varían en resonadores, uno de los cuales puede realzar el tono fundamental y el otro, uno de los armónicos. Así surgen las consonantes sonoras y ruidosas.

Según su timbre, el tono principal € es individual para cada persona. (según N. Pototsky).

formantes de sonidos

Los sonidos del habla se diferencian entre sí principalmente por su conjunto de matices. Los armónicos que componen un sonido particular del habla se llaman formantes. Los dos primeros formantes son decisivos en el reconocimiento de los sonidos vocálicos. Por ejemplo, según algunos datos, para a es aproximadamente 700 y 1200 Hz, para b - 400 y 800 Hz, para b - 300 y 700 Hz, para i - 200 y 2200 Hz, para i - 300 y 1900 Hz, para e - estos son 400 y 1600 Hz (en pronunciación Gente diferente la altura de los formantes no es la misma).

Aquellos sonidos en los que el primer y segundo formante están suficientemente próximos entre sí se denominan compacto(por ejemplo, [o] y [y]). Si ambos formantes están alejados el uno del otro, entonces estamos ante difuso sonido (por ejemplo, [o] - [i]). El tono del sonido está determinado por el segundo formante: desde este punto de vista, los sonidos graves pertenecen a v y los sonidos agudos pertenecen a i.

Las vocales átonas que se encuentran cerca, es decir, sonidos compactos, pueden confundirse.

Son posibles confusiones en los siguientes cuatro pares de vocales:

Las vocales átonas [i], [u], [a] se pronuncian de manera bastante definida y no difieren mucho cualitativamente de las acentuadas.

En cuanto a las consonantes, su naturaleza acústica aún no ha sido estudiada adecuadamente.

EN idiomas diferentes A primera vista, los mismos sonidos difieren en algunos de sus formantes (por ejemplo, el sonido [a] en ucraniano, ruso, inglés, alemán, Francés suena un poco diferente porque no todos sus formantes son iguales en estos idiomas).

Para reflejar y amplificar el formante, es decir, cualquier sonido, los instrumentos de cuerda y musicales tienen una caja de resonancia (parte del cuerpo, (caja)). Cuando se presiona una cuerda contra varios puntos del mástil de un instrumento musical, se tira más o menos hacia atrás y la amplitud de la vibración cambia en consecuencia. Cuanto mayor es el número de vibraciones por unidad de tiempo, mayor es el sonido, que es amplificado por la tapa armónica, que sirve como resonador.

Nota. Formanta - armónico, que da el sonido instrumento musical o voces con un color característico: timbre. formante- parte de una palabra, cambia el léxico y significado gramatical raíz o base; sirve para la formación e inflexión de palabras; afijo. Por ejemplo, en palabras encalar Y encalado Los formantes cambian el significado léxico y gramatical: sufijos verbales-metro-; ti; sufijo participial -es- y terminaciones mi.

Espectro y timbre del sonido.

Timbre generalmente llamado característica individual El sonido (calidad), que está determinado por la naturaleza de los armónicos, se superpone al tono principal. Imaginemos una cuerda que vibra. Por un lado, todo vibra, lo que da el tono principal de su sonido; por otro, sus partes vibran, como resultado de lo cual aparecen tonos adicionales o sobretonos. Colectivamente, los armónicos se perciben como uno u otro color de sonido o timbre.

Así, una cuerda o cualquier otro cuerpo sufre vibraciones complejas, formando varios sonidos con su propio conjunto especial de matices. La frecuencia de los sobretonos, o armónicos, es siempre mayor que la frecuencia del tono fundamental y la fuerza (intensidad) es más débil que la frecuencia.

Humano cuerdas vocales - Son cuerdas peculiares que realizan vibraciones complejas. Por timbre identificamos las voces de amigos y familiares, niños y adultos, hombres y mujeres, hablantes nativos y extranjeros, así como representantes de determinados dialectos de determinadas regiones.

La relación de tono se puede cambiar en el resonador. Un resonador puede ser una habitación vacía, el cuerpo de una guitarra, un tubo de órgano, etc., es un cuerpo que está dotado una cierta forma, volumen y se caracteriza por la frecuencia disponible.

Cuando una fuente de sonido interactúa con un resonador, aparece un nuevo sonido con una estructura diferente. El resonador amplifica algunos armónicos cercanos a su frecuencia y amortigua otros. Como resultado de la amplificación de uno de los armónicos, el espectro adquiere una estructura formante y una nueva calidad. El espectro sonoro es un conjunto de características acústicas homogéneas pero diferentes. Uno de los armónicos, en comparación con el tono fundamental, se revela más intensamente. formante de sonido. Las características del formante están asociadas a una nueva calidad del sonido, su timbre.

Si los sonidos de la música o la poesía se combinan de forma disonante, dicha combinación afecta dolorosamente al oído. En lingüística, una combinación cacofónica de sonidos se llama cacofonía.

El concepto de timbre se interpreta de diferentes formas en lingüística.

1. Timbre- Se trata de una coloración individual del sonido que se produce como resultado de la superposición de tonos adicionales creados en las cavidades supraglóticas sobre el tono principal.

(N. Totska).

2. Timbre es el principal señal acústica todos sonido separado habla, que transporta información sobre cómo se crea un sonido particular que el oyente escucha ( Y . Yushchuk).

3. Particularmente importante para los sonidos. habla humana es el timbre(del fr. timbre -"campana") - coloración de sonido. El timbre surge como resultado de la superposición de tonos adicionales sobre el tono principal, que son más altos que el principal. Estas corrientes, que son más altas que la principal, se denominan armónicos (del alemán. Ober- “superior”, “arriba”). Si el tono fundamental es de 100 hercios, entonces aparecen sobretonos de 200.300.400 hercios. (según M. Kochergan).

18 de febrero de 2016

El mundo del entretenimiento en casa es bastante variado y puede incluir: ver películas en un buen sistema de cine en casa; fascinante y emocionante proceso del juego o audición composiciones musicales. Como regla general, cada uno encuentra algo propio en este ámbito o combina todo a la vez. Pero cualesquiera que sean los objetivos de una persona para organizar su tiempo libre y cualquiera que sea el extremo al que llegue, todos estos vínculos están firmemente conectados por un simple y en una palabra clara- "sonido". De hecho, en todos los casos anteriores, el sonido nos llevará de la mano. Pero esta pregunta no es tan simple y trivial, especialmente en los casos en que se desea lograr un sonido de alta calidad en una habitación o en cualquier otra condición. Para ello no siempre es necesario comprar costosos componentes de alta fidelidad o alta gama (aunque será muy útil), pero a veces es suficiente. buen conocimiento teoria fisica, que puede eliminar la mayoría de los problemas que surgen para cualquiera que se proponga obtener una actuación de voz de alta calidad.

A continuación, se considerará la teoría del sonido y la acústica desde el punto de vista de la física. EN en este caso Intentaré hacer esto lo más accesible posible a la comprensión de cualquier persona que, quizás, esté lejos de conocer las leyes o fórmulas físicas, pero que sin embargo sueña apasionadamente con hacer realidad el sueño de crear un sistema acústico perfecto. No pretendo decir que para lograr Buenos resultados en esta área, en casa (o en un automóvil, por ejemplo), es necesario conocer a fondo estas teorías, pero comprender los conceptos básicos le permitirá evitar muchos errores estúpidos y absurdos, y también le permitirá lograr efecto máximo sonido de un sistema de cualquier nivel.

Teoría general del sonido y terminología musical.

Qué es sonido? Esta es la sensación que percibe el órgano auditivo. "oreja"(el fenómeno en sí existe sin la participación del "oído" en el proceso, pero esto es más fácil de entender), que ocurre cuando el tímpano es excitado por una onda sonora. El oído en este caso actúa como un "receptor" de ondas sonoras de diversas frecuencias.
Onda de sonido Es esencial serie secuencial Compactaciones y descargas del medio (más a menudo el medio aéreo en condiciones normales) de varias frecuencias. La naturaleza de las ondas sonoras es oscilatoria, causada y producida por la vibración de cualquier cuerpo. El surgimiento y difusión del clásico. onda de sonido tal vez en tres elásticos Medios: gaseosos, líquidos y sólidos. Cuando se produce una onda sonora en uno de estos tipos de espacio, inevitablemente se producen algunos cambios en el propio medio, por ejemplo, cambios en la densidad o la presión del aire, movimiento de partículas. masas de aire etc.

Dado que una onda sonora tiene una naturaleza oscilatoria, tiene una característica como la frecuencia. Frecuencia medido en hercios (en honor al físico alemán Heinrich Rudolf Hertz), y denota el número de oscilaciones durante un período de tiempo igual a un segundo. Aquellos. por ejemplo, una frecuencia de 20 Hz indica un ciclo de 20 oscilaciones en un segundo. El concepto subjetivo de su altura depende también de la frecuencia del sonido. Cuanto más vibraciones de sonido tiene lugar en un segundo, más “alto” parece el sonido. La onda sonora también tiene una más. característica más importante, que tiene un nombre: longitud de onda. Longitud de onda Se acostumbra considerar la distancia que recorre un sonido de una determinada frecuencia en un período igual a un segundo. Por ejemplo, la longitud de onda del sonido más bajo en el rango audible para una persona con una frecuencia de 20 Hz es de 16,5 metros, y la longitud de onda del sonido más bajo Sonido fuerte 20.000 Hz son 1,7 centímetros.

El oído humano está diseñado de tal manera que es capaz de percibir ondas sólo en un rango limitado, aproximadamente 20 Hz - 20.000 Hz (dependiendo de las características persona concreta, algunos pueden oír un poco más, otros menos). Por tanto, esto no significa que los sonidos por debajo o por encima de estas frecuencias no existan, simplemente no son percibidos por el oído humano, yendo más allá del rango audible. El sonido por encima del rango audible se llama ultrasonido, el sonido por debajo del rango audible se llama infrasonido. Algunos animales son capaces de percibir sonidos ultra e infrarrojos, algunos incluso utilizan este rango para orientarse en el espacio ( los murcielagos, delfines). Si el sonido pasa a través de un medio que no está en contacto directo con el órgano auditivo humano, es posible que dicho sonido no se escuche o se debilite considerablemente posteriormente.

EN terminología musical sonido existen designaciones tan importantes como octava, tono y armónico del sonido. Octava significa un intervalo en el que la relación de frecuencia entre sonidos es de 1 a 2. Una octava suele ser muy distinguible de oído, mientras que los sonidos dentro de este intervalo pueden ser muy amigo similar en un amigo. También se puede llamar octava a un sonido que vibra el doble que otro sonido en el mismo periodo de tiempo. Por ejemplo, la frecuencia de 800 Hz no es más que una octava superior de 400 Hz, y la frecuencia de 400 Hz a su vez es la siguiente octava de sonido con una frecuencia de 200 Hz. La octava, a su vez, se compone de tonos y armónicos. El oído humano percibe las vibraciones variables en una onda sonora armónica de la misma frecuencia como tono musical. Oscilaciones alta frecuencia pueden interpretarse como sonidos agudos, las vibraciones de baja frecuencia como sonidos graves. El oído humano es capaz de distinguir claramente sonidos con una diferencia de un tono (en el rango de hasta 4000 Hz). A pesar de esto, la música utiliza una cantidad extremadamente pequeña de tonos. Esto se explica a partir de consideraciones del principio de consonancia armónica; todo se basa en el principio de octavas.

Consideremos la teoría de los tonos musicales usando el ejemplo de una cuerda estirada de cierta manera. Una cuerda de este tipo, dependiendo de la fuerza de tensión, se "sintonizará" a una frecuencia específica. Cuando esta cuerda se expone a algo con una fuerza específica, que la hace vibrar, se observará constantemente un tono de sonido específico y escucharemos la frecuencia de afinación deseada. Este sonido se llama tono fundamental. Se acepta oficialmente como tono fundamental en el ámbito musical la frecuencia de la nota “La” de la primera octava, igual a 440 Hz. Sin embargo, la mayoría de los instrumentos musicales nunca reproducen tonos fundamentales puros por sí solos, sino que van inevitablemente acompañados de armónicos llamados; matices. Conviene recordar aquí definición importante Acústica musical, el concepto de timbre sonoro. Timbre- esta es una característica de los sonidos musicales que confiere a los instrumentos musicales y a las voces su especificidad de sonido única y reconocible, incluso cuando se comparan sonidos del mismo tono y volumen. El timbre de cada instrumento musical depende de la distribución de la energía sonora entre armónicos en el momento en que aparece el sonido.

Los armónicos forman una coloración específica del tono fundamental, mediante la cual podemos identificar y reconocer fácilmente un instrumento específico, así como distinguir claramente su sonido de otro instrumento. Hay dos tipos de armónicos: armónicos y no armónicos. matices armónicos por definición son múltiplos de la frecuencia fundamental. Por el contrario, si los armónicos no son múltiples y se desvían notablemente de los valores, entonces se llaman no armónico. En música, el funcionamiento con múltiples armónicos está prácticamente excluido, por lo que el término se reduce al concepto de “armónico”, que significa armónico. En algunos instrumentos, como el piano, el tono fundamental ni siquiera tiene tiempo de formarse; en un corto período de tiempo, la energía sonora de los armónicos aumenta y luego disminuye con la misma rapidez. Muchos instrumentos crean lo que se llama un efecto de "tono de transición", donde la energía de ciertos armónicos es más alta en un momento determinado, generalmente al principio, pero luego cambia abruptamente y pasa a otros armónicos. El rango de frecuencia de cada instrumento se puede considerar por separado y generalmente se limita a las frecuencias fundamentales que ese instrumento en particular es capaz de producir.

En la teoría del sonido también existe el concepto de RUIDO. Ruido- es cualquier sonido creado por una combinación de fuentes que son inconsistentes entre sí. Todo el mundo está familiarizado con el sonido de las hojas de los árboles meciéndose con el viento, etc.

¿Qué determina el volumen del sonido? Obviamente, este fenómeno depende directamente de la cantidad de energía transferida por la onda sonora. Para determinar los indicadores cuantitativos del volumen, existe un concepto: la intensidad del sonido. Intensidad del sonido se define como el flujo de energía que pasa a través de algún área del espacio (por ejemplo, cm2) por unidad de tiempo (por ejemplo, por segundo). Durante una conversación normal, la intensidad es de aproximadamente 9 o 10 W/cm2. El oído humano es capaz de percibir sonidos en un rango de sensibilidad bastante amplio, mientras que la sensibilidad de las frecuencias es heterogénea dentro del espectro sonoro. Entonces la mejor manera El rango de frecuencia percibido es de 1000 Hz a 4000 Hz, que cubre más ampliamente el habla humana.

Debido a que los sonidos varían mucho en intensidad, es más conveniente pensar en ellos como una cantidad logarítmica y medirlos en decibeles (en honor al científico escocés Alexander Graham Bell). El umbral inferior de sensibilidad auditiva del oído humano es de 0 dB, el superior es de 120 dB, también llamado "umbral del dolor". Limite superior El oído humano tampoco percibe la sensibilidad de la misma manera, sino que depende de una frecuencia específica. Los sonidos de baja frecuencia deben tener una intensidad mucho mayor que los sonidos de alta frecuencia para activar el umbral del dolor. Por ejemplo, el umbral del dolor a una frecuencia baja de 31,5 Hz se produce a un nivel de intensidad sonora de 135 dB, mientras que a una frecuencia de 2000 Hz la sensación de dolor aparecerá a 112 dB. También existe el concepto de presión sonora, que en realidad amplía la explicación habitual de la propagación de una onda sonora en el aire. Presión sonora es una sobrepresión variable que se produce en medio elástico como resultado del paso de una onda sonora a través de él.

Naturaleza ondulatoria del sonido.

Para comprender mejor el sistema de generación de ondas sonoras, imaginemos un altavoz clásico situado en un tubo lleno de aire. Si el altavoz hace un movimiento brusco hacia adelante, el aire que se encuentra en las inmediaciones del difusor se comprime momentáneamente. Luego, el aire se expandirá, empujando así la región de aire comprimido a lo largo de la tubería.
Este movimiento ondulatorio se convertirá posteriormente en sonido cuando llegue al órgano auditivo y “excite” el tímpano. Cuando ocurre una onda de sonido en un gas, se crea un exceso de presión y densidad y las partículas se mueven con velocidad constante. Respecto a las ondas sonoras, es importante recordar el hecho de que la sustancia no se mueve junto con la onda sonora, sino que sólo se produce una perturbación temporal de las masas de aire.

Si imaginamos un pistón suspendido en el espacio libre sobre un resorte y haciendo movimientos repetidos "hacia adelante y hacia atrás", entonces tales oscilaciones se llamarán armónicas o sinusoidales (si imaginamos la onda como una gráfica, en este caso obtendremos una onda pura). sinusoide con repetidas subidas y bajadas). Si imaginamos un altavoz en un tubo (como en el ejemplo descrito anteriormente) realizando oscilaciones armónicas, entonces en el momento en que el altavoz se mueve "hacia adelante" se obtiene el efecto ya conocido de compresión del aire, y cuando el altavoz se mueve "hacia atrás" efecto inverso descargar. En este caso, una onda de compresión y rarefacción alternas se propagará a través de la tubería. La distancia a lo largo de la tubería entre máximos o mínimos (fases) adyacentes se llamará longitud de onda. Si las partículas oscilan paralelamente a la dirección de propagación de la onda, entonces la onda se llama longitudinal. Si oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación, entonces la onda se llama transverso. Normalmente, las ondas sonoras en gases y líquidos son longitudinales, pero en los sólidos pueden ocurrir ondas de ambos tipos. Las ondas transversales en los sólidos surgen debido a la resistencia al cambio de forma. La principal diferencia entre estos dos tipos de ondas es que onda transversal tiene la propiedad de polarización (las oscilaciones ocurren en un determinado plano), pero el longitudinal no.

velocidad del sonido

La velocidad del sonido depende directamente de las características del medio en el que se propaga. Está determinado (dependiente) por dos propiedades del medio: elasticidad y densidad del material. La velocidad del sonido en los sólidos depende directamente del tipo de material y de sus propiedades. Velocidad en ambientes de gas Depende sólo de un tipo de deformación del medio: compresión-rarefacción. El cambio de presión en una onda sonora se produce sin intercambio de calor con las partículas circundantes y se denomina adiabático.
La velocidad del sonido en un gas depende principalmente de la temperatura: aumenta al aumentar la temperatura y disminuye al disminuir la temperatura. También la velocidad del sonido en ambiente gaseoso Depende del tamaño y la masa de las propias moléculas de gas: cuanto menor sea la masa y el tamaño de las partículas, mayor será la "conductividad" de la onda y, en consecuencia, mayor será la velocidad.

En medios líquidos y sólidos, el principio de propagación y la velocidad del sonido son similares a cómo se propaga una onda en el aire: por compresión-descarga. Pero en estos ambientes, además de la misma dependencia de la temperatura, es suficiente importante tiene la densidad del medio y su composición/estructura. Cómo menos densidad sustancia, mayor será la velocidad del sonido y viceversa. La dependencia de la composición del medio es más compleja y se determina en cada caso concreto, teniendo en cuenta la ubicación e interacción de las moléculas/átomos.

Velocidad del sonido en el aire a t, °C 20: 343 m/s
Velocidad del sonido en agua destilada a t, °C 20: 1481 m/s
Velocidad del sonido en acero a t, °C 20: 5000 m/s

Ondas estacionarias e interferencias.

Cuando un altavoz crea ondas sonoras en un espacio reducido, inevitablemente se produce el efecto de ondas reflejadas desde los límites. Como resultado, esto ocurre con mayor frecuencia. efecto de interferencia- cuando dos o más ondas sonoras se superponen. Casos especiales Los fenómenos de interferencia son la formación de: 1) Ondas batientes o 2) Ondas estacionarias. Latidos de olas- este es el caso cuando se produce la suma de ondas con frecuencias y amplitudes similares. La imagen de la aparición de latidos: cuando dos ondas de frecuencias similares se superponen. En algún momento, con tal superposición, los picos de amplitud pueden coincidir "en fase" y las disminuciones también pueden coincidir en "antifase". Así es exactamente como se caracterizan los ritmos sonoros. Es importante recordar que, a diferencia de las ondas estacionarias, las coincidencias de fase de los picos no ocurren constantemente, sino en ciertos intervalos de tiempo. Para el oído, este patrón de latidos se distingue con bastante claridad y se escucha como un aumento y una disminución periódicos del volumen, respectivamente. El mecanismo por el que se produce este efecto es sumamente sencillo: cuando los picos coinciden, el volumen aumenta, y cuando los valles coinciden, el volumen disminuye.

Ondas estacionarias Surgen en el caso de superposición de dos ondas de la misma amplitud, fase y frecuencia, cuando al “encontrarse” dichas ondas una se mueve hacia adelante y la otra en dirección opuesta. En la zona del espacio (donde se formó la onda estacionaria), aparece una imagen de la superposición de dos amplitudes de frecuencia, con máximos (los llamados antinodos) y mínimos (los llamados nodos) alternos. Cuando ocurre este fenómeno, la frecuencia, la fase y el coeficiente de atenuación de la onda en el lugar de reflexión son extremadamente importantes. A diferencia de las ondas viajeras, en una onda estacionaria no hay transferencia de energía debido al hecho de que las ondas hacia adelante y hacia atrás que forman esta onda transfieren energía en cantidades iguales tanto hacia adelante como hacia atrás. direcciones opuestas. Para una comprensión clara de lo que ocurre onda estacionaria, imaginemos un ejemplo de acústica doméstica. Digamos que tenemos sistemas de altavoces de suelo en un espacio (habitación) limitado. Haciéndoles tocar alguna canción con gran cantidad bajo, intentemos cambiar la ubicación del oyente en la habitación. Por lo tanto, un oyente que se encuentra en la zona de mínima (resta) de una onda estacionaria sentirá el efecto de que hay muy pocos graves, y si el oyente se encuentra en una zona de máximo (suma) de frecuencias, entonces sucederá lo contrario. Se obtiene el efecto de un aumento significativo en la región de los graves. En este caso, el efecto se observa en todas las octavas de la frecuencia base. Por ejemplo, si la frecuencia base es 440 Hz, entonces el fenómeno de "suma" o "resta" también se observará en frecuencias de 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, etc.

Fenómeno de resonancia

La mayoría de los sólidos tienen una frecuencia de resonancia natural. Es bastante fácil comprender este efecto usando el ejemplo de una tubería común, abierta solo por un extremo. Imaginemos una situación en la que se conecta un altavoz al otro extremo del tubo, que puede reproducir una frecuencia constante, que también se puede cambiar más adelante. Entonces, la tubería tiene su propia frecuencia de resonancia, diciendo en lenguaje sencillo es la frecuencia a la que la pipa "resuena" o produce su propio sonido. Si la frecuencia del altavoz (como resultado del ajuste) coincide con la frecuencia de resonancia del tubo, se producirá el efecto de aumentar el volumen varias veces. Esto sucede porque el altavoz excita vibraciones de la columna de aire en la tubería con una amplitud significativa hasta que se encuentra la misma "frecuencia de resonancia" y se produce el efecto de suma. El fenómeno resultante se puede describir de la siguiente manera: el tubo en este ejemplo "ayuda" al altavoz resonando en una frecuencia específica, sus esfuerzos se suman y "resultan" en un efecto fuerte audible. En el ejemplo de los instrumentos musicales, este fenómeno se puede ver fácilmente, ya que el diseño de la mayoría de los instrumentos contiene elementos llamados resonadores. No es difícil adivinar qué sirve para realzar una determinada frecuencia o tono musical. Por ejemplo: el cuerpo de una guitarra con un resonador en forma de agujero que se acopla con el volumen; El diseño del tubo de flauta (y de todas las tuberías en general); La forma cilíndrica del cuerpo del tambor, que a su vez es un resonador de cierta frecuencia.

Espectro de frecuencia del sonido y respuesta de frecuencia.

Dado que en la práctica prácticamente no existen ondas de la misma frecuencia, se hace necesario descomponer todo el espectro sonoro del rango audible en sobretonos o armónicos. Para estos fines, existen gráficos que muestran la dependencia de la energía relativa de las vibraciones del sonido con la frecuencia. Este gráfico se llama gráfico de espectro de frecuencias del sonido. Espectro de frecuencia del sonido. Hay dos tipos: discretos y continuos. Un gráfico de espectro discreto muestra frecuencias individuales separadas por espacios en blanco. En un espectro continuo, todo está presente a la vez. frecuencias de audio.
En el caso de la música o la acústica, lo más habitual es utilizar el gráfico habitual. Características de amplitud-frecuencia(abreviado como "AFC"). Este gráfico muestra la dependencia de la amplitud de las vibraciones del sonido con la frecuencia en todo el espectro de frecuencia (20 Hz - 20 kHz). Al observar un gráfico de este tipo es fácil entender, por ejemplo, fuerte o lados débiles un altavoz específico o un sistema acústico en su conjunto, las áreas más fuertes de producción de energía, aumentos y caídas de frecuencia, atenuación y también trazar la pendiente de la disminución.

Propagación de ondas sonoras, fase y antifase.

El proceso de propagación de ondas sonoras ocurre en todas direcciones desde la fuente. El ejemplo más simple para entender este fenómeno: un guijarro arrojado al agua.
Desde el lugar donde cayó la piedra, las olas comienzan a extenderse por la superficie del agua en todas direcciones. Sin embargo, imaginemos una situación en la que se utiliza un altavoz de cierto volumen, digamos una caja cerrada, que está conectado a un amplificador y reproduce algún tipo de señal musical. Es fácil notar (especialmente si aplica una señal potente de baja frecuencia, por ejemplo un bombo) que el altavoz hace un movimiento rápido "hacia adelante" y luego el mismo movimiento rápido "hacia atrás". Lo que queda por entender es que cuando el altavoz avanza, emite una onda sonora que escuchamos más tarde. Pero, ¿qué sucede cuando el hablante retrocede? Pero paradójicamente sucede lo mismo, el altavoz emite el mismo sonido, sólo que en nuestro ejemplo se propaga íntegramente dentro del volumen de la caja, sin traspasar sus límites (la caja está cerrada). En general, en el ejemplo anterior se pueden observar muchas cosas interesantes. fenomeno fisico, el más significativo de los cuales es el concepto de fase.

La onda sonora que el hablante, estando en el volumen, emite en dirección al oyente está “en fase”. La onda inversa, que entra en el volumen de la caja, será correspondientemente antifase. ¿Solo queda entender qué significan estos conceptos? Fase de señal es el nivel de presión sonora en este momento tiempo en algún punto del espacio. La forma más sencilla de comprender la fase es mediante un ejemplo de reproducción. material musical un par de sistemas de altavoces domésticos estéreo de suelo ordinarios. Imaginemos que dos de estos altavoces de suelo están instalados en una habitación determinada y suenan. En este caso, ambos sistemas acústicos reproducen una señal síncrona de presión sonora variable, y la presión sonora de un altavoz se suma a la presión sonora del otro altavoz. Un efecto similar ocurre debido a la sincronicidad de la reproducción de la señal de los altavoces izquierdo y derecho, respectivamente, es decir, los picos y valles de las ondas emitidas por los altavoces izquierdo y derecho coinciden.

Ahora imaginemos que las presiones sonoras siguen cambiando de la misma manera (no han sufrido cambios), pero ahora son opuestas entre sí. Esto puede suceder si conecta un sistema de altavoces de dos con polaridad inversa (el cable "+" del amplificador al terminal "-" del sistema de altavoces y el cable "-" del amplificador al terminal "+" del sistema de altavoces). En este caso, la señal opuesta provocará una diferencia de presión, que se puede representar en números de la siguiente manera: el altavoz izquierdo creará una presión de “1 Pa” y el altavoz derecho creará una presión de “menos 1 Pa”. Como resultado, el volumen total del sonido en la ubicación del oyente será cero. Este fenómeno se llama antifase. Si miramos el ejemplo con más detalle para comprenderlo, resulta que dos parlantes que suenan "en fase" crean áreas idénticas de compactación y rarefacción del aire, ayudándose así entre sí. En el caso de una antifase idealizada, el área de espacio de aire comprimido creada por un hablante irá acompañada de un área de espacio de aire enrarecido creado por el segundo hablante. Esto se parece aproximadamente al fenómeno de la cancelación mutua y sincrónica de ondas. Es cierto que en la práctica el volumen no baja a cero y escucharemos un sonido muy distorsionado y debilitado.

La forma más accesible de describir este fenómeno es la siguiente: dos señales con las mismas oscilaciones (frecuencia), pero desplazadas en el tiempo. En vista de esto, es más conveniente presentar estos fenómenos de desplazamiento usando el ejemplo de un reloj redondo ordinario. Imaginemos que hay varios relojes redondos idénticos colgados en la pared. Cuando las manecillas de los segundos de este reloj funcionan sincrónicamente, en un reloj 30 segundos y en el otro 30, entonces este es un ejemplo de una señal que está en fase. Si las manecillas de los segundos se mueven con un desplazamiento, pero la velocidad sigue siendo la misma, por ejemplo, en un reloj hay 30 segundos y en otro 24 segundos, entonces esto es ejemplo clásico desplazamiento (desplazamiento) en fase. De la misma forma, la fase se mide en grados, dentro de un círculo virtual. En este caso, cuando las señales se desplazan entre sí 180 grados (medio período), se obtiene la antifase clásica. En la práctica se producen a menudo pequeños cambios de fase, que también pueden determinarse gradualmente y eliminarse con éxito.

Las ondas son planas y esféricas. Departamento frente de onda se extiende sólo en una dirección y rara vez se encuentra en la práctica. Un frente de onda esférico representa ondas. tipo simple, que se originan en un punto y se extienden en todas direcciones. Las ondas sonoras tienen la propiedad difracción, es decir. Capacidad para sortear obstáculos y objetos. El grado de flexión depende de la relación entre la longitud de onda del sonido y el tamaño del obstáculo o agujero. La difracción también ocurre cuando hay algún obstáculo en el camino del sonido. En este caso, son posibles dos escenarios: 1) Si el tamaño del obstáculo es mucho mayor que la longitud de onda, entonces el sonido se refleja o se absorbe (dependiendo del grado de absorción del material, el espesor del obstáculo, etc.). ), y se forma una zona de “sombra acústica” detrás del obstáculo. 2) Si el tamaño del obstáculo es comparable a la longitud de onda o incluso menor, entonces el sonido se difracta en cierta medida en todas direcciones. Si una onda de sonido, cuando se mueve en un medio, golpea la interfaz con otro medio (por ejemplo ambiente del aire Con medio sólido), entonces pueden ocurrir tres escenarios: 1) la onda se reflejará desde la interfaz 2) la onda puede viajar a otro medio sin cambiar de dirección 3) la onda puede viajar a otro medio con un cambio de dirección en el límite, esto es llamado “refracción de ondas”.

La relación entre el exceso de presión de una onda sonora y la velocidad volumétrica oscilatoria se llama resistencia de la onda. Discurso en palabras simples, impedancia de onda del medio Se puede llamar la capacidad de absorber ondas sonoras o "resistirlas". Los coeficientes de reflexión y transmisión dependen directamente de la relación de las impedancias de onda de los dos medios. La resistencia a las olas en un medio gaseoso es mucho menor que en agua o sólidos. Por lo tanto, si una onda sonora en el aire golpea un objeto o superficie sólido aguas profundas, entonces el sonido se refleja desde la superficie o se absorbe en gran medida. Esto depende del espesor de la superficie (agua o sólido) sobre la que cae la onda sonora deseada. Cuando el espesor de un medio sólido o líquido es bajo, las ondas sonoras “pasan” casi por completo, y viceversa, cuando gran espesor el entorno de las olas se refleja con mayor frecuencia. En el caso de la reflexión de las ondas sonoras, este proceso se produce según el conocido ley fisica: "Ángulo de incidencia igual al ángulo reflexión". En este caso, cuando una onda de un medio con menor densidad golpea el límite con el medio mayor densidad- ocurre un fenómeno refracción. Consiste en la curvatura (refracción) de una onda sonora después de “encontrarse” con un obstáculo, y va necesariamente acompañada de un cambio de velocidad. La refracción también depende de la temperatura del medio en el que se produce la reflexión.

En el proceso de propagación de las ondas sonoras en el espacio, su intensidad inevitablemente disminuye, podemos decir que las ondas se atenúan y el sonido se debilita; En la práctica, encontrar un efecto similar es bastante sencillo: por ejemplo, si dos personas se encuentran en un campo en algún momento quemarropa(un metro o más cerca) y empiezan a decirse algo. Si posteriormente aumenta la distancia entre las personas (si comienzan a alejarse unas de otras), el mismo nivel de volumen de conversación será cada vez menos audible. Ejemplo similar Demuestra claramente el fenómeno de una disminución en la intensidad de las ondas sonoras. ¿Por qué está pasando esto? La razón de esto varios procesos de intercambio de calor, interacción molecular y fricción interna de las ondas sonoras. En la práctica, la mayoría de las veces la energía sonora se convierte en energía térmica. Estos procesos surgen inevitablemente en cualquiera de los 3 medios de propagación del sonido y pueden caracterizarse como absorción de ondas sonoras.

La intensidad y el grado de absorción de las ondas sonoras depende de muchos factores, como la presión y la temperatura del medio. La absorción también depende de la frecuencia del sonido específica. Cuando una onda sonora se propaga en líquidos o gases, se produce un efecto de fricción entre diferentes partículas, que se llama viscosidad. Como resultado de esta fricción en nivel molecular y se produce el proceso de transformación de la onda de sonido a calor. En otras palabras, cuanto mayor sea la conductividad térmica del medio, menor será el grado de absorción de las ondas. La absorción del sonido en medios gaseosos también depende de la presión ( Presión atmosférica cambios al aumentar la altitud en relación con el nivel del mar). En cuanto a la dependencia del grado de absorción de la frecuencia del sonido, teniendo en cuenta las dependencias de viscosidad y conductividad térmica mencionadas anteriormente, cuanto mayor es la frecuencia del sonido, mayor es la absorción del sonido. Por ejemplo, cuando temperatura normal y presión, en el aire la absorción de una onda con una frecuencia de 5000 Hz será de 3 dB/km, y la absorción de una onda con una frecuencia de 50.000 Hz será de 300 dB/m.

En medios sólidos, se conservan todas las dependencias anteriores (conductividad térmica y viscosidad), pero a esto se le añaden varias condiciones más. Están relacionados con la estructura molecular. materiales duros, que puede ser diferente, con sus propias faltas de homogeneidad. Dependiendo de este sólido interno estructura molecular, la absorción de ondas sonoras en este caso puede ser diferente y depende del tipo de material específico. Cuando el sonido pasa sólido, la onda sufre una serie de transformaciones y distorsiones, lo que en la mayoría de los casos conduce a la dispersión y absorción de la energía sonora. A nivel molecular, puede producirse un efecto de dislocación cuando una onda sonora provoca un desplazamiento de planos atómicos, que luego regresan a su posición original. O el movimiento de las dislocaciones conduce a una colisión con dislocaciones o defectos perpendiculares a ellas. estructura cristalina, lo que provoca su inhibición y, como consecuencia, cierta absorción de la onda sonora. Sin embargo, la onda sonora también puede resonar con estos defectos, lo que provocará una distorsión de la onda original. La energía de una onda sonora en el momento de la interacción con los elementos. estructura molecular el material se disipa como resultado de procesos de fricción internos.

En este artículo intentaré analizar las características de la percepción auditiva humana y algunas de las sutilezas y características de la propagación del sonido.

El carácter de un sonido musical está determinado por varias propiedades; estos incluyen: tono, volumen y timbre.

El timbre de un sonido es el lado cualitativo del sonido, su color.

Para determinar las características del timbre en un ambiente musical se utilizan palabras del campo de las sensaciones, términos metafóricos, por ejemplo, dicen: el sonido es suave, agudo, espeso, sonoro, melodioso, etc. Cada instrumento o voz humana tiene un timbre característico, e incluso un instrumento es capaz de producir sonidos de diferentes colores.

Timbre le permite distinguir de oído los sonidos de diferentes instrumentos (por ejemplo, el sonido de una guitarra del sonido de un piano).

La diferencia de timbres depende de la composición de tonos parciales (sobretonos naturales o armónicos) que son inherentes a cada fuente sonora.

Cada sonido se colorea dependiendo de una serie de condiciones, desde el cuerpo sonoro real, desde el resonador, partes del instrumento, etc.

El sonido de la fuente es muy ambiguo; el hecho es que dentro de la fuente misma aparecen matices, matices, característicos de esta fuente en particular. En otras palabras, es a partir de la “composición” de armónicos de un sonido particular que podemos definir su timbre y distinguir un sonido de otro.

Los tonos parciales o armónicos (del alemán Oberton - tono superior) son impurezas inevitables presentes en el sonido de cualquier naturaleza. Sus frecuencias son siempre múltiplos de la frecuencia del sonido principal, y su número y volumen pueden variar mucho, por lo que se forman diferentes colores de timbre del sonido.

Si la cuerda solo tocara el tono fundamental, su forma de onda correspondería al siguiente gráfico.

Pero en la práctica una onda sonora siempre tiene bastante Forma compleja. Esto sucede debido al hecho de que un cuerpo oscilante, mientras vibra, se refracta en partes iguales. Estas piezas producen vibraciones independientes en proceso general vibraciones del cuerpo y forman ondas adicionales correspondientes a su longitud. Las vibraciones adicionales (simples) provocan la formación de tonos parciales: sobretonos.

El tono de los tonos parciales es diferente porque la velocidad de vibración de las ondas que los forman no es la misma. Por ejemplo, la longitud de onda del segundo tono parcial formado a partir de la mitad de la cuerda es la mitad de larga que la onda del tono fundamental, y su frecuencia de vibración es dos veces más rápida, etc.

Idealmente, los armónicos son múltiplos del tono fundamental y se calculan mediante la fórmula

donde a es cualquiera número natural (2,3,4,5,6...)

Pero en realidad, las fuentes de sonido no son ideales, las cuerdas tienen engrosamientos, placas, óxidos en su superficie, por lo que el timbre está coloreado por sobretonos cercanos a la escala natural de sobretonos.

En los sonidos musicales, en los instrumentos acústicos reales, en sus resonadores y características de diseño, se forma un timbre sonoro único que puede distinguir no sólo un instrumento de otro, sino también instrumentos idénticos entre sí (un violín Stradivarius, instrumentos estampados y ensamblados a mano). instrumentos con secretos).

“El parámetro más difícil de sentir subjetivamente es el timbre. Con la definición de este término surgen dificultades comparables a la definición del concepto "vida": todos entienden lo que es, pero definición científica La ciencia ha estado luchando durante varios siglos”.
(I. Aldoshina)

En la naturaleza casi nunca encontramos tonos puros. El sonido de cualquier instrumento musical es complejo y consta de muchos componentes de frecuencia: sobretonos.

Incluso en el caso de vibraciones sonoras muy complejas, el oído humano es capaz de reconocer el tono del sonido. Sin embargo, a la misma altura, el sonido de, por ejemplo, un violín se diferencia al oído del sonido de un piano. Esto se debe a que, además del tono del sonido, el oído también puede evaluar el “color” del sonido, es decir, su timbre.

El timbre de un sonido es la cualidad del sonido que, independientemente de su frecuencia y amplitud, permite distinguir un sonido de otro. El timbre del sonido depende del general. composición espectral sonido (es decir, qué sobretonos están presentes en él) y la relación de las amplitudes de los componentes espectrales (es decir, sobretonos):

Armónicos

El concepto de timbre está estrechamente relacionado con el concepto de altura. El hecho es que las vibraciones del sonido suelen ser complejas.

Por ejemplo, si tocamos la nota “A” de la primera octava en el violín (frecuencia 440 Hz), entonces las vibraciones de esta cuerda también contendrán múltiples frecuencias de 880, 1320, 1760, 2200 Hz, etc.

En este caso, las amplitudes de estas frecuencias (armónicos) pueden ser diferentes, es decir los armónicos tendrán diferentes volúmenes.

El físico alemán Georg Ohm fue el primero en expresar la idea de que una simple sensación auditiva causado por una oscilación sinusoidal simple ( tal oscilación también se llama armónica; es importante no confundir las oscilaciones armónicas, es decir aquellos que están descritos por las funciones y=sen x, etc., y matices armónicos, que también son oscilaciones armónicas, pero sus frecuencias también son múltiplos de la frecuencia fundamental). Tan pronto como la forma de vibración se vuelve más compleja, aparecen matices: aparece la impresión de color o timbre del sonido.

Un ejemplo del surgimiento de una vibración compleja al agregar dos vibraciones simples (armónicas).
El azul indica el principal. oscilación armónica, rosa: una vibración del doble de frecuencia (armónico o primer armónico) y verde: la vibración compleja (no armónica) resultante.

Pudo establecer que el oído percibe componentes armónicos separados del sonido y estos componentes causan sensaciones separadas. Con algo de entrenamiento, incluso puedes separar mentalmente oscilación periódica y determinar qué armónicos están presentes en el sonido.

Por tanto, el oído humano es capaz de percibir una forma compleja de vibraciones sonoras como color o timbre.

Armónicos o armónicos

Los armónicos pueden ser armónicos o no armónicos.

Las frecuencias de los armónicos son múltiplos de la frecuencia del tono fundamental (los armónicos junto con el tono fundamental también se denominan armónicos):

En realidad situaciones fisicas(por ejemplo, cuando vibra una cuerda maciza y rígida), las frecuencias de los sobretonos pueden desviarse notablemente de los valores que son múltiplos de la frecuencia del tono fundamental; estos sobretonos se denominan no armónicos.

Composición espectral y timbre.

Relación amplitud-frecuencia de todos componentes una vibración compleja se denomina espectro sonoro, y los sonidos correspondientes a cada frecuencia presente en una vibración compleja se denominan componentes o componentes espectrales.

El conjunto de componentes espectrales determina el timbre del sonido. Y dado que cada componente espectral es un sonido de un tono determinado, hablar de timbre como propiedad separada El sonido no es del todo correcto. Sin embargo, es el timbre del sonido (o más bien, el espectro) lo que suele ser el foco de atención cuando estamos hablando acerca de sobre tecnologías de procesamiento de sonido.

Ejemplos de composición espectral de sonidos musicales:

Timbre del sonido, es decir la relación de las amplitudes de sus armónicos también afecta el tono percibido de un tono complejo.

Frecuencias fantasma

A veces, una persona puede escuchar sonidos en la región de baja frecuencia, aunque en realidad no había sonidos de esta frecuencia. El cerebro percibe el tono no sólo por su frecuencia fundamental, sino también por su periodicidad, determinada por la relación entre armónicos. Podemos percibir el mismo tono (quizás con un timbre diferente) incluso si la frecuencia fundamental no se escucha (o se pierde) cuando se reproduce. (Las señales de frecuencia de un espectro complejo sin una frecuencia fundamental (el primer armónico del espectro) se denominan residual.)

Por ejemplo, si una nota (es decir, no un tono puro) tiene un tono de 100 Hz, estará formada por componentes de frecuencia que son múltiplos enteros de ese valor (por ejemplo, 100, 200, 300, 400, 500... Hz). . Sin embargo, es posible que los altavoces pequeños no reproduzcan las frecuencias bajas, por lo que es posible que falte el componente de 100 Hz en la reproducción. Sin embargo, se puede escuchar la frecuencia correspondiente al tono fundamental.

Este efecto se denominó "fenómeno fundamental perdido": un experimento de 1940 demostró que la sensación del tono es espectralmente sonido complejo no cambiará si eliminas su frecuencia fundamental, será completado por el cerebro en función de los armónicos existentes. Se utiliza en equipos de reproducción de sonido para ampliar el rango de bajas frecuencias reproducidas si es imposible reproducir adecuadamente dichas frecuencias directamente, por ejemplo, en auriculares, teléfonos móviles, altavoces de bajo presupuesto (sistemas acústicos), etc.