نظرية الصوت والصوتيات بلغة مفهومة. أساسيات نظرية الموجات الصوتية خصائص الموجات الصوتية

الهدف من العمل

دراسة أساسيات نظرية تسجيل الصوت وتشغيله ، والخصائص الرئيسية للصوت ، وطرق تحويل الصوت ، والجهاز وخصائص استخدام معدات تحويل الصوت وتضخيمه ، لاكتساب المهارات في تطبيقها العملي.

الخلفية النظرية

صوتتسمى الحركة التذبذبية لجزيئات وسط مرن ، تنتشر في شكل موجات في وسط غازي أو سائل أو صلب ، والتي تعمل على محلل السمع البشري ، وتسبب أحاسيس سمعية. مصدر الصوت عبارة عن جسم متذبذب ، على سبيل المثال: اهتزازات الأوتار ، وضبط اهتزاز الشوكة ، وحركة مخروط مكبر الصوت ، إلخ.

موجة صوتيةتسمى عملية الانتشار الموجه لاهتزازات الوسط المرن من مصدر الصوت. تسمى منطقة الفضاء التي تنتشر فيها الموجة الصوتية مجال الصوت. الموجة الصوتية هي تناوب لضغط الهواء وتخلخله. في مجال الانضغاط ، يتجاوز ضغط الهواء الضغط الجوي ، في منطقة الخلخلة - أقل منه. يسمى الجزء المتغير من الضغط الجوي ضغط الصوت. ص . وحدة ضغط الصوت هي باسكال ( بنسلفانيا) (باسكال = N / م 2). تسمى التذبذبات التي لها شكل جيبي (الشكل 1) التوافقية. إذا كان الجسم الذي يصدر صوتًا يتأرجح بشكل جيبي ، فإن ضغط الصوت يتغير أيضًا بشكل جيبي. من المعروف أن أي تذبذب معقد يمكن تمثيله كمجموع من التذبذبات التوافقية البسيطة. تسمى مجموعات السعات والترددات لهذه التذبذبات التوافقية على التوالي طيف السعةو الطيف الترددي.

تتميز الحركة التذبذبية لجزيئات الهواء في الموجة الصوتية بعدد من المعلمات:

فترة التذبذب(T) ، وهي أصغر فترة زمنية تتكرر بعدها قيم جميع الكميات الفيزيائية التي تميز الحركة التذبذبية ، وخلال هذا الوقت يحدث تذبذب كامل واحد. يتم قياس فترة التذبذب بالثواني ( مع).

تردد التذبذب(F) , عدد التذبذبات الكاملة لكل وحدة زمنية.

أين: Fهو تردد التذبذب. تيهي فترة التذبذب.

وحدة التردد هي هرتز ( هرتز) هو تذبذب كامل واحد في الثانية (1 كيلو هرتز = 1000 هرتز).

أرز. 1. التذبذب التوافقي البسيط:
A هي سعة التذبذب ، T هي فترة التذبذب

الطول الموجي (λ ) ، المسافة التي تناسبها فترة تذبذب واحدة. يقاس الطول الموجي بالأمتار ( م). الطول الموجي وتردد التذبذب يرتبطان بما يلي:

أين مع هي سرعة انتشار الصوت.

سعة التذبذب (أ) ، وهو أكبر انحراف للقيمة المتذبذبة عن حالة السكون.

مرحلة التذبذب.

تخيل دائرة طولها يساوي المسافة بين النقطتين A و E (الشكل 2) ، أو الطول الموجي عند تردد معين. عندما "تدور" هذه الدائرة ، سيكون خطها الشعاعي في كل مكان فردي للجيوب الأنفية على مسافة زاوية معينة من نقطة البداية ، والتي ستكون قيمة المرحلة عند كل نقطة من هذه النقاط. المرحلة تقاس بالدرجات.

عندما تصطدم موجة صوتية بسطح ، فإنها تنعكس جزئيًا بنفس الزاوية التي تسقط فيها على هذا السطح ، ولا يتغير طورها. على التين. يوضح الشكل 3 اعتماد الطور للموجات المنعكسة.

أرز. 2. موجة جيبية: السعة والمرحلة.
إذا كان المحيط مساويًا لطول الموجة عند تردد معين (المسافة من A إلى E) ، فعندما يدور ، سيُظهر الخط الشعاعي لهذه الدائرة زاوية مقابلة لقيمة طور الجيب عند نقطة معينة

أرز. 3. الاعتماد على المرحلة من الموجات المنعكسة.
موجات صوتية بترددات مختلفة تنبعث من مصدر صوتي بنفس المرحلة ، بعد اجتياز نفس المسافة ، تصل إلى السطح بمرحلة مختلفة

الموجة الصوتية قادرة على الانحناء حول العوائق إذا كان طولها أكبر من أبعاد العائق. هذه الظاهرة تسمى الانحراف. يكون الانعراج ملحوظًا بشكل خاص في التذبذبات منخفضة التردد ذات الطول الموجي الكبير.

إذا كانت موجتان صوتيتان لهما نفس التردد ، فإنهما يتفاعلان مع بعضهما البعض. تسمى عملية التفاعل التداخل. عندما تتفاعل التذبذبات في الطور (التي تتزامن في الطور) ، يتم تضخيم الموجة الصوتية. في حالة تفاعل تذبذبات الطور المضاد ، تضعف الموجة الصوتية الناتجة (الشكل 4). الموجات الصوتية التي تختلف تردداتها بشكل كبير عن بعضها البعض لا تتفاعل مع بعضها البعض.

أرز. 4 - تفاعل التذبذبات في المرحلة (أ) وفي الطور المضاد (ب):
1 ، 2 - التذبذبات المتفاعلة ، 3 - التذبذبات الناتجة

يمكن تخفيف الاهتزازات الصوتية وعدم تثبيتها. تتناقص سعة التذبذبات المخففة تدريجياً. مثال على الاهتزازات المخففة هو الصوت الذي يحدث عندما يتم تحفيز وتر مرة واحدة أو ضرب جرس. سبب التخميد من اهتزازات الوتر هو احتكاك الوتر مع الهواء ، وكذلك الاحتكاك بين جزيئات الوتر المهتز. يمكن أن توجد التذبذبات المستمرة إذا تم تعويض خسائر الاحتكاك بتدفق الطاقة من الخارج. مثال على التذبذبات غير المخمد هي اهتزازات كوب جرس المدرسة. أثناء الضغط على زر الطاقة ، توجد اهتزازات غير مخففة في المكالمة. بعد توقف إمداد الطاقة للجرس ، تتلاشى التذبذبات.

تنتشر الموجة الصوتية في الغرفة من مصدرها ، وتنقل الطاقة ، وتتمدد حتى تصل إلى الأسطح الحدودية لهذه الغرفة: الجدران ، والأرضية ، والسقف ، إلخ. يصاحب انتشار الموجات الصوتية انخفاض في شدتها. ويرجع ذلك إلى فقدان الطاقة الصوتية للتغلب على الاحتكاك بين جزيئات الهواء. بالإضافة إلى ذلك ، تنتشر الموجة في جميع الاتجاهات من المصدر ، وتغطي مساحة متزايدة من الفضاء ، مما يؤدي إلى انخفاض كمية الطاقة الصوتية لكل وحدة مساحة ، مع كل مضاعفة للمسافة من المصدر الكروي ، القوة من اهتزازات جسيمات الهواء تنخفض بمقدار 6 ديسيبل (أربع مرات في الطاقة) (الشكل 5).

أرز. 5. يتم توزيع طاقة الموجة الصوتية الكروية على مساحة متزايدة باستمرار من مقدمة الموجة ، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط الصوت بمقدار 6 ديسيبل مع كل مضاعفة للمسافة من المصدر

مواجهة عائق في طريقه ، جزء من طاقة الموجة الصوتية يمر، يمرر، اجتاز بنجاحمن خلال جزء الجدران يمتصداخل الجدران وجزء ينعكسمرة أخرى داخل الغرفة. طاقة الموجة الصوتية المنعكسة والممتصة تساوي إجمالاً طاقة الموجة الصوتية الساقطة. بدرجات متفاوتة ، توجد جميع الأنواع الثلاثة لتوزيع الطاقة الصوتية في جميع الحالات تقريبًا.
(الشكل 6).

أرز. 6. انعكاس وامتصاص الطاقة الصوتية

ستغير الموجة الصوتية المنعكسة ، بعد أن فقدت جزءًا من الطاقة ، اتجاهها وستنتشر حتى تصل إلى الأسطح الأخرى للغرفة ، والتي ستنعكس منها مرة أخرى ، وتفقد المزيد من الطاقة ، إلخ. سيستمر هذا حتى تتلاشى طاقة الموجة الصوتية أخيرًا.

يحدث انعكاس الموجة الصوتية وفقًا لقوانين البصريات الهندسية. تعكس المواد عالية الكثافة (الخرسانة والمعدن وما إلى ذلك) الصوت جيدًا. يرجع امتصاص الموجة الصوتية إلى عدة أسباب. تستهلك الموجة الصوتية طاقتها على اهتزازات العائق نفسه وعلى اهتزازات الهواء في مسام الطبقة السطحية للعائق. ويترتب على ذلك أن المواد المسامية (اللباد ، المطاط الرغوي ، إلخ) تمتص الصوت بقوة. في غرفة مليئة بالمتفرجين ، يكون امتصاص الصوت أكبر منه في الغرفة الفارغة. تتميز درجة انعكاس وامتصاص الصوت بواسطة مادة ما بمعاملات الانعكاس والامتصاص. يمكن أن تتراوح هذه المعاملات من صفر إلى واحد. يشير المعامل الذي يساوي واحدًا إلى انعكاس الصوت أو امتصاصه المثالي.

إذا كان مصدر الصوت في الغرفة ، فلن يتلقى المستمع طاقة صوتية مباشرة فحسب ، بل يتلقى أيضًا طاقة صوتية تنعكس من أسطح مختلفة. يعتمد حجم الصوت في الغرفة على قوة مصدر الصوت وكمية المواد الممتصة للصوت. كلما زادت المواد التي تمتص الصوت في الغرفة ، انخفض حجم الصوت.

بعد إيقاف تشغيل مصدر الصوت بسبب انعكاسات الطاقة الصوتية من الأسطح المختلفة ، يوجد مجال صوتي لبعض الوقت. تسمى عملية التوهين التدريجي للصوت في الأماكن المغلقة بعد إيقاف تشغيل مصدره تردد.مدة الصدى تتميز بما يسمى ب. وقت صدى، أي. الوقت الذي تنخفض فيه شدة الصوت بمقدار 10 6 مرات ، ومستواه بمقدار 60 ديسيبل . على سبيل المثال ، إذا وصلت أوركسترا في قاعة للحفلات الموسيقية إلى مستوى 100 ديسيبل مع حوالي 40 ديسيبل من ضوضاء الخلفية ، فإن الأوتار النهائية للأوركسترا سوف تتلاشى في ضوضاء عندما ينخفض ​​مستواها بنحو 60 ديسيبل. يعد وقت الصدى هو العامل الأكثر أهمية في تحديد الجودة الصوتية للغرفة. كلما زاد حجم الغرفة ، كلما انخفض الامتصاص على الأسطح المحيطة.

يؤثر مقدار وقت الصدى على درجة وضوح الكلام وجودة صوت الموسيقى. إذا كان وقت الصدى طويلًا جدًا ، يصبح الكلام مشوشًا. إذا كان وقت الصدى قصيرًا جدًا ، يكون الكلام واضحًا ، لكن الموسيقى تصبح غير طبيعية. وقت الصدى الأمثل ، اعتمادًا على حجم الغرفة ، هو حوالي 1-2 ثانية.

الخصائص الأساسية للصوت.

سرعة الصوتفي الهواء 332.5 م / ث عند 0 درجة مئوية. في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) ، تبلغ سرعة الصوت حوالي 340 م / ث. يُشار إلى سرعة الصوت بالرمز " مع ».

تكرار.تشكل الأصوات التي يدركها محلل السمع البشري مجموعة من الترددات الصوتية. من المقبول عمومًا أن هذا النطاق يقتصر على الترددات من 16 إلى 20000 هرتز. هذه الحدود مشروطة للغاية ، وهي مرتبطة بالخصائص الفردية لسمع الناس ، والتغيرات المرتبطة بالعمر في حساسية المحلل السمعي وطريقة تسجيل الأحاسيس السمعية. يمكن لأي شخص أن يميز تغيير التردد بنسبة 0.3٪ عند تردد حوالي 1 كيلو هرتز.

يغطي المفهوم المادي للصوت كلاً من الترددات الاهتزازية المسموعة وغير المسموعة. تسمى الموجات الصوتية التي يقل ترددها عن 16 هرتز بالموجات فوق الصوتية ، فوق 20 كيلو هرتز - الموجات فوق الصوتية. . منطقة الترددات فوق الصوتية غير محدودة عمليًا من الأسفل - في الطبيعة ، تحدث الاهتزازات فوق الصوتية بتردد أعشار ومئات من هرتز .

ينقسم نطاق الصوت تقليديًا إلى عدة نطاقات أضيق (الجدول 1).

الجدول 1

يتم تقسيم نطاق تردد الصوت بشكل مشروط إلى نطاقات فرعية

شدة الصوتيتم تحديد (W / m 2) من خلال مقدار الطاقة التي تحملها الموجة لكل وحدة زمنية عبر وحدة مساحة السطح المتعامدة مع اتجاه انتشار الموجة. تستشعر الأذن البشرية الصوت على مدى واسع جدًا من الشدة ، من أضعف الأصوات المسموعة إلى أعلى الأصوات ، مثل تلك الصادرة عن محرك طائرة نفاثة.

يسمى الحد الأدنى من شدة الصوت التي يحدث عندها الإحساس السمعي بالعتبة السمعية. يعتمد ذلك على تردد الصوت (الشكل 7). تتمتع الأذن البشرية بأعلى حساسية للصوت في نطاق التردد من 1 إلى 5 كيلو هرتز ، على التوالي ، وعتبة الإدراك السمعي هنا لها أقل قيمة من 10-12 واط / م 2. تؤخذ هذه القيمة على أنها المستوى الصفري من السمع. تحت تأثير الضوضاء والمحفزات الصوتية الأخرى ، تزداد عتبة السمع لصوت معين (إخفاء الصوت هو ظاهرة فسيولوجية ، والتي تتمثل في حقيقة أنه مع الإدراك المتزامن لصوتين أو أكثر من صوت مختلف ، تتوقف الأصوات الأكثر هدوءًا عن تكون مسموعة) ، وتستمر القيمة المتزايدة لبعض الوقت بعد توقف العامل المسبب للتداخل ، ثم تعود تدريجيًا إلى مستواها الأصلي. لأشخاص مختلفين ونفس الأشخاص في أوقات مختلفة ، قد تختلف عتبة السمع تبعًا للعمر والحالة الفسيولوجية واللياقة البدنية.

أرز. 7. الاعتماد على التردد لعتبة السمع القياسية
إشارة جيبية

تسبب الأصوات عالية الشدة إحساسًا بألم ضاغط في الأذنين. يُطلق على الحد الأدنى من شدة الصوت التي يوجد عندها إحساس بألم ضاغط في الأذنين (حوالي 10 وات / م 2) حد الألم. بالإضافة إلى عتبة الإدراك السمعي ، فإن عتبة الألم تعتمد على تردد اهتزازات الصوت. الأصوات التي تقترب من عتبة الألم لها تأثير ضار على السمع.

يكون الإحساس الطبيعي بالصوت ممكنًا إذا كانت شدة الصوت بين عتبة السمع وعتبة الألم.

من الملائم تقييم الصوت حسب المستوى ( إل) الشدة (ضغط الصوت) ، محسوبة بالصيغة:

أين ي 0 -عتبة السمع ، ي-شدة الصوت (الجدول 2).

الجدول 2

خصائص الصوت من حيث شدته وتقييمه من حيث شدته بالنسبة لعتبة الإدراك السمعي

خاصية الصوت	كثافة (W / m2)	مستوى الشدة بالنسبة إلى حد السمع (ديسيبل)
عتبة السمع	10 -12
تصدر أصوات القلب من خلال سماعة الطبيب	10 -11
همسة	10 -10 –10 -9	20–30
أصوات الكلام أثناء المحادثة الهادئة	10 -7 –10 -6	50–60
الضوضاء المرتبطة بحركة المرور الكثيفة	10 -5 –10 -4	70–80
الضوضاء الناتجة عن حفل موسيقى الروك	10 -3 –10 -2	90–100
ضوضاء بالقرب من محرك طائرة قيد التشغيل	0,1–1,0	110–120
عتبة الألم

معيناتنا السمعية قادرة على التعامل مع نطاق ديناميكي ضخم. التغييرات في ضغط الهواء التي تسببها الأصوات الأكثر هدوءًا هي في حدود 2 × 10 -5 باسكال. في الوقت نفسه ، يبلغ ضغط الصوت بمستوى يقترب من عتبة الألم لآذاننا حوالي 20 باسكال. نتيجة لذلك ، فإن النسبة بين أهدأ الأصوات وأعلىها التي يمكن أن تستوعبها المعينة السمعية لدينا هي 1: 1،000،000. من غير الملائم قياس إشارات المستوى المختلفة على مقياس خطي.

من أجل ضغط مثل هذا النطاق الديناميكي الواسع ، تم تقديم مفهوم "bel". بل هو اللوغاريتم البسيط لنسبة قوتين ؛ وديسيبل يساوي عُشر بيلا.

للتعبير عن الضغط الصوتي بالديسيبل ، من الضروري ضبط الضغط (بالباسكال) وتقسيمه على مربع الضغط المرجعي. للراحة ، يتم تربيع الضغطين خارج اللوغاريتم (وهي خاصية اللوغاريتمات).

لتحويل الضغط الصوتي إلى ديسيبل ، يتم استخدام الصيغة التالية:

حيث: P هو الضغط الصوتي الذي يهمنا ؛ P 0 - الضغط الأولي.

عندما يتم أخذ 2 × 10 -5 Pa كضغط مرجعي ، فإن ضغط الصوت ، معبراً عنه بالديسيبل ، يسمى مستوى ضغط الصوت (SPL - من مستوى ضغط الصوت الإنجليزي). وبالتالي ، فإن ضغط الصوت يساوي 3 بنسلفانيا، أي ما يعادل مستوى ضغط صوتي قدره 103.5 ديسيبل ، وبالتالي:

يمكن التعبير عن النطاق الديناميكي الصوتي أعلاه بالديسيبل كمستويات ضغط الصوت التالية: من 0 ديسيبل للأصوات الأكثر هدوءًا ، و 120 ديسيبل لأصوات عتبة الألم ، وحتى 180 ديسيبل للأصوات الأعلى. عند 140 ديسيبل ، يشعر بألم شديد ، عند 150 ديسيبل ، يحدث تلف في الأذنين.

حجم الصوت،قيمة تميز الإحساس السمعي لصوت معين. يعتمد ارتفاع الصوت بطريقة معقدة على ضغط الصوت(أو شدة الصوت) وتواتر وشكل الاهتزازات. مع تردد وشكل ثابت للاهتزازات ، يزداد حجم الصوت مع زيادة ضغط الصوت (الشكل 8.). يتم تقدير جهارة صوت لتردد معين من خلال مقارنته بصوت ارتفاع نغمة بسيطة بتردد 1000 هرتز. يُطلق على مستوى ضغط الصوت (بالديسيبل) للنغمة النقية بتردد 1000 هرتز ، وهو مرتفع (عن طريق الأذن) مثل الصوت الذي يتم قياسه ، مستوى جهارة هذا الصوت (في الخلفيات) (الشكل 8).

أرز. 8. منحنيات ذات جهارة صوت متساوية - اعتماد مستوى ضغط الصوت (بالديسيبل) على التردد عند جهارة صوت معين (بالفونات).

طيف الصوت.

تعتمد طبيعة إدراك أجهزة السمع للصوت على طيف التردد الخاص بها.

الضوضاء لها طيف مستمر ، أي تشكل ترددات التذبذبات الجيبية البسيطة الموجودة فيها سلسلة متصلة من القيم التي تملأ تمامًا فترة معينة.

تحتوي الأصوات الموسيقية (النغمية) على طيف من الترددات. تشكل ترددات التذبذبات التوافقية البسيطة المتضمنة فيها سلسلة من القيم المنفصلة.

يسمى كل اهتزاز توافقي نغمة (نغمة بسيطة). تعتمد درجة الصوت على التردد: فكلما زاد التردد ، زادت النغمة. يتم تحديد درجة الصوت من خلال تردده. يُنظر إلى التغيير السلس في تردد اهتزازات الصوت من 16 إلى 20000 هرتز في البداية على أنه طنين منخفض التردد ، ثم كصفارة ، يتحول تدريجياً إلى صرير.

النغمة الرئيسية للصوت الموسيقي المعقد هي النغمة المقابلة لأدنى تردد في طيفه. تسمى النغمات التي تتوافق مع بقية الترددات في الطيف بالإيحاءات. إذا كانت ترددات النغمات الضمنية هي مضاعفات التردد f o للنغمة الرئيسية ، فإن النغمات الإيحائية تسمى متناسقة ، والنغمة الأساسية ذات التردد f o تسمى النغمة التوافقية الأولى ، والنغمة العلوية ذات التردد الأعلى التالي 2f o هي الثانية متناسق ، إلخ.

يمكن أن تختلف الأصوات الموسيقية التي لها نفس النغمة الأساسية في الجرس. يتم تحديد الجرس من خلال تكوين النغمات - تردداتها واتساعها ، وكذلك طبيعة الزيادة في السعات في بداية الصوت وتراجعها في نهاية الصوت.

معلومات مماثلة.

تحدث في الوسائط الغازية والسائلة والصلبة ، والتي عند وصولها إلى أجهزة السمع البشرية ، ينظر إليها على أنها صوت. يقع تردد هذه الموجات في النطاق من 20 إلى 20000 ذبذبة في الثانية. نعطي الصيغ لموجة صوتية وننظر في خصائصها بمزيد من التفصيل.

لماذا تظهر الموجة الصوتية؟

يتساءل الكثير من الناس ما هي الموجة الصوتية. تكمن طبيعة الصوت في حدوث اضطرابات في وسط مرن. على سبيل المثال ، عندما يحدث اضطراب في الضغط على شكل ضغط في حجم معين من الهواء ، فإن هذه المنطقة تميل إلى الانتشار في الفضاء. تؤدي هذه العملية إلى ضغط الهواء في المناطق المجاورة للمصدر ، والتي تميل أيضًا إلى التوسع. تغطي هذه العملية المزيد والمزيد من المساحة حتى تصل إلى بعض أجهزة الاستقبال ، على سبيل المثال ، الأذن البشرية.

الخصائص العامة للموجات الصوتية

ضع في اعتبارك الأسئلة حول ماهية الموجة الصوتية وكيف يتم إدراكها من قبل الأذن البشرية. تكون الموجة الصوتية طولية ، فعند دخولها إلى قشرة الأذن ، تتسبب في اهتزاز طبلة الأذن بتردد واتساع معينين. يمكنك أيضًا تمثيل هذه التقلبات على أنها تغيرات دورية في الضغط في الحجم الصغير للهواء المجاور للغشاء. أولاً ، يزيد بالنسبة إلى الضغط الجوي الطبيعي ، ثم يتناقص ، وفقًا للقوانين الرياضية للحركة التوافقية. اتساع التغييرات في ضغط الهواء ، أي الفرق بين الضغط الأقصى أو الأدنى الناتج عن الموجة الصوتية ، مع الضغط الجوي يتناسب مع سعة الموجة الصوتية نفسها.

أظهرت العديد من التجارب الفيزيائية أن أقصى ضغط يمكن للأذن البشرية إدراكه دون الإضرار بها هو 2800 نيوتن / سم 2. للمقارنة ، لنفترض أن الضغط الجوي بالقرب من سطح الأرض يبلغ 10 مليون نيوتن / سم 2. بالنظر إلى تناسب الضغط وسعة التذبذبات ، يمكننا القول أن القيمة الأخيرة غير مهمة حتى بالنسبة لأقوى الموجات. إذا تحدثنا عن طول الموجة الصوتية ، فعند تردد 1000 اهتزاز في الثانية سيكون جزءًا من ألف من السنتيمتر.

أضعف الأصوات تخلق تقلبات ضغط بترتيب 0.001 μN / cm 2 ، والسعة المقابلة لتذبذبات الموجة لتردد 1000 هرتز هي 10-9 سم ، في حين أن متوسط ​​قطر جزيئات الهواء هو 10-8 سم ، أي ، الأذن البشرية هي عضو حساس للغاية.

مفهوم شدة الموجات الصوتية

من وجهة نظر هندسية ، فإن الموجة الصوتية هي اهتزاز من شكل معين ، ولكن من وجهة نظر مادية ، فإن الخاصية الرئيسية للموجات الصوتية هي قدرتها على نقل الطاقة. إن أهم مثال على انتقال طاقة الأمواج هو الشمس ، حيث توفر موجاتها الكهرومغناطيسية المشعة الطاقة لكوكبنا بأكمله.

تُعرَّف شدة الموجة الصوتية في الفيزياء بأنها مقدار الطاقة التي تحملها الموجة عبر سطح الوحدة ، والتي تكون متعامدة مع انتشار الموجة ، ولكل وحدة زمنية. باختصار ، شدة الموجة هي قوتها المنقولة عبر منطقة وحدة.

تُقاس قوة الموجات الصوتية عادةً بالديسيبل ، والتي تستند إلى مقياس لوغاريتمي ، وهو مناسب للتحليل العملي للنتائج.

شدة الأصوات المختلفة

يعطي مقياس الديسيبل التالي فكرة عن معنى المختلف والأحاسيس التي يسببها:

• تبدأ عتبة الأحاسيس غير السارة وغير المريحة عند 120 ديسيبل (ديسيبل) ؛
• تنتج مطرقة التثبيت ضوضاء 95 ديسيبل ؛
• قطار فائق السرعة - 90 ديسيبل ؛
• شارع به حركة مرور كثيفة - 70 ديسيبل ؛
• حجم المحادثة العادية بين الناس - 65 ديسيبل ؛
• سيارة حديثة تتحرك بسرعات معتدلة تنتج ضوضاء 50 ديسيبل ؛
• متوسط ​​حجم الراديو - 40 ديسيبل ؛
• محادثة هادئة - 20 ديسيبل ؛
• ضوضاء أوراق الشجر - 10 ديسيبل ؛
• العتبة الدنيا لحساسية الصوت البشرية قريبة من 0 ديسيبل.

تعتمد حساسية الأذن البشرية على تردد الصوت وهي القيمة القصوى للموجات الصوتية بتردد 2000-3000 هرتز. بالنسبة للصوت في نطاق التردد هذا ، فإن الحد الأدنى لحساسية الإنسان هو 10 -5 ديسيبل. تؤدي الترددات الأعلى والأقل من الفاصل الزمني المحدد إلى زيادة عتبة الحساسية المنخفضة بحيث يسمع الشخص ترددات قريبة من 20 هرتز و 20000 هرتز فقط عند شدتها عدة عشرات من ديسيبل.

بالنسبة لعتبة الشدة العليا ، وبعدها يبدأ الصوت في إحداث إزعاج للشخص وحتى الألم ، يجب القول إنه لا يعتمد عمليًا على التردد ويقع في نطاق 110-130 ديسيبل.

الخصائص الهندسية للموجة الصوتية

الموجة الصوتية الحقيقية هي حزمة متذبذبة معقدة من الموجات الطولية ، والتي يمكن أن تتحلل إلى اهتزازات توافقية بسيطة. يتم وصف كل تذبذب من وجهة نظر هندسية بالخصائص التالية:

1. السعة - أقصى انحراف لكل قسم من أجزاء الموجة عن التوازن. تم تعيين هذه القيمة A.
2. فترة. هذا هو الوقت الذي تستغرقه موجة بسيطة لإكمال تذبذبها الكامل. بعد هذا الوقت ، تبدأ كل نقطة في الموجة في تكرار عمليتها التذبذبية. عادةً ما يُشار إلى الفترة بالحرف T ويتم قياسها بالثواني في نظام SI.
3. تكرار. هذه كمية مادية توضح عدد التذبذبات التي تحدثها موجة معينة في الثانية. وهذا يعني ، في معناها ، أنها قيمة مقلوبة مع الفترة. تم تعيينه و. بالنسبة لتردد الموجة الصوتية ، فإن صيغة تحديدها من حيث الفترة هي كما يلي: f = 1 / T.
4. الطول الموجي هو المسافة التي يقطعها في فترة اهتزاز واحدة. هندسيًا ، الطول الموجي هو المسافة بين أقرب حد أقصى أو اثنين أقرب حد أدنى على منحنى جيبي. طول تذبذب الموجة الصوتية هو المسافة بين أقرب مناطق ضغط الهواء أو أقرب أماكن انتشارها في الفضاء الذي تتحرك فيه الموجة. يُشار إليه عادةً بالحرف اليوناني λ.
5. سرعة انتشار الموجة الصوتية هي المسافة التي تنتشر فيها منطقة الانضغاط أو منطقة خلخلة الموجة لكل وحدة زمنية. يتم الإشارة إلى هذه القيمة بالحرف v. بالنسبة لسرعة الموجة الصوتية ، الصيغة هي: v = λ * f.

إن هندسة الموجة الصوتية النقية ، أي موجة من النقاء المستمر ، تخضع لقانون الجيب. في الحالة العامة ، صيغة الموجة الصوتية هي: y = A * sin (ωt) ، حيث y هي قيمة إحداثيات نقطة معينة من الموجة ، t هي الوقت ، ω = 2 * pi * f هي الدورة تردد التذبذب.

صوت غير دوري

يمكن اعتبار العديد من مصادر الصوت دورية ، على سبيل المثال ، الصوت من الآلات الموسيقية مثل الجيتار والبيانو والناي ، ولكن هناك أيضًا عدد كبير من الأصوات في الطبيعة غير دورية ، أي أن الاهتزازات الصوتية تغير ترددها وشكلها في الفضاء. من الناحية الفنية ، يسمى هذا النوع من الصوت الضوضاء. ومن الأمثلة الحية على الأصوات غير الدورية الضوضاء الحضرية ، وصوت البحر ، والأصوات الصادرة من آلات الإيقاع ، على سبيل المثال ، من الطبل ، وغيرها.

وسط انتشار الصوت

على عكس الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الذي لا تحتاج فوتوناته إلى أي وسيط مادي لانتشارها ، فإن طبيعة الصوت تتطلب وسيطًا معينًا لانتشاره ، أي وفقًا لقوانين الفيزياء ، لا يمكن للموجات الصوتية أن تنتشر في الفراغ.

يمكن أن ينتشر الصوت في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. الخصائص الرئيسية لموجة الصوت المنتشرة في وسط هي كما يلي:

• تنتشر الموجة خطيًا ؛
• ينتشر بالتساوي في جميع الاتجاهات في وسط متجانس ، أي ينحرف الصوت عن المصدر ، ويشكل سطحًا كرويًا مثاليًا.
• بغض النظر عن سعة الصوت وتردده ، تنتشر موجاته بنفس السرعة في وسط معين.

سرعة الموجات الصوتية في الوسائط المختلفة

تعتمد سرعة انتشار الصوت على عاملين رئيسيين: الوسط الذي تنتقل فيه الموجة ودرجة الحرارة. بشكل عام ، تنطبق القاعدة التالية: كلما زادت كثافة الوسط ، وكلما ارتفعت درجة حرارته ، كان الصوت ينتقل فيه بشكل أسرع.

على سبيل المثال ، سرعة انتشار الموجة الصوتية في الهواء بالقرب من سطح الأرض عند درجة حرارة 20 ℃ والرطوبة بنسبة 50٪ هي 1235 كم / ساعة أو 343 م / ث. في الماء ، عند درجة حرارة معينة ، ينتقل الصوت أسرع 4.5 مرة ، أي حوالي 5735 كم / ساعة أو 1600 م / ث. أما بالنسبة لاعتماد سرعة الصوت على درجة حرارة الهواء فيزداد بمقدار 0.6 م / ث مع زيادة درجة الحرارة لكل درجة مئوية.

Timbre والنغمة

إذا سمح لسلسلة أو لوحة معدنية بالاهتزاز بحرية ، فإنها ستصدر أصواتًا بترددات مختلفة. من النادر جدًا العثور على جسم يصدر صوتًا بتردد معين ، وعادة ما يكون لصوت الجسم مجموعة من الترددات في فترة زمنية معينة.

يتم تحديد جرس الصوت من خلال عدد التوافقيات الموجودة فيه وشدة كل منها. Timbre هي قيمة ذاتية ، أي إدراك كائن يبدو من قبل شخص معين. يتميز Timbre عادةً بالصفات التالية: عالي ، متألق ، رنان ، لحني ، وما إلى ذلك.

النغمة هي إحساس صوتي يسمح بتصنيفها على أنها عالية أو منخفضة. هذه القيمة هي أيضًا ذاتية ولا يمكن قياسها بواسطة أي أداة. ترتبط النغمة بكمية موضوعية - تردد الموجة الصوتية ، لكن لا توجد علاقة واضحة بينهما. على سبيل المثال ، بالنسبة للصوت أحادي التردد ذي الشدة الثابتة ، ترتفع النغمة مع زيادة التردد. إذا ظل تردد الصوت ثابتًا وازدادت شدته ، تنخفض النغمة.

شكل مصادر الصوت

وفقًا لشكل الجسم الذي يؤدي الاهتزازات الميكانيكية وبالتالي تولد الموجات ، هناك ثلاثة أنواع رئيسية:

1. نقطه المصدر. ينتج موجات صوتية كروية الشكل وتتلاشى بسرعة مع المسافة من المصدر (حوالي 6 ديسيبل إذا تضاعفت المسافة من المصدر).
2. مصدر الخط. يخلق موجات أسطوانية ، تقل شدتها بشكل أبطأ من مصدر نقطة (لكل مضاعفة المسافة من المصدر ، تنخفض شدتها بمقدار 3 ديسيبل).
3. مصدر مسطح أو ثنائي الأبعاد. يولد موجات فقط في اتجاه معين. مثال على هذا المصدر سيكون مكبسًا يتحرك في أسطوانة.

مصادر الصوت الإلكترونية

لإنشاء موجة صوتية ، تستخدم المصادر الإلكترونية غشاءًا خاصًا (مكبر صوت) يقوم بالاهتزازات الميكانيكية بسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. تشمل هذه المصادر ما يلي:

• مشغلات الأقراص المختلفة (CD و DVD وغيرها) ؛
• مسجلات الكاسيت
• مستقبلات الراديو
• أجهزة التلفاز والبعض الآخر.

صوت(أو الصوتية) الموجات

تسمى الموجات المرنة المنتشرة في وسط بترددات في حدود 16-20000 هرتز. تسبب موجات هذه الترددات ، التي تعمل على جهاز السمع البشري ، الإحساس بالصوت. أمواج مع v< 16 Гц (بالموجات فوق الصوتية) و v>> 20 كيلوهرتز (فوق صوتي)لا يُنظر إلى أعضاء السمع البشرية.

يمكن أن تكون الموجات الصوتية في الغازات والسوائل طولية فقط ، لأن هذه الوسائط مرنة فقط فيما يتعلق بالتشوهات الانضغاطية (الشد). في المواد الصلبة ، يمكن أن تكون الموجات الصوتية طولية وعرضية ، لأن المواد الصلبة مرنة فيما يتعلق بالتشوهات الانضغاطية (الشد) والقص.

شدة الصوت(أو قوة الصوت)يسمى تحديد القيمة

متوسط ​​الطاقة التي تحملها موجة صوتية لكل وحدة زمنية عبر منطقة وحدة عمودية على اتجاه انتشار الموجة:

أنا = W / (شارع).

وحدة شدة الصوت في النظام الدولي للوحدات - واط لكل متر مربع(ث / م 2).

تختلف حساسية الأذن البشرية باختلاف الترددات. من أجل إحداث إحساس صوتي ، يجب أن يكون للموجة حد أدنى معين من الشدة ، ولكن إذا تجاوزت هذه الشدة حدًا معينًا ، فلن يُسمع الصوت ويسبب الألم فقط. وبالتالي ، لكل تردد تذبذب ، يوجد أصغرها (عتبة السمع)والأعظم (عتبة الألم)شدة الصوت القادر على إنتاج إدراك سليم. على التين. يوضح الشكل 223 اعتماد عتبات السمع والألم على تردد الصوت. المساحة بين هذين المنحنيين هي منطقة السمع.

إذا كانت شدة الصوت هي الكمية التي تميز عملية الموجة بشكل موضوعي ، فإن السمة الذاتية للصوت المرتبطة بكدتها هي حجم الصوت،يعتمد على التردد. وفقًا لقانون Weber - Fechner الفسيولوجي ، مع زيادة شدة الصوت ، يزداد الحجم وفقًا للقانون اللوغاريتمي. على هذا الأساس ، يتم تقديم تقييم موضوعي لجهارة الصوت وفقًا للقيمة المقاسة لشدته:

L = lg ( أنا / أنا 0 ),

أين أنا 0 - شدة الصوت عند عتبة السمع ، مقبولة لجميع الأصوات

kov يساوي 10-1 2 واط / م 2. قيمة إلمُسَمًّى مستوى شدة الصوت

ويتم التعبير عنها في بالله(تكريما لمخترع بيل للهاتف). عادة ما تستخدم وحدات أصغر 10 مرات - ديسيبل(ديسيبل).

السمة الفسيولوجية للصوت مستوى الصوتالذي يتم التعبير عنه في الخلفيات(خلفية). جهارة الصوت عند 1000 هرتز (تردد نغمة نقية قياسية) هو 1 فون إذا كان مستوى شدته 1 ديسيبل. على سبيل المثال ، الضوضاء في سيارة مترو أنفاق بسرعة عالية تقابل 90 fon ، وتهمس على مسافة 1 متر - 20 fon.

الصوت الحقيقي هو تراكب التذبذبات التوافقية مع مجموعة كبيرة من الترددات ، أي الصوت الطيف الصوتيوالتي قد تكون صلب(في فترة زمنية معينة توجد تذبذبات لجميع الترددات) و حكم(هناك ترددات معينة منفصلة عن بعضها البعض).

يتميز الإحساس الصوتي بالإضافة إلى الحجم بالارتفاع والجرس. يقذف- جودة الصوت ، التي يحددها الشخص ذاتيًا عن طريق الأذن اعتمادًا على تردد الصوت. مع زيادة التردد ، تزداد حدة الصوت ، أي يصبح الصوت "أعلى". تحدد طبيعة الطيف الصوتي وتوزيع الطاقة بين ترددات معينة أصالة الإحساس الصوتي ، الذي يسمى جرس الصوت.لذا ، فإن المطربين المختلفين ، الذين يأخذون نفس النوتة الموسيقية ، لديهم طيف صوتي مختلف ، أي لديهم جرس مختلف.

يمكن أن يكون أي جسم يتأرجح في وسط مرن بتردد صوتي مصدرًا للصوت (على سبيل المثال ، في الآلات الوترية ، يكون مصدر الصوت عبارة عن سلسلة متصلة بجسم الآلة).

عند إجراء التذبذبات ، يتسبب الجسم في تذبذبات جسيمات الوسط المجاور له بنفس التردد. تنتقل حالة الحركة التذبذبية على التوالي إلى جسيمات الوسط التي تكون أكثر بعدًا عن الجسم ، أي تنتشر الموجة في الوسط بتردد تذبذب يساوي تردد مصدرها ، وبسرعة معينة اعتمادًا على الكثافة والخصائص المرنة للوسط. يتم حساب سرعة انتشار الموجات الصوتية في الغازات بالصيغة

ت = ( RT / M) ،(158.1)

أين ص- ثابت الغاز المولي ، م -الكتلة المولية ،  = ج ص / ج الخامس - نسبة السعات الحرارية المولارية للغاز عند ضغط وحجم ثابتين ، تي -درجة الحرارة الديناميكية الحرارية. من الصيغة (158.1) يترتب على ذلك أن سرعة الصوت في الغاز لا تعتمد على الضغط ع الغاز ،لكنه يزيد مع ارتفاع درجة الحرارة. كلما زادت الكتلة المولية للغاز ، قلت سرعة الصوت فيه. على سبيل المثال ، عند T = 273 K سرعة الصوت في الهواء (M = 29 10 -3 كجم / مول) ع = 331 م / ث ، في الهيدروجين (م = 2 10 -3 كجم / مول) ع = 1260 م / ث. التعبير (158.1) يتوافق مع البيانات التجريبية.

عندما ينتشر الصوت في الغلاف الجوي ، من الضروري مراعاة عدد من العوامل: سرعة الرياح واتجاهها ، ورطوبة الهواء ، والتركيب الجزيئي للوسط الغازي ، وظاهرة الانكسار وانعكاس الصوت عند حدود وسيطين. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أي وسيط حقيقي له لزوجة ، لذلك يلاحظ توهين الصوت ، أي انخفاض في اتساعها ، وبالتالي شدة الموجة الصوتية أثناء انتشارها. يرجع توهين الصوت إلى حد كبير إلى امتصاصه في الوسط ، المرتبط بانتقال لا رجعة فيه للطاقة الصوتية إلى أشكال أخرى من الطاقة (بشكل أساسي الحرارة).

بالنسبة إلى صوتيات الغرفة ، فهي ذات أهمية كبيرة صدى الصوت- عملية التوهين التدريجي للصوت في الأماكن المغلقة بعد إطفاء مصدره. إذا كانت الغرف فارغة ، فإن الصوت يتحلل ببطء ويتم إنشاء "أذرع" الغرفة. إذا تلاشت الأصوات بسرعة (عند استخدام مواد تمتص الصوت) ، فسيتم اعتبارها مكتومة. وقت الصدى- هذا هو الوقت الذي يتم فيه تخفيف شدة الصوت في الغرفة بمليون مرة ومستواها بمقدار 60 ديسيبل. تحتوي الغرفة على صوتيات جيدة إذا كان وقت الصدى 0.5-1.5 ثانية.

الصوت عبارة عن اهتزازات ميكانيكية تنتشر في وسط مادة مرنة بشكل أساسي على شكل موجات طولية.

في الفراغ ، لا ينتشر الصوت ، لأن نقل الصوت يتطلب وسيطًا ماديًا واتصالًا ميكانيكيًا بين جسيمات وسط المادة.

ينتشر الصوت في الوسط على شكل موجات صوتية. الموجات الصوتية هي اهتزازات ميكانيكية تنتقل في الوسط بمساعدة جزيئاتها الشرطية. في ظل الجسيمات الشرطية للبيئة ، فهم أحجامها الدقيقة.

الخصائص الفيزيائية الرئيسية للموجة الصوتية:

1. التردد.

تكرارالموجة الصوتية هي الكمية يساوي عدد التذبذبات الكاملة لكل وحدة زمنية. يشار إليه بالرمز الخامس (ناقص) وقياسها في هرتز. 1 هرتز \ u003d 1 عدد / ثانية \ u003d [s -1].

ينقسم مقياس اهتزازات الصوت إلى فترات التردد التالية:

دون صوتي (من 0 إلى 16 هرتز) ؛

صوت مسموع (من 16 إلى 16000 هرتز) ؛

الموجات فوق الصوتية (أكثر من 16000 هرتز).

يرتبط ارتباط الموجة الصوتية ارتباطًا وثيقًا بتردد الموجة الصوتية ، أي فترة الموجة الصوتية. فترةالموجة الصوتية هي وقت التذبذب الكامل لجسيمات الوسط. يعني تيويقاس بالثواني.

حسب اتجاه تذبذب جسيمات الوسط التي تحمل الموجة الصوتية ، تنقسم الموجات الصوتية إلى:

· طولية.

مستعرض.

بالنسبة للموجات الطولية ، يتزامن اتجاه تذبذب جسيمات الوسط مع اتجاه الانتشار في وسط الموجة الصوتية (الشكل 1).

بالنسبة للموجات المستعرضة ، تكون اتجاهات اهتزازات جسيمات الوسط متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة الصوتية (الشكل 2).

أرز. 1 تين. 2

تنتشر الموجات الطولية في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. مستعرض - فقط في المواد الصلبة.

3. شكل الاهتزازات.

حسب شكل الاهتزازات تنقسم الموجات الصوتية إلى:

· موجات بسيطة.

موجات معقدة.

الرسم البياني للموجة البسيطة هو موجة جيبية.

الرسم البياني الموجي المعقد هو أي منحنى دوري غير جيبي .

4. الطول الموجي.

الطول الموجي - المقدار ،يساوي المسافة التي تنتشر خلالها الموجة الصوتية في وقت يساوي فترة واحدة. يتم تعيينه λ (لامدا) ويقاس بالأمتار (م) ، السنتيمتر (سم) ، المليمترات (مم) ، الميكرومتر (ميكرومتر).

يعتمد الطول الموجي على الوسط الذي ينتشر فيه الصوت.

5. سرعة الموجة الصوتية.

سرعة الموجة الصوتيةهي سرعة انتشار الصوت في وسط به مصدر صوت ثابت. يُشار إليه بالرمز v ، محسوبًا بالصيغة:

تعتمد سرعة الموجة الصوتية على نوع الوسيط ودرجة الحرارة. أعلى سرعة للصوت في الأجسام المرنة الصلبة ، وأقل - في السوائل ، والأصغر - في الغازات.

هواء، الضغط الجوي العادي ، درجة الحرارة - 20 درجة ، v = 342 م / ث ؛

الماء ، درجة الحرارة 15-20 درجة ، الخامس = 1500 م / ث ؛

المعادن ، v = 5000-10000 م / ث.

تزداد سرعة الصوت في الهواء بنحو 0.6 م / ث مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات.

محتوى المقال

الصوت والصوت.الصوت اهتزازات ، أي. اضطراب ميكانيكي دوري في الوسائط المرنة - الغازية والسائلة والصلبة. مثل هذا الاضطراب ، وهو تغير مادي في الوسط (على سبيل المثال ، تغيير في الكثافة أو الضغط ، إزاحة الجسيمات) ، ينتشر فيه على شكل موجة صوتية. يُطلق على مجال الفيزياء الذي يتعامل مع أصل الموجات الصوتية وانتشارها واستقبالها ومعالجتها اسم الصوتيات. قد يكون الصوت غير مسموع إذا كان تردده يتجاوز حساسية الأذن البشرية ، أو إذا انتشر في وسط مثل مادة صلبة لا يمكن أن يكون لها اتصال مباشر بالأذن ، أو إذا تبددت طاقته بسرعة في الوسط. وبالتالي ، فإن العملية المعتادة لإدراك الصوت بالنسبة لنا ليست سوى جانب واحد من الصوتيات.

موجات الصوت

ضع في اعتبارك أنبوبة طويلة مليئة بالهواء. من الطرف الأيسر ، يتم إدخال مكبس متصل بإحكام بالجدران (الشكل 1). إذا تحرك المكبس بحدة إلى اليمين وتوقف ، فسيتم ضغط الهواء في جواره المباشر للحظة (الشكل 1 ، أ). ثم يتمدد الهواء المضغوط ، دافعًا الهواء المجاور له على اليمين ، وستتحرك منطقة الانضغاط ، التي ظهرت في البداية بالقرب من المكبس ، عبر الأنبوب بسرعة ثابتة (الشكل 1 ، ب). موجة الضغط هذه هي الموجة الصوتية في الغاز.

تتميز الموجة الصوتية في الغاز بالضغط الزائد والكثافة الزائدة وإزاحة الجسيمات وسرعتها. بالنسبة للموجات الصوتية ، تكون هذه الانحرافات عن قيم التوازن صغيرة دائمًا. وبالتالي ، فإن الضغط الزائد المرتبط بالموجة أقل بكثير من الضغط الساكن للغاز. وإلا فإننا نتعامل مع ظاهرة أخرى - موجة الصدمة. في الموجة الصوتية المقابلة للكلام العادي ، يكون الضغط الزائد حوالي واحد على مليون من الضغط الجوي.

من المهم ألا تنقل الموجة الصوتية المادة بعيدًا. الموجة هي مجرد اضطراب مؤقت يمر عبر الهواء ، وبعد ذلك يعود الهواء إلى حالة التوازن.

بطبيعة الحال ، لا تقتصر حركة الموجة على الصوت: فالضوء والإشارات الراديوية تنتقل على شكل موجات ، والجميع على دراية بالموجات على سطح الماء. يتم وصف جميع أنواع الموجات رياضيًا بواسطة ما يسمى بمعادلة الموجة.

موجات توافقية.

الموجة في الأنبوب في الشكل. 1 يسمى نبض الصوت. يتم إنشاء نوع مهم جدًا من الموجات عندما يهتز المكبس ذهابًا وإيابًا مثل وزن معلق من زنبرك. تسمى هذه التذبذبات التوافقية البسيطة أو الجيبية ، والموجة المثارة في هذه الحالة تسمى التوافقية.

مع التذبذبات التوافقية البسيطة ، تتكرر الحركة بشكل دوري. يسمى الفاصل الزمني بين حالتين متطابقتين للحركة بفترة التذبذب ، ويطلق على عدد الفترات الكاملة في الثانية تردد التذبذب. دعنا نشير إلى الفترة تي، والتردد من خلال F؛ ثم يمكن للمرء أن يكتب ذلك F= 1/ت.إذا كان التردد ، على سبيل المثال ، 50 فترة في الثانية (50 هرتز) ، فإن الفترة تكون 1/50 من الثانية.

توصف التذبذبات التوافقية البسيطة رياضياً بوظيفة بسيطة. إزاحة المكبس مع التذبذبات التوافقية البسيطة في أي لحظة من الزمن ريمكن كتابتها في النموذج

هنا د-إزاحة المكبس من وضع التوازن ، و دهو مضاعف ثابت ، وهو ما يساوي الحد الأقصى لقيمة الكمية دويسمى سعة الإزاحة.

افترض أن المكبس يتأرجح وفقًا لصيغة التذبذب التوافقي. ثم ، عندما يتحرك إلى اليمين ، يحدث الضغط ، كما كان من قبل ، وعندما ينتقل إلى اليسار ، فإن الضغط والكثافة سينخفضان بالنسبة لقيم توازنهما. لا يوجد ضغط ، ولكن خلخلة للغاز. في هذه الحالة ينتشر اليمين كما هو مبين في الشكل. 2 ، موجة من الضغط والتناوب بالتناوب. في كل لحظة من الزمن ، سيكون لمنحنى توزيع الضغط على طول الأنبوب شكل الجيب ، وسوف يتحرك هذا الجيوب إلى اليمين بسرعة الصوت الخامس. المسافة على طول الأنبوب بين نفس مراحل الموجة (على سبيل المثال ، بين الحد الأقصى المجاور) تسمى الطول الموجي. عادة ما يتم الإشارة إليه بالحرف اليوناني ل(لامدا). الطول الموجي لهي المسافة التي قطعتها الموجة في الوقت المناسب تي. لهذا ل = تلفزيون، أو ت = ل.

الموجات الطولية والعرضية.

إذا كانت الجسيمات تتأرجح بالتوازي مع اتجاه انتشار الموجة ، فإن الموجة تسمى طولية. إذا كانت تتأرجح بشكل عمودي على اتجاه الانتشار ، فإن الموجة تسمى عرضية. الموجات الصوتية في الغازات والسوائل طولية. في المواد الصلبة ، توجد موجات من كلا النوعين. الموجة المستعرضة في مادة صلبة ممكنة بسبب صلابتها (مقاومة تغير الشكل).

الفرق الأكثر أهمية بين هذين النوعين من الموجات هو أن موجة القص لها خاصية الاستقطاب(تحدث التذبذبات في مستوى معين) ، لكن التذبذبات الطولية لا تحدث. في بعض الظواهر ، مثل انعكاس الصوت ونقله عبر البلورات ، يعتمد الكثير على اتجاه إزاحة الجسيم ، تمامًا كما في حالة موجات الضوء.

سرعة الموجات الصوتية.

سرعة الصوت هي سمة من سمات الوسط الذي تنتشر فيه الموجة. يتحدد بعاملين: مرونة وكثافة المادة. تعتمد الخصائص المرنة للمواد الصلبة على نوع التشوه. لذلك ، فإن الخصائص المرنة للقضيب المعدني ليست هي نفسها أثناء الالتواء والضغط والانحناء. وتنتشر التذبذبات الموجية المقابلة بسرعات مختلفة.

الوسط المرن هو الوسيط الذي يكون فيه التشوه ، سواء كان الالتواء أو الانضغاط أو الانحناء ، متناسبًا مع القوة المسببة للتشوه. تخضع هذه المواد لقانون هوك:

الجهد = جґ تشوه نسبي ،

أين معهو معامل المرونة ، اعتمادًا على المادة ونوع التشوه.

سرعة الصوت الخامسلنوع معين من التشوه المرن يعطي التعبير

أين صهي كثافة المادة (الكتلة لكل وحدة حجم).

سرعة الصوت في قضيب صلب.

يمكن شد قضيب طويل أو ضغطه بالقوة المطبقة حتى النهاية. دع طول القضيب يكون إلقوة الشد المطبقة Fوالزيادة في الطول د إل. القيمة د إل/إلسوف نسمي التشوه النسبي ، وسوف تسمى القوة لكل وحدة مساحة للمقطع العرضي للقضيب الإجهاد. لذا فإن الجهد F/أ، أين أ -المنطقة المقطعية للقضيب. كما هو مطبق على مثل هذا القضيب ، فإن قانون هوك له الشكل

أين صهو معامل يونغ ، أي معامل مرونة القضيب للتوتر أو الانضغاط ، والذي يميز مادة القضيب. معامل يونغ منخفض للمواد سهلة الشد مثل المطاط ومرتفع للمواد الصلبة مثل الفولاذ.

إذا قمنا الآن بإثارة موجة ضغط بضرب نهاية القضيب بمطرقة ، فسوف تنتشر بسرعة ، حيث ص، كما في السابق ، هي كثافة المادة التي يصنع منها القضيب. يتم إعطاء قيم سرعات الموجة لبعض المواد النموذجية في الجدول. 1.

الجدول 1. سرعة الصوت لأنواع مختلفة من الموجات في المواد الصلبة
مادة	الموجات الطولية في العينات الصلبة الممتدة (م / ث)	موجات القص والالتواء (م / ث)	موجات الضغط في قضبان (م / ث)
الألومنيوم
نحاس
يقود
حديد
فضة
ستانلس ستيل
زجاج الصوان
زجاج التاج
شبكي
بولي ايثيلين
البوليسترين

الموجة المدروسة في القضيب هي موجة ضغط. ولكن لا يمكن اعتبارها طولية تمامًا ، حيث أن حركة السطح الجانبي للقضيب مرتبطة بالضغط (الشكل 3 ، أ).

يمكن أيضًا استخدام نوعين آخرين من الموجات في القضيب - موجة منحنية (الشكل 3 ، ب) وموجة الالتواء (الشكل 3 ، الخامس). تشوهات الانحناء تتوافق مع موجة ليست طولية بحتة ولا عرضية بحتة. تشوهات الالتواء ، أي الدوران حول محور القضيب ، يعطي موجة عرضية بحتة.

تعتمد سرعة موجة الانحناء في قضيب على الطول الموجي. تسمى هذه الموجة "المشتتة".

موجات الالتواء في القضيب عرضية بحتة وغير مشتتة. يتم تحديد سرعتها من خلال الصيغة

أين مهو معامل القص الذي يميز الخصائص المرنة للمادة فيما يتعلق بالقص. ترد بعض سرعات موجات القص النموذجية في الجدول 1. 1.

السرعة في الوسائط الصلبة الممتدة.

في الوسائط الصلبة ذات الحجم الكبير ، حيث يمكن إهمال تأثير الحدود ، يكون هناك نوعان من الموجات المرنة: طولية وعرضية.

التشوه في الموجة الطولية هو تشوه مستوي ، أي ضغط أحادي البعد (أو خلخلة) في اتجاه انتشار الموجة. التشوه المقابل للموجة المستعرضة هو إزاحة القص عموديًا على اتجاه انتشار الموجة.

يتم الحصول على سرعة الموجات الطولية في المواد الصلبة من خلال التعبير

أين C-L-معامل المرونة لتشوه المستوى البسيط. يتعلق بمعامل الحجم في(والذي تم تعريفه أدناه) ومعامل القص m للمادة كـ سي ل = ب + 4/3م.في الجدول. يوضح الشكل 1 قيم سرعات الموجات الطولية للمواد الصلبة المختلفة.

سرعة موجات القص في الوسائط الصلبة الممتدة هي نفس سرعة موجات الالتواء في قضيب من نفس المادة. لذلك ، يتم إعطاؤه بالتعبير. وترد قيمها للمواد الصلبة التقليدية في الجدول. 1.

السرعة في الغازات.

في الغازات ، هناك نوع واحد فقط من التشوه ممكن: الضغط - الخلخلة. معامل المرونة المقابل فييسمى معامل الحجم. يتم تحديده من خلال النسبة

-د ص = ب(د الخامس/الخامس).

هنا د ص- تغيير الضغط ، د الخامس/الخامسهو التغيير النسبي في الحجم. تشير علامة الطرح إلى أنه كلما زاد الضغط ، قل الحجم.

قيمة فييعتمد على ما إذا كانت درجة حرارة الغاز تتغير أثناء الضغط أم لا. في حالة الموجة الصوتية ، يمكن إثبات أن الضغط يتغير بسرعة كبيرة وأن الحرارة المنبعثة أثناء الضغط ليس لديها وقت لمغادرة النظام. وبالتالي ، فإن التغيير في الضغط في الموجة الصوتية يحدث دون تبادل حراري مع الجسيمات المحيطة. مثل هذا التغيير يسمى ثابت الحرارة. لقد ثبت أن سرعة الصوت في الغاز تعتمد فقط على درجة الحرارة. عند درجة حرارة معينة ، تكون سرعة الصوت متساوية تقريبًا لجميع الغازات. عند درجة حرارة 21.1 درجة مئوية ، تبلغ سرعة الصوت في الهواء الجاف 344.4 م / ث وتزداد مع زيادة درجة الحرارة.

السرعة في السوائل.

الموجات الصوتية في السوائل هي موجات انضغاطية - خلخلة كما في الغازات. السرعة تعطى بنفس الصيغة. ومع ذلك ، فإن السائل أقل انضغاطًا من الغاز ، وبالتالي الكمية في، والكثافة ص. سرعة الصوت في السوائل أقرب إلى سرعة المواد الصلبة منها في الغازات. إنه أصغر بكثير مما هو عليه في الغازات ويعتمد على درجة الحرارة. على سبيل المثال ، تبلغ السرعة في المياه العذبة 1460 م / ث عند 15.6 درجة مئوية. في مياه البحر ذات الملوحة العادية ، تبلغ 1504 م / ث عند نفس درجة الحرارة. تزداد سرعة الصوت مع زيادة درجة حرارة الماء وتركيز الملح.

الموجات الموقوفه.

عندما يتم إثارة موجة توافقية في مكان ضيق بحيث ترتد عن الحدود ، يحدث ما يسمى بالموجات الواقفة. الموجة الواقفة هي نتيجة تراكب موجتين تتحرك إحداهما في الاتجاه الأمامي والأخرى في الاتجاه المعاكس. هناك نمط من التذبذبات التي لا تتحرك في الفضاء ، مع تبديل العقد والعقد. عند العقد العكسية ، تكون انحرافات الجسيمات المتذبذبة عن مواضع توازنها بحد أقصى ، وعند العقد تكون مساوية للصفر.

موجات واقفة في خيط.

في الخيط الممدود ، تنشأ موجات عرضية ، ويتم إزاحة الخيط بالنسبة إلى موضعه الأصلي المستقيم. عند تصوير الموجات في سلسلة ، تكون العقد والعقدات العكسية للنغمة الأساسية والنغمات مرئية بوضوح.

تسهل صورة الموجات الواقفة إلى حد كبير تحليل الحركات التذبذبية لسلسلة بطول معين. يجب أن يكون هناك سلسلة من الطول إلتعلق في النهايات. يمكن تمثيل أي نوع من اهتزاز مثل هذا الخيط على أنه مزيج من الموجات الواقفة. نظرًا لأن نهايات السلسلة ثابتة ، فمن الممكن فقط مثل هذه الموجات الواقفة التي تحتوي على عقد عند النقاط الحدودية. يتوافق أقل تردد اهتزاز لسلسلة مع أقصى طول موجي ممكن. منذ المسافة بين العقد ل/ 2 ، يكون التردد ضئيلًا عندما يكون طول السلسلة مساويًا لنصف الطول الموجي ، أي في ل= 2إل. هذا هو ما يسمى بالوضع الأساسي لاهتزاز الأوتار. يُعطى التردد المقابل ، المسمى التردد الأساسي أو النغمة الأساسية ، بواسطة F = الخامس/2إل، أين الخامسهي سرعة انتشار الموجة على طول السلسلة.

هناك سلسلة كاملة من التذبذبات ذات التردد العالي التي تتوافق مع الموجات الواقفة مع المزيد من العقد. يتم إعطاء التردد الأعلى التالي ، والذي يسمى التوافقي الثاني أو النغمة الأولى ، بواسطة

F = الخامس/إل.

يتم التعبير عن تسلسل التوافقيات بواسطة الصيغة و = نيفادا/2إل، أين ن = 1, 2, 3, إلخ. هذا هو ما يسمى ب. الترددات الذاتية لاهتزازات الأوتار. إنها تزداد بما يتناسب مع الأعداد الطبيعية: التوافقيات الأعلى في 2 ، 3 ، 4 ... إلخ. مرات التردد الأساسي. تسمى هذه السلسلة من الأصوات بالمقياس الطبيعي أو التوافقي.

كل هذا له أهمية كبيرة في الصوتيات الموسيقية ، والتي سيتم مناقشتها بمزيد من التفصيل أدناه. في الوقت الحالي ، نلاحظ أن الصوت الناتج عن سلسلة يحتوي على جميع الترددات الطبيعية. تعتمد المساهمة النسبية لكل منهم على النقطة التي تثير فيها اهتزازات الوتر. على سبيل المثال ، إذا تم انتزاع سلسلة في المنتصف ، فسيكون التردد الأساسي أكثر إثارة ، لأن هذه النقطة تتوافق مع العقدة العكسية. سيكون التوافقي الثاني غائبًا ، حيث تقع عقدة في المركز. يمكن قول الشيء نفسه عن التوافقيات الأخرى ( انظر أدناهالصوتيات الموسيقية).

سرعة الموجات في الخيط

أين تي -التوتر الخيطي و rL -الكتلة لكل وحدة طول السلسلة. لذلك ، يتم إعطاء طيف التردد الطبيعي للسلسلة بواسطة

وبالتالي ، تؤدي زيادة توتر الأوتار إلى زيادة ترددات الاهتزاز. لخفض وتيرة التذبذبات عند معين تييمكنك ، بأخذ خيط أثقل (كبير ص ل) أو زيادة طوله.

الموجات الواقفة في أنابيب الأرغن.

يمكن أيضًا تطبيق النظرية المذكورة فيما يتعلق بالسلسلة على اهتزازات الهواء في أنبوب من نوع العضو. يمكن النظر إلى أنبوب الأرغن بشكل مبسط على أنه أنبوب مستقيم يتم فيه إثارة الموجات الواقفة. يمكن أن يكون للأنبوب نهايات مغلقة ومفتوحة. تحدث عقدة عكسية لموجة واقفة عند الطرف المفتوح ، وتحدث عقدة في النهاية المغلقة. لذلك ، فإن الأنبوب ذو النهايتين المفتوحة له تردد أساسي يتناسب عنده نصف الطول الموجي على طول الأنبوب. من ناحية أخرى ، يكون للأنبوب ، الذي يكون أحد طرفيه مفتوحًا والآخر مغلقًا ، ترددًا أساسيًا يتناسب عنده ربع الطول الموجي مع طول الأنبوب. وبالتالي ، فإن التردد الأساسي للأنبوب المفتوح عند كلا الطرفين هو F =الخامس/2إلولأنبوب مفتوح من أحد طرفيه ، و = ت/4إل(أين إلهو طول الأنبوب). في الحالة الأولى ، تكون النتيجة مماثلة للسلسلة: الدرجات اللونية مزدوجة وثلاثية وهكذا. قيمة التردد الأساسي. ومع ذلك ، بالنسبة للأنبوب المفتوح في أحد طرفيه ، ستكون النغمات الإيحائية أكبر من التردد الأساسي بمقدار 3 ، 5 ، 7 ، إلخ. مرة واحدة.

على التين. يوضح الشكلان 4 و 5 بشكل تخطيطي الموجات الدائمة للتردد الأساسي والنغمة الأولى للأنابيب من النوعين المدروسين. لدواعي الملاءمة ، تظهر الإزاحات هنا على أنها عرضية ، لكنها في الحقيقة طولية.

التذبذبات الرنانة.

ترتبط الموجات الدائمة ارتباطًا وثيقًا بظاهرة الرنين. الترددات الطبيعية التي تمت مناقشتها أعلاه هي أيضًا الترددات الرنانة لسلسلة أو أنبوب عضو. افترض أن مكبر الصوت موضوع بالقرب من الطرف المفتوح لأنبوب الجهاز ، ويصدر إشارة بتردد واحد محدد ، يمكن تغييره حسب الرغبة. بعد ذلك ، إذا تزامن تردد إشارة مكبر الصوت مع التردد الرئيسي للأنبوب أو مع أحد نغماته ، فإن الأنبوب سيصدر صوتًا مرتفعًا جدًا. وذلك لأن مكبر الصوت يثير اهتزازات عمود الهواء بسعة كبيرة. ويقال أن البوق يتردد في ظل هذه الظروف.

تحليل فورييه وطيف التردد للصوت.

في الممارسة العملية ، الموجات الصوتية ذات التردد الواحد نادرة. لكن الموجات الصوتية المعقدة يمكن أن تتحلل إلى مدروجات. يُطلق على هذه الطريقة اسم تحليل فورييه نسبة إلى عالم الرياضيات الفرنسي جيه فورييه (1768-1830) ، الذي كان أول من طبقها (في نظرية الحرارة).

يسمى الرسم البياني للطاقة النسبية للاهتزازات الصوتية مقابل التردد طيف تردد الصوت. هناك نوعان رئيسيان من هذه الأطياف: منفصل ومستمر. يتكون الطيف المنفصل من خطوط منفصلة للترددات مفصولة بمساحات فارغة. جميع الترددات موجودة في الطيف المستمر داخل نطاقها.

الاهتزازات الصوتية الدورية.

تكون الاهتزازات الصوتية دورية إذا تكررت العملية التذبذبية ، بغض النظر عن مدى تعقيدها ، بعد فترة زمنية معينة. يكون طيفه دائمًا منفصلاً ويتكون من التوافقيات بتردد معين. ومن هنا جاء مصطلح "التحليل التوافقي". مثال على ذلك هو التذبذبات المستطيلة (الشكل 6 ، أ) مع تغيير في السعة من + أقبل - أوفترة تي = 1/F. مثال بسيط آخر هو تذبذب سن المنشار المثلث الموضح في الشكل. 6 ، ب. يظهر مثال على التذبذبات الدورية ذات الشكل الأكثر تعقيدًا مع المكونات التوافقية المقابلة في الشكل. 7.

الأصوات الموسيقية هي اهتزازات دورية وبالتالي تحتوي على التوافقيات (الإيحاءات). لقد رأينا بالفعل أنه في سلسلة ، جنبًا إلى جنب مع اهتزازات التردد الأساسي ، تكون التوافقيات الأخرى متحمسة بدرجة أو بأخرى. تعتمد المساهمة النسبية لكل نغمة فوقية على الطريقة التي يتم بها إثارة السلسلة. يتم تحديد مجموعة النغمات إلى حد كبير بواسطة طابع الصوتصوت موسيقي. تتم مناقشة هذه القضايا بمزيد من التفصيل أدناه في القسم الخاص بالصوتيات الموسيقية.

طيف النبضات الصوتية.

تنوع الصوت المعتاد هو صوت قصير المدة: التصفيق بالأيدي ، والطرق على الباب ، وصوت سقوط جسم على الأرض ، ووقواق الوقواق. هذه الأصوات ليست دورية ولا موسيقية. ولكن يمكن أيضًا أن تتحلل إلى طيف ترددي. في هذه الحالة ، سيكون الطيف مستمرًا: لوصف الصوت ، هناك حاجة إلى جميع الترددات داخل نطاق معين ، والذي يمكن أن يكون عريضًا جدًا. معرفة مثل هذا الطيف الترددي ضروري لإعادة إنتاج مثل هذه الأصوات دون تشويه ، لأن النظام الإلكتروني المقابل يجب أن "يمر" كل هذه الترددات على قدم المساواة.

يمكن توضيح السمات الرئيسية للنبض الصوتي من خلال التفكير في نبضة ذات شكل بسيط. لنفترض أن الصوت هو تذبذب لمدة د ر، حيث يكون التغيير في الضغط كما هو موضح في الشكل. 8 ، أ. يظهر الطيف الترددي التقريبي لهذه الحالة في الشكل. 8 ، ب. يتوافق التردد المركزي مع الاهتزازات التي سنحصل عليها إذا تم تمديد نفس الإشارة إلى أجل غير مسمى.

طول الطيف الترددي يسمى عرض النطاق D F(الشكل 8 ، ب). النطاق الترددي هو النطاق التقريبي للترددات اللازمة لإعادة إنتاج النبض الأصلي دون تشويه مفرط. هناك علاقة أساسية بسيطة للغاية بين د Fو د ر، يسمى

د Fد ر"1.

هذه العلاقة صالحة لجميع النبضات الصوتية. معناه أنه كلما كان النبض أقصر ، زاد عدد الترددات التي يحتويها. لنفترض أنه يتم استخدام السونار للكشف عن غواصة تنبعث منها الموجات فوق الصوتية على شكل نبضة لمدة 0.0005 ثانية وتردد إشارة يبلغ 30 كيلو هرتز. عرض النطاق الترددي هو 1 / 0.0005 = 2 كيلو هرتز ، والترددات الموجودة بالفعل في طيف نبضة محدد الموقع تقع في النطاق من 29 إلى 31 كيلو هرتز.

ضوضاء.

تشير الضوضاء إلى أي صوت يصدر عن مصادر متعددة غير منسقة. ومن الأمثلة على ذلك صوت أوراق الشجر التي تتمايل بفعل الرياح. تحدث ضوضاء المحرك النفاث بسبب اضطراب تيار العادم عالي السرعة. تعتبر الضوضاء كصوت مزعج في الفن. التلوث السمعي للبيئة.

شدة الصوت.

قد يختلف حجم الصوت. من السهل ملاحظة أن هذا يرجع إلى الطاقة التي تحملها الموجة الصوتية. من أجل المقارنات الكمية لجهارة الصوت ، من الضروري إدخال مفهوم شدة الصوت. تُعرَّف شدة الموجة الصوتية بأنها متوسط ​​تدفق الطاقة عبر مساحة وحدة مقدمة الموجة لكل وحدة زمنية. بمعنى آخر ، إذا أخذنا منطقة واحدة (على سبيل المثال ، 1 سم 2) ، والتي من شأنها امتصاص الصوت تمامًا ، ووضعها بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة ، فإن شدة الصوت تساوي الطاقة الصوتية الممتصة في ثانية واحدة . يتم التعبير عن الكثافة عادةً بـ W / cm2 (أو W / m2).

نعطي قيمة هذه القيمة لبعض الأصوات المألوفة. تبلغ سعة الضغط الزائد الذي يحدث أثناء محادثة عادية واحدًا على مليون من الضغط الجوي ، وهو ما يتوافق مع شدة الصوت الصوتية التي تتراوح بين 10-9 وات / سم 2. الطاقة الإجمالية للصوت المنبعث أثناء محادثة عادية هي في حدود 0.00001 وات فقط. تشهد قدرة الأذن البشرية على إدراك مثل هذه الطاقات الصغيرة على حساسيتها المذهلة.

نطاق شدة الصوت التي تدركها الأذن واسع جدًا. شدة أعلى صوت يمكن أن تتحمله الأذن هي حوالي 1014 ضعف الحد الأدنى الذي يمكن أن تسمعه. تغطي الطاقة الكاملة لمصادر الصوت نطاقًا واسعًا بشكل متساوٍ. وبالتالي ، يمكن أن تكون الطاقة المنبعثة أثناء الهمس الهادئ جدًا في حدود 10-9 وات ، بينما تصل الطاقة المنبعثة من المحرك النفاث إلى 10-5 وات. مرة أخرى ، تختلف الشدة بمعامل 10 14.

ديسيبل.

نظرًا لأن الأصوات تتفاوت كثيرًا في شدتها ، فمن الأنسب اعتبارها قيمة لوغاريتمية وقياسها بالديسيبل. القيمة اللوغاريتمية للكثافة هي لوغاريتم نسبة القيمة المعتبرة للكمية إلى قيمتها ، باعتبارها الأصل. مستوى الشدة يفيما يتعلق ببعض الكثافة المختارة بشروط ي 0 هو

مستوى شدة الصوت = 10 lg ( ي/ي 0) ديسيبل.

وبالتالي ، فإن الصوت الذي تزيد شدته بمقدار 20 ديسيبل عن الآخر يكون أكثر شدة بمئة مرة.

في ممارسة القياسات الصوتية ، من المعتاد التعبير عن شدة الصوت من حيث سعة الضغط الزائد المقابلة ص ه. عندما يتم قياس الضغط بالديسيبل بالنسبة لبعض الضغط المختار تقليديًا ص 0 ، احصل على مستوى ضغط الصوت المزعوم. لأن شدة الصوت تتناسب مع المقدار ص ه 2 و lg ( ص ه 2) = 2lg ص ه، يتم تحديد مستوى ضغط الصوت على النحو التالي:

مستوى ضغط الصوت = 20 lg ( ص ه/ص 0) ديسيبل.

الضغط الاسمي ص 0 = 2 × 10-5 باسكال يتوافق مع حد السمع القياسي للصوت بتردد 1 كيلو هرتز. في الجدول. يوضح الشكل 2 مستويات ضغط الصوت لبعض مصادر الصوت الشائعة. هذه قيم متكاملة تم الحصول عليها عن طريق حساب المتوسط ​​على مدى التردد المسموع بأكمله.

الجدول 2. مستويات ضغط الصوت النموذجية
مصدر الصوت	مستوى ضغط الصوت ، ديسيبل (rel. 2H 10-5 باسكال)
محل ختم
غرفة المحرك على متن الطائرة
محل غزل ونسيج
في سيارة مترو الانفاق
في السيارة أثناء القيادة في حركة المرور
مكتب الآلة الكاتبة
محاسبة
مكتب
أماكن المعيشة
منطقة سكنية ليلا
استوديو البث

مقدار.

لا يرتبط مستوى ضغط الصوت بعلاقة بسيطة مع الإدراك النفسي لجهارة الصوت. أول هذه العوامل موضوعي ، والثاني غير موضوعي. تظهر التجارب أن إدراك الجهارة لا يعتمد فقط على شدة الصوت ، ولكن أيضًا على تردده وظروفه التجريبية.

لا يمكن مقارنة أحجام الأصوات غير المقيدة بشروط المقارنة. ومع ذلك ، فإن المقارنة بين النغمات النقية مهمة. للقيام بذلك ، حدد مستوى ضغط الصوت الذي عنده يُنظر إلى نغمة معينة على أنها عالية بنفس القدر مثل النغمة القياسية بتردد 1000 هرتز. على التين. يوضح الشكل 9 منحنيات جهارة صوت متساوية تم الحصول عليها في تجارب فليتشر ومانسون. لكل منحنى ، يُشار إلى مستوى ضغط الصوت المقابل لنغمة قياسية تبلغ 1000 هرتز. على سبيل المثال ، عند تردد نغمة 200 هرتز ، يجب أن يكون مستوى الصوت 60 ديسيبل يُنظر إليه على أنه يساوي نغمة 1000 هرتز بمستوى ضغط صوت يبلغ 50 ديسيبل.

تُستخدم هذه المنحنيات لتحديد صوت الطنين ، وهو وحدة لجهارة الصوت تُقاس أيضًا بالديسيبل. الخلفية هي مستوى الصوت الذي يكون فيه مستوى ضغط الصوت لنغمة نقية قياسية عالية الصوت (1000 هرتز) 1 ديسيبل. لذا ، فإن صوتًا بتردد 200 هرتز عند مستوى 60 ديسيبل له مستوى صوت يبلغ 50 فونًا.

المنحنى السفلي في الشكل. 9 هو منحنى عتبة السمع لأذن جيدة. يمتد نطاق الترددات المسموعة من حوالي 20 إلى 20000 هرتز.

انتشار الموجات الصوتية.

تنتشر الموجات الصوتية في جميع الاتجاهات مثل موجات الحصاة التي ألقيت في المياه الساكنة. من الملائم وصف عملية الانتشار هذه بأنها جبهة موجة. جبهة الموجة هي سطح في الفضاء ، تحدث التذبذبات عند جميع النقاط في نفس المرحلة. تمثل الجبهات الموجية من حصاة سقطت في الماء دوائر.

موجات مسطحة.

تكون مقدمة الموجة في أبسط صورة مسطحة. تنتشر الموجة المستوية في اتجاه واحد فقط وهي مثالية لا تتحقق إلا تقريبًا في الممارسة العملية. يمكن اعتبار الموجة الصوتية في الأنبوب مسطحة تقريبًا ، تمامًا مثل الموجة الكروية على مسافة كبيرة من المصدر.

موجات كروية.

تشمل الأنواع البسيطة من الموجات موجة ذات مقدمة كروية تنبثق من نقطة وتنتشر في جميع الاتجاهات. يمكن إثارة مثل هذه الموجة باستخدام كرة نابضة صغيرة. يُطلق على المصدر الذي يثير موجة كروية مصدر النقطة. تتناقص شدة هذه الموجة مع انتشارها ، حيث يتم توزيع الطاقة على كرة ذات نصف قطر أكبر من أي وقت مضى.

إذا كان مصدر نقطة ينتج موجة كروية يشع بقوة 4 ص، إذن ، منذ مساحة سطح الكرة بنصف قطر صيساوي 4 ص ص 2 ، شدة الصوت في موجة كروية تساوي

ي = س/ص 2 ,

أين صهي المسافة من المصدر. وبالتالي ، فإن شدة الموجة الكروية تتناقص عكسيًا مع مربع المسافة من المصدر.

تقل شدة أي موجة صوتية أثناء انتشارها بسبب امتصاص الصوت. سيتم مناقشة هذه الظاهرة أدناه.

مبدأ Huygens.

مبدأ Huygens صالح لانتشار جبهة الموجة. لتوضيح ذلك ، دعونا نفكر في شكل مقدمة الموجة التي نعرفها في وقت ما. يمكن العثور عليها حتى بعد فترة د ر، إذا تم اعتبار كل نقطة من مقدمة الموجة الأولية كمصدر لموجة كروية أولية تنتشر عبر هذه الفترة إلى مسافة الخامسد ر. سيكون غلاف كل جبهات الموجات الكروية الأولية هو مقدمة الموجة الجديدة. يتيح مبدأ Huygens تحديد شكل واجهة الموجة خلال عملية الانتشار. كما يعني أيضًا أن الموجات ، سواء المستوية أو الكروية ، تحتفظ بهندستها أثناء الانتشار ، بشرط أن يكون الوسط متجانسًا.

حيود الصوت.

الانعراج هو الموجة التي تنحني حول أحد العوائق. يتم تحليل الانعراج باستخدام مبدأ Huygens. تعتمد درجة هذا الانحناء على العلاقة بين الطول الموجي وحجم العائق أو الثقب. نظرًا لأن الطول الموجي للموجة الصوتية أطول بعدة مرات من طول الضوء ، فإن حيود الموجات الصوتية يفاجئنا بدرجة أقل من انحراف الضوء. لذلك ، يمكنك التحدث إلى شخص يقف بالقرب من زاوية المبنى ، على الرغم من أنه غير مرئي. تنحني الموجة الصوتية بسهولة حول الزاوية ، بينما يخلق الضوء ، نظرًا لصغر طوله الموجي ، ظلالًا حادة.

ضع في اعتبارك حيود حادث موجة صوتية مستوية على شاشة مسطحة صلبة بها ثقب. لتحديد شكل واجهة الموجة على الجانب الآخر من الشاشة ، تحتاج إلى معرفة العلاقة بين الطول الموجي لوقطر الثقب د. إذا كانت هذه القيم هي نفسها تقريبًا أو لأكثر بكثير د، ثم يتم الحصول على الانعراج الكامل: ستكون جبهة الموجة الخارجة كروية ، وستصل الموجة إلى جميع النقاط خلف الشاشة. لو لإلى حد ما أقل د، فإن الموجة الخارجة ستنتشر في الغالب في الاتجاه الأمامي. وأخيرًا ، إذا لاقل بكثير د، ثم تنتشر كل طاقتها في خط مستقيم. هذه الحالات موضحة في الشكل. 10.

يتم ملاحظة الانعراج أيضًا عند وجود عائق في مسار الصوت. إذا كانت أبعاد العائق أكبر بكثير من الطول الموجي ، فإن الصوت ينعكس ، وتتشكل منطقة الظل الصوتي خلف العائق. عندما يكون حجم العائق مشابهًا لطول الموجة أو أقل منه ، ينحرف الصوت إلى حد ما في جميع الاتجاهات. يؤخذ هذا في الاعتبار في الصوتيات المعمارية. لذلك ، على سبيل المثال ، في بعض الأحيان تكون جدران المبنى مغطاة بنتوءات بأبعاد ترتيب الطول الموجي للصوت. (بتردد 100 هرتز ، يبلغ الطول الموجي في الهواء حوالي 3.5 متر). في هذه الحالة ، يتناثر الصوت المتساقط على الجدران في جميع الاتجاهات. في علم الصوتيات المعمارية ، تسمى هذه الظاهرة انتشار الصوت.

انعكاس ونقل الصوت.

عندما تحدث موجة صوتية تنتقل في وسيط واحد على واجهة مع وسيط آخر ، يمكن أن تحدث ثلاث عمليات في وقت واحد. يمكن أن تنعكس الموجة من الواجهة ، ويمكن أن تنتقل إلى وسط آخر دون تغيير الاتجاه ، أو يمكنها تغيير الاتجاه في الواجهة ، أي الانكسار. على التين. يوضح الشكل 11 أبسط حالة ، عندما تقع موجة مستوية بزاوية قائمة على سطح مستو يفصل بين مادتين مختلفتين. إذا كان معامل انعكاس الشدة ، الذي يحدد نسبة الطاقة المنعكسة ، يساوي ص، ثم سيكون معامل النقل مساويًا لـ تي = 1 – ص.

بالنسبة للموجة الصوتية ، تسمى نسبة الضغط الزائد إلى السرعة الحجمية الاهتزازية بالمقاومة الصوتية. تعتمد معاملات الانعكاس والإرسال على نسبة الممانعات الموجية للوسيطين ، وتتناسب ممانعات الموجة بدورها مع الممانعات الصوتية. المقاومة الموجية للغازات أقل بكثير من مقاومة السوائل والمواد الصلبة. لذلك إذا اصطدمت موجة في الهواء بجسم صلب سميك أو سطح المياه العميقة ، فإن الصوت ينعكس بالكامل تقريبًا. على سبيل المثال ، بالنسبة لحدود الهواء والماء ، تكون نسبة مقاومة الموجة 0.0003. وفقًا لذلك ، فإن طاقة الصوت التي تمر من الهواء إلى الماء تساوي 0.12٪ فقط من الطاقة الساقطة. معاملات الانعكاس والانتقال قابلة للانعكاس: معامل الانعكاس هو معامل الإرسال في الاتجاه المعاكس. وبالتالي ، لا يخترق الصوت عمليًا سواء من الهواء إلى حوض الماء أو من تحت الماء إلى الخارج ، وهو أمر معروف جيدًا لكل من سبح تحت الماء.

في حالة الانعكاس المذكورة أعلاه ، تم افتراض أن سمك الوسيط الثاني في اتجاه انتشار الموجة كبير. لكن معامل النقل سيكون أكبر بكثير إذا كان الوسيط الثاني عبارة عن جدار يفصل بين وسيطين متطابقين ، مثل حاجز صلب بين الغرف. الحقيقة هي أن سمك الجدار عادة ما يكون أقل من الطول الموجي للصوت أو يمكن مقارنته به. إذا كان سمك الجدار مضاعفًا لنصف الطول الموجي للصوت في الجدار ، فإن معامل انتقال الموجة عند الوقوع العمودي كبير جدًا. سيكون المربك واضحًا تمامًا لصوت هذا التردد لولا الامتصاص الذي نتجاهله هنا. إذا كان سمك الجدار أقل بكثير من الطول الموجي للصوت فيه ، فإن الانعكاس يكون دائمًا صغيرًا ، ويكون الإرسال كبيرًا ، ما لم يتم اتخاذ تدابير خاصة لزيادة امتصاص الصوت.

انكسار الصوت.

عندما تسقط موجة صوتية مستوية بزاوية على السطح البيني ، فإن زاوية انعكاسها تساوي زاوية السقوط. تنحرف الموجة المرسلة عن اتجاه الموجة الساقطة إذا كانت زاوية السقوط مختلفة عن 90 درجة. يسمى هذا التغيير في اتجاه الموجة الانكسار. يظهر الشكل الهندسي للانكسار عند حد مسطح. 12. يشار إلى الزوايا بين اتجاه الأمواج والخط العمودي للسطح ف 1 لموجة الحادث و ف 2 - للماضي المنكسر. تتضمن العلاقة بين هاتين الزاويتين نسبة سرعات الصوت للوسيطتين فقط. كما في حالة موجات الضوء ، ترتبط هذه الزوايا ببعضها البعض بواسطة قانون سنيل (Snell):

وهكذا ، إذا كانت سرعة الصوت في الوسط الثاني أقل من الأولى ، فإن زاوية الانكسار ستكون أقل من زاوية السقوط ؛ إذا كانت السرعة في الوسط الثاني أكبر ، فإن زاوية الانكسار ستكون أكبر من زاوية السقوط.

الانكسار بسبب تدرج درجة الحرارة.

إذا تغيرت سرعة الصوت في وسط غير متجانس بشكل مستمر من نقطة إلى أخرى ، فإن الانكسار يتغير أيضًا. نظرًا لأن سرعة الصوت في كل من الهواء والماء تعتمد على درجة الحرارة ، في وجود تدرج درجة الحرارة ، يمكن للموجات الصوتية تغيير اتجاه حركتها. في الغلاف الجوي والمحيطات ، وبسبب التقسيم الطبقي الأفقي ، يتم عادة ملاحظة التدرجات الرأسية في درجات الحرارة. لذلك ، نظرًا للتغيرات في سرعة الصوت على طول الخط الرأسي ، بسبب تدرجات درجة الحرارة ، يمكن أن تنحرف الموجة الصوتية إما لأعلى أو لأسفل.

دعونا نفكر في الحالة عندما يكون الهواء أكثر دفئًا في مكان ما بالقرب من سطح الأرض عنه في الطبقات العليا. ثم ، مع زيادة الارتفاع ، تنخفض درجة حرارة الهواء هنا ، ومعها تقل سرعة الصوت أيضًا. الصوت المنبعث من مصدر بالقرب من سطح الأرض سيرتفع بسبب الانكسار. هذا هو مبين في الشكل. 13 ، الذي يظهر "الحزم" الصوت.

انحراف أشعة الصوت الموضح في الشكل. 13 بشكل عام موصوفة في قانون سنيل. إذا كان من خلال ف، كما كان من قبل ، يشير إلى الزاوية بين الاتجاه الرأسي واتجاه الإشعاع ، ثم قانون سنيل المعمم له شكل المساواة الخطيئة ف/الخامس= const تشير إلى أي نقطة من الشعاع. وهكذا ، إذا كانت الحزمة تمر في المنطقة التي توجد فيها السرعة الخامسينخفض ​​، ثم الزاوية فيجب أن تنخفض أيضًا. لذلك ، تنحرف حزم الصوت دائمًا في اتجاه تناقص سرعة الصوت.

من التين. 13 يمكن ملاحظة أن هناك منطقة تقع على مسافة ما من المصدر ، حيث لا تخترق الأشعة الصوتية على الإطلاق. هذه هي منطقة الصمت المزعومة.

من الممكن تمامًا أن يكون في مكان ما على ارتفاع أكبر من ذلك الموضح في الشكل. 13 ، بسبب تدرج درجة الحرارة ، تزداد سرعة الصوت مع الارتفاع. في هذه الحالة ، سوف تنحرف الموجة الصوتية المنحرفة في البداية إلى سطح الأرض على مسافة كبيرة. يحدث هذا عندما تتشكل طبقة من انعكاس درجة الحرارة في الغلاف الجوي ، ونتيجة لذلك يصبح من الممكن استقبال إشارات صوتية فائقة المدى. في الوقت نفسه ، تكون جودة الاستقبال في النقاط البعيدة أفضل من جودة الاستقبال القريب. كانت هناك العديد من الأمثلة على الاستقبال بعيد المدى في التاريخ. على سبيل المثال ، خلال الحرب العالمية الأولى ، عندما كانت الظروف الجوية تفضل انكسار الصوت المناسب ، كان من الممكن سماع المدافع على الجبهة الفرنسية في إنجلترا.

انكسار الصوت تحت الماء.

لوحظ أيضًا انكسار الصوت بسبب التغيرات الرأسية في درجة الحرارة في المحيط. إذا انخفضت درجة الحرارة ، وبالتالي سرعة الصوت ، مع العمق ، تنحرف أشعة الصوت إلى أسفل ، مما ينتج عنه منطقة صمت مماثلة لتلك الموضحة في الشكل. 13 للجو. بالنسبة للمحيط ، ستظهر الصورة المقابلة إذا تم قلب هذه الصورة ببساطة.

يجعل وجود مناطق الصمت من الصعب اكتشاف الغواصات باستخدام السونار ، كما أن الانكسار ، الذي ينحرف الموجات الصوتية إلى أسفل ، يحد بشكل كبير من نطاق انتشارها بالقرب من السطح. ومع ذلك ، لوحظ أيضًا انحراف تصاعدي. يمكن أن تخلق ظروفًا أكثر ملاءمة للسونار.

تداخل الموجات الصوتية.

يسمى تراكب موجتين أو أكثر تداخل الموجة.

الموجات الواقفة نتيجة التداخل.

الموجات الواقفة أعلاه هي حالة خاصة من التداخل. تتشكل الموجات الواقفة نتيجة تراكب موجتين لهما نفس السعة ، الطور والتردد ، تنتشر في اتجاهين متعاكسين.

السعة عند العقد العكسية للموجة الواقفة تساوي ضعف سعة كل من الموجات. نظرًا لأن شدة الموجة تتناسب مع مربع اتساعها ، فإن هذا يعني أن شدة الموجة عند العقد العكسية أكبر بأربع مرات من شدة كل من الموجتين ، أو مرتين أكبر من الكثافة الكلية للموجتين. لا يوجد انتهاك لقانون حفظ الطاقة هنا ، حيث أن الكثافة عند العقد تساوي صفرًا.

يدق.

من الممكن أيضًا تداخل الموجات التوافقية ذات الترددات المختلفة. عندما يختلف الترددان قليلاً ، تحدث النبضات المزعومة. النبضات هي تغيرات في سعة الصوت تحدث عند تردد مساوٍ للاختلاف بين الترددات الأصلية. على التين. يوضح الشكل 14 شكل موجة الإيقاع.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن تردد النبض هو تردد تعديل السعة للصوت. أيضا ، لا ينبغي الخلط بين النبضات مع اختلاف التردد الناتج عن تشويه الإشارة التوافقية.

غالبًا ما تُستخدم الإيقاعات عند ضبط نغمتين في انسجام تام. يتم ضبط التردد حتى تصبح النبضات غير مسموعة. حتى لو كان تردد النبض منخفضًا جدًا ، فإن الأذن البشرية قادرة على التقاط الارتفاع الدوري والانخفاض في حجم الصوت. لذلك ، تعد النغمات طريقة ضبط حساسة للغاية في نطاق الصوت. إذا لم يكن الإعداد دقيقًا ، فيمكن تحديد فرق التردد عن طريق الأذن عن طريق حساب عدد النبضات في ثانية واحدة. في الموسيقى ، تُدرك الأذن أيضًا دقات المكونات التوافقية الأعلى ، والتي تُستخدم عند ضبط البيانو.

امتصاص الموجات الصوتية.

تنخفض دائمًا شدة الموجات الصوتية في عملية انتشارها بسبب حقيقة أن جزءًا معينًا من الطاقة الصوتية منتشر. بسبب عمليات نقل الحرارة والتفاعل بين الجزيئات والاحتكاك الداخلي ، يتم امتصاص الموجات الصوتية في أي وسط. تعتمد شدة الامتصاص على تردد الموجة الصوتية وعلى عوامل أخرى مثل الضغط ودرجة حرارة الوسط.

يتميز امتصاص الموجة في الوسط كمياً بمعامل الامتصاص أ. يوضح مدى سرعة انخفاض الضغط الزائد اعتمادًا على المسافة التي تقطعها موجة الانتشار. تقليل سعة الضغط الزائد –D ص هعند اجتياز مسافة د Xيتناسب مع سعة الضغط الزائد الأولي ص هوالمسافة د X. هكذا،

-د ص ه = أ ف هد x.

على سبيل المثال ، عندما نقول أن فقد الامتصاص هو 1 ديسيبل / م ، فهذا يعني أنه على مسافة 50 مترًا ينخفض ​​مستوى ضغط الصوت بمقدار 50 ديسيبل.

الامتصاص بسبب الاحتكاك الداخلي والتوصيل الحراري.

أثناء حركة الجسيمات المرتبطة بانتشار الموجة الصوتية ، يكون الاحتكاك بين الجسيمات المختلفة للوسط أمرًا لا مفر منه. يسمى هذا الاحتكاك في السوائل والغازات باللزوجة. اللزوجة ، التي تحدد التحويل النهائي لطاقة الموجة الصوتية إلى حرارة ، هي السبب الرئيسي لامتصاص الصوت في الغازات والسوائل.

بالإضافة إلى ذلك ، يرجع الامتصاص في الغازات والسوائل إلى فقدان الحرارة أثناء الانضغاط في الموجة. لقد قلنا بالفعل أنه أثناء مرور الموجة ، يسخن الغاز في مرحلة الانضغاط. في هذه العملية سريعة التدفق ، لا يتوفر للحرارة عادةً وقت للانتقال إلى مناطق أخرى من الغاز أو إلى جدران الوعاء. لكن في الواقع ، هذه العملية ليست مثالية ، وجزء من الطاقة الحرارية المنبعثة يترك النظام. يرتبط بهذا امتصاص الصوت بسبب التوصيل الحراري. يحدث هذا الامتصاص في موجات الانضغاط في الغازات والسوائل والمواد الصلبة.

يزيد امتصاص الصوت ، بسبب كل من اللزوجة والتوصيل الحراري ، بشكل عام مع مربع التردد. وبالتالي ، يتم امتصاص الأصوات عالية التردد بقوة أكبر بكثير من الأصوات ذات التردد المنخفض. على سبيل المثال ، عند الضغط العادي ودرجة الحرارة ، يكون معامل الامتصاص (بسبب كلا الآليتين) عند تردد 5 كيلو هرتز في الهواء حوالي 3 ديسيبل / كم. نظرًا لأن الامتصاص يتناسب مع مربع التردد ، فإن معامل الامتصاص عند 50 كيلو هرتز هو 300 ديسيبل / كم.

الامتصاص في المواد الصلبة.

يتم أيضًا حفظ آلية امتصاص الصوت بسبب التوصيل الحراري واللزوجة ، والتي تحدث في الغازات والسوائل ، في المواد الصلبة. ومع ذلك ، يتم هنا إضافة آليات امتصاص جديدة إليه. ترتبط بعيوب في بنية المواد الصلبة. النقطة المهمة هي أن المواد الصلبة متعددة البلورات تتكون من بلورات صغيرة ؛ عندما يمر الصوت من خلالها تحدث تشوهات تؤدي إلى امتصاص الطاقة الصوتية. ينتشر الصوت أيضًا عند حدود البلورات. بالإضافة إلى ذلك ، حتى البلورات المفردة تحتوي على عيوب من نوع الخلع تساهم في امتصاص الصوت. الاضطرابات هي انتهاكات للتنسيق بين الطائرات الذرية. عندما تتسبب الموجة الصوتية في اهتزاز الذرات ، تتحرك الاضطرابات ثم تعود إلى موقعها الأصلي ، وتبدد الطاقة بسبب الاحتكاك الداخلي.

يفسر الامتصاص الناتج عن الاضطرابات ، على وجه الخصوص ، سبب عدم رنين جرس الرصاص. الرصاص معدن ناعم به الكثير من الاضطرابات ، وبالتالي فإن الاهتزازات الصوتية فيه تتحلل بسرعة كبيرة. لكنها ستصدر رنينًا جيدًا إذا تم تبريدها بالهواء السائل. في درجات الحرارة المنخفضة ، يتم "تجميد" الاضطرابات في موضع ثابت ، وبالتالي لا تتحرك ولا تحول الطاقة الصوتية إلى حرارة.

الصوتيات الموسيقية

أصوات موسيقية.

تدرس الصوتيات الموسيقية سمات الأصوات الموسيقية وخصائصها المتعلقة بكيفية إدراكنا لها وآليات صوت الآلات الموسيقية.

الصوت أو النغمة الموسيقية صوت دوري ، أي. تقلبات تتكرر مرات ومرات بعد فترة معينة. قيل أعلاه أنه يمكن تمثيل الصوت الدوري كمجموع التذبذبات مع الترددات التي تعد مضاعفات التردد الأساسي F: 2F, 3F, 4Fإلخ. كما لوحظ أن الأوتار المهتزة وأعمدة الهواء تصدر أصواتًا موسيقية.

تتميز الأصوات الموسيقية بثلاث خصائص: الجهارة والنبرة والجرس. كل هذه المؤشرات ذاتية ، ولكن يمكن ربطها بالقيم المقاسة. يرتبط الجهارة بشكل أساسي بكثافة الصوت ؛ يتم تحديد درجة الصوت ، التي تميز موقعها في النظام الموسيقي ، من خلال تردد النغمة ؛ يتميز الجرس ، الذي تختلف به أداة أو صوت عن الآخر ، بتوزيع الطاقة على التوافقيات والتغيير في هذا التوزيع بمرور الوقت.

نبرة الصوت.

ترتبط درجة الصوت الموسيقي ارتباطًا وثيقًا بالتردد ، ولكنها ليست متطابقة معه ، نظرًا لأن تقييم درجة الصوت أمر شخصي.

لذلك ، على سبيل المثال ، وجد أن تقدير درجة الصوت أحادي التردد يعتمد إلى حد ما على مستوى جهارة الصوت. مع زيادة كبيرة في الحجم ، لنقل 40 ديسيبل ، يمكن أن ينخفض ​​التردد الظاهري بنسبة 10 ٪. في الممارسة العملية ، لا يهم هذا الاعتماد على جهارة الصوت ، لأن الأصوات الموسيقية أكثر تعقيدًا من الصوت أحادي التردد.

فيما يتعلق بمسألة العلاقة بين درجة الصوت والتردد ، هناك شيء آخر أكثر أهمية: إذا كانت الأصوات الموسيقية مكونة من التوافقيات ، فما التردد الذي ترتبط به طبقة الصوت المتصورة؟ اتضح أن هذا قد لا يكون التردد الذي يتوافق مع الطاقة القصوى ، وليس أقل تردد في الطيف. لذلك ، على سبيل المثال ، يُنظر إلى الصوت الموسيقي المكون من مجموعة من الترددات 200 و 300 و 400 و 500 هرتز على أنه صوت بارتفاع 100 هرتز. أي أن درجة الصوت مرتبطة بالتردد الأساسي للسلسلة التوافقية ، حتى لو لم تكن في طيف الصوت. صحيح ، غالبًا ما يكون التردد الأساسي موجودًا إلى حد ما في الطيف.

عند الحديث عن العلاقة بين الملعب وتردده ، لا ينبغي لأحد أن ينسى خصائص جهاز السمع البشري. هذا جهاز استقبال صوتي خاص يقدم تشوهات خاصة به (ناهيك عن حقيقة أن هناك جوانب نفسية وذاتية للسمع). الأذن قادرة على تحديد بعض الترددات ، بالإضافة إلى أن الموجة الصوتية تتعرض لتشوهات غير خطية فيها. تعود انتقائية التردد إلى الاختلاف بين جهارة الصوت وشدته (الشكل 9). من الصعب شرح التشوهات غير الخطية ، والتي يتم التعبير عنها في ظهور ترددات غائبة في الإشارة الأصلية. يرجع عدم خطية تفاعل الأذن إلى عدم تناسق حركة عناصرها المختلفة.

تتمثل إحدى السمات المميزة لنظام الاستقبال غير الخطي في أنه عندما يكون متحمسًا بصوت ذي تردد F 1 النغمات التوافقية متحمسة فيه 2 F 1 , 3F 1 ، ... ، وفي بعض الحالات أيضًا أنواع فرعية من النوع 1/2 F 1. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يكون النظام غير الخطي متحمسًا بترددين F 1 و F 2 ، متحمسون الترددات المجموع والفرق فيه F 1 + F 2 و F 1 - F 2. كلما زاد اتساع التذبذبات الأولية ، زادت مساهمة الترددات "الإضافية".

وبالتالي ، نظرًا لعدم خطية الخصائص الصوتية للأذن ، قد تظهر الترددات الغائبة في الصوت. تسمى هذه الترددات نغمات ذاتية. لنفترض أن الصوت يتكون من نغمات نقية بترددات 200 و 250 هرتز. نظرًا لعدم خطية الاستجابة ، ستظهر ترددات إضافية 250 - 200 = 50 ، 250 + 200 = 450 ، 2 '200 = 400 ، 2' 250 = 500 هرتز ، إلخ. يبدو للمستمع أن هناك مجموعة كاملة من الترددات المركبة في الصوت ، لكن مظهرها يرجع في الواقع إلى الاستجابة غير الخطية للأذن. عندما يتكون الصوت الموسيقي من تردد أساسي وتوافقياته ، فمن الواضح أن التردد الأساسي يتم تضخيمه بشكل فعال بواسطة ترددات الاختلاف.

صحيح أن الدراسات أظهرت أن الترددات الذاتية تنشأ فقط عند اتساع كبير بما يكفي للإشارة الأصلية. لذلك ، من الممكن في الماضي أن دور الترددات الذاتية في الموسيقى كان مبالغًا فيه إلى حد كبير.

المعايير الموسيقية وقياس درجة الصوت الموسيقي.

في تاريخ الموسيقى ، تم أخذ الأصوات ذات الترددات المختلفة كنغمة رئيسية تحدد الهيكل الموسيقي بأكمله. الآن التردد المقبول عمومًا للنوتة "la" للأوكتاف الأول هو 440 هرتز. لكن في الماضي تغيرت من 400 إلى 462 هرتز.

الطريقة التقليدية لتحديد درجة الصوت هي مقارنتها بنبرة شوكة رنانة قياسية. يتم الحكم على انحراف تردد صوت معين عن المعيار من خلال وجود النغمات. لا تزال الشوكات الرنانة مستخدمة اليوم ، على الرغم من وجود أجهزة أكثر ملاءمة لتحديد درجة الصوت ، مثل مذبذب مرجعي ثابت للتردد (مع مرنان كوارتز) ، والذي يمكن ضبطه بسلاسة ضمن نطاق الصوت بأكمله. صحيح أن المعايرة الدقيقة لمثل هذا الجهاز صعبة للغاية.

تُستخدم طريقة الوميض لقياس درجة الصوت على نطاق واسع ، حيث يحدد صوت الآلة الموسيقية تردد ومضات المصباح الوامض. يضيء المصباح نمطًا على قرص يدور بتردد معروف ، ويتم تحديد التردد الأساسي للنغمة من التردد الظاهري لحركة النمط على القرص تحت الإضاءة المصطفة.

الأذن حساسة للغاية لتغيير درجة الصوت ، لكن حساسيتها تعتمد على التردد. هو الحد الأقصى بالقرب من الحد الأدنى من السمع. حتى الأذن غير المدربة يمكنها اكتشاف اختلاف بنسبة 0.3٪ فقط في الترددات بين 500 و 5000 هرتز. يمكن زيادة الحساسية عن طريق التدريب. يتمتع الموسيقيون بإحساس متطور للغاية للنغمة ، لكن هذا لا يساعد دائمًا في تحديد وتيرة النغمة النقية التي ينتجها المذبذب المرجعي. يشير هذا إلى أنه عند تحديد تردد الصوت عن طريق الأذن ، يلعب جرسه دورًا مهمًا.

طابع الصوت.

يشير Timbre إلى ميزات الأصوات الموسيقية التي تمنح الآلات الموسيقية والأصوات خصوصيتها الفريدة ، حتى لو قارنا الأصوات من نفس الدرجة والجهارة. هذه ، إذا جاز التعبير ، جودة الصوت.

يعتمد الجرس على طيف تردد الصوت وتغيره بمرور الوقت. يتم تحديده من خلال عدة عوامل: توزيع الطاقة فوق النغمات ، والترددات التي تنشأ في اللحظة التي يظهر فيها الصوت أو يتوقف (ما يسمى النغمات الانتقالية) واضمحلالها ، فضلاً عن السعة البطيئة وتعديل التردد للصوت ("اهتزازات").

شدة مفرطة.

لنفترض أن الخيط الممدود يكون متحمسًا بقرصة في الجزء الأوسط منه (الشكل 15 ، أ). نظرًا لأن جميع التوافقيات الزوجية لها عقد في المنتصف ، فإنها ستكون غائبة ، وستتكون التذبذبات من توافقيات فردية للتردد الأساسي يساوي F 1 = الخامس/2ل، أين الخامس-سرعة الموجة في الخيط ، و لهو طوله. وبالتالي ، ستكون الترددات فقط موجودة F 1 , 3F 1 , 5F 1 إلخ. السعات النسبية لهذه التوافقيات موضحة في التين. 15، ب.

هذا المثال يسمح لنا باستخلاص الاستنتاج العام المهم التالي. يتم تحديد مجموعة التوافقيات لنظام الرنين من خلال تكوينه ، ويعتمد توزيع الطاقة على التوافقيات على طريقة الإثارة. عندما يتم إثارة السلسلة في منتصفها ، فإن التردد الأساسي هو السائد ويتم قمع التوافقيات الزوجية تمامًا. إذا تم إصلاح الخيط في الجزء الأوسط منه والتقطيع في مكان آخر ، فسيتم إلغاء التردد الأساسي والتوافقيات الفردية.

كل هذا ينطبق على الآلات الموسيقية الأخرى المعروفة ، على الرغم من أن التفاصيل قد تكون مختلفة جدًا. عادة ما تحتوي الأدوات على تجويف هوائي أو بموجه الصوت أو بوق لإصدار الصوت. كل هذا يحدد بنية النغمات وظهور الصيغ.

صانعو.

كما ذكرنا أعلاه ، تعتمد جودة صوت الآلات الموسيقية على توزيع الطاقة بين التوافقيات. عند تغيير نغمة العديد من الأجهزة ، وخاصة الصوت البشري ، يتغير توزيع التوافقيات بحيث تكون النغمات الرئيسية موجودة دائمًا في نفس نطاق التردد تقريبًا ، وهو ما يسمى نطاق الصياغة. أحد أسباب وجود الصيغ هو استخدام العناصر الرنانة لتضخيم الصوت ، مثل لوحات الصوت ورنانات الهواء. عادة ما يكون عرض الرنين الطبيعي كبيرًا ، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الإشعاع عند الترددات المقابلة. بالنسبة للآلات النحاسية ، يتم تحديد الصيغ بواسطة الجرس الذي ينبعث منه الصوت. دائمًا ما يتم التأكيد بشدة على الدلالات التي تقع ضمن نطاق الصياغة ، حيث يتم إصدارها بأقصى طاقة. يحدد المشكلون إلى حد كبير السمات النوعية المميزة لأصوات الآلة الموسيقية أو الصوت.

تغيير النغمات بمرور الوقت.

نادرًا ما تظل نغمة صوت أي أداة ثابتة بمرور الوقت ، ويرتبط الجرس بشكل أساسي بهذا. حتى عندما يحافظ الجهاز على نغمة طويلة ، هناك تعديل دوري طفيف للتردد والسعة ، مما يثري الصوت - "الاهتزاز". هذا ينطبق بشكل خاص على الآلات الوترية مثل الكمان وعلى صوت الإنسان.

بالنسبة للعديد من الآلات الموسيقية ، مثل البيانو ، تكون مدة الصوت بحيث لا يكون هناك وقت لتشكيل نغمة ثابتة - يزداد الصوت المثير بسرعة ، ثم يتبعه تحلل سريع. نظرًا لأن اضمحلال النغمات عادة ما يكون بسبب التأثيرات المعتمدة على التردد (مثل الإشعاع الصوتي) ، فمن الواضح أن توزيع النغمة المفرطة يتغير على مدار النغمة.

تظهر طبيعة التغيير في النغمة بمرور الوقت (معدل ارتفاع وانخفاض الصوت) لبعض الأدوات بشكل تخطيطي في الشكل. 18. كما ترى ، فإن الآلات الوترية (المقطوعة ولوحات المفاتيح) ليس لها نغمة ثابتة تقريبًا. في مثل هذه الحالات ، من الممكن التحدث عن طيف النغمات بشكل مشروط فقط ، لأن الصوت يتغير بسرعة مع مرور الوقت. تعتبر خصائص الصعود والهبوط أيضًا جزءًا مهمًا من جرس هذه الأدوات.

نغمات انتقالية.

عادة ما يتغير التركيب التوافقي للنغمة بسرعة في وقت قصير بعد إثارة الصوت. في تلك الآلات التي يتم فيها إثارة الصوت عن طريق ضرب الأوتار أو النتف ، تكون الطاقة المنسوبة إلى التوافقيات الأعلى (بالإضافة إلى العديد من المكونات غير التوافقية) هي الحد الأقصى فور بدء الصوت ، وبعد جزء من الثانية هذه الترددات يختفي. تعطي هذه الأصوات ، التي تسمى انتقالية ، لونًا محددًا لصوت الآلة. في البيانو ، تحدث بسبب تأثير المطرقة على الوتر. في بعض الأحيان ، لا يمكن تمييز الآلات الموسيقية ذات البنية النغمة نفسها إلا من خلال النغمات الانتقالية.

صوت الآلات الموسيقية

يمكن إثارة الأصوات الموسيقية وتغييرها بعدة طرق ، وبالتالي تتميز الآلات الموسيقية بمجموعة متنوعة من الأشكال. تم إنشاء الآلات وتحسينها في الغالب من قبل الموسيقيين أنفسهم والحرفيين المهرة الذين لم يلجأوا إلى النظرية العلمية. لذلك ، لا يمكن لعلم الصوتيات أن يفسر ، على سبيل المثال ، لماذا يكون للكمان مثل هذا الشكل. ومع ذلك ، من الممكن تمامًا وصف خصائص الصوت للكمان من حيث المبادئ العامة للعزف وبنيته.

عادة ما يُفهم نطاق تردد الجهاز على أنه نطاق تردد نغماته الأساسية. يغطي الصوت البشري حوالي جهازي أوكتاف ، وآلة موسيقية - ثلاثة على الأقل (عضو كبير - عشرة). في معظم الحالات ، تمتد النغمات إلى حافة نطاق الصوت المسموع.

تتكون الآلات الموسيقية من ثلاثة أجزاء رئيسية: عنصر متذبذب ، وآلية لإثارته ، ومرنان إضافي (بوق أو لوحة بموجه الصوت) للاتصال الصوتي بين العنصر المتذبذب والهواء المحيط.

الصوت الموسيقي دوري في الوقت المناسب ، وتتكون الأصوات الدورية من سلسلة من التوافقيات. نظرًا لأن الترددات الطبيعية لاهتزازات الأوتار وأعمدة الهواء ذات الطول الثابت مرتبطة بشكل متناغم ، فإن عناصر الاهتزاز الرئيسية في العديد من الأدوات هي الأوتار وأعمدة الهواء. مع استثناءات قليلة (الفلوت هو واحد منهم) ، لا يمكن أخذ صوت ذي تردد واحد على الآلات. عندما يكون الهزاز الرئيسي متحمسًا ، ينشأ صوت يحتوي على نغمات إيحائية. بعض الترددات الرنانة للهزازات ليست مكونات توافقية. تُستخدم الآلات من هذا النوع (على سبيل المثال ، الطبول والصنج) في موسيقى الأوركسترا للتعبير الخاص والتأكيد على الإيقاع ، ولكن ليس من أجل التطور اللحني.

الآلات الوترية.

في حد ذاته ، فإن الوتر المهتز هو مصدر سيئ للصوت ، وبالتالي يجب أن تحتوي الآلة الوترية على مرنان إضافي لإثارة صوت ذي شدة ملحوظة. يمكن أن يكون حجمًا مغلقًا من الهواء أو سطحًا أو مزيجًا من كليهما. يتم تحديد طبيعة صوت الآلة أيضًا من خلال طريقة إثارة الأوتار.

رأينا سابقًا أن التردد الأساسي للتذبذب لسلسلة ثابتة من الطول إلاعطي من قبل

أين تيهي قوة شد الخيط ، و ص لهي الكتلة لكل وحدة طول من الخيط. لذلك ، يمكننا تغيير التردد بثلاث طرق: عن طريق تغيير الطول ، أو التوتر ، أو الكتلة. تستخدم العديد من الأدوات عددًا صغيرًا من الأوتار من نفس الطول ، ويتم تحديد الترددات الأساسية من خلال الاختيار الصحيح للتوتر والكتلة. يتم الحصول على الترددات الأخرى عن طريق تقصير طول الوتر بأصابعك.

تحتوي الآلات الأخرى ، مثل البيانو ، على واحد من العديد من الأوتار المضبوطة مسبقًا لكل نغمة. إن ضبط بيانو حيث يكون نطاق الترددات كبيرًا ليس بالمهمة السهلة ، خاصة في منطقة التردد المنخفض. إن قوة الشد لجميع أوتار البيانو هي نفسها تقريبًا (حوالي 2 كيلو نيوتن) ، ويتم تحقيق تنوع الترددات من خلال تغيير طول الأوتار وسمكها.

يمكن إثارة آلة وترية بالنتف (على سبيل المثال ، على القيثارة أو البانجو) ، أو النفخ (على البيانو) ، أو القوس (في حالة الآلات الموسيقية لعائلة الكمان). في جميع الحالات ، كما هو موضح أعلاه ، يعتمد عدد التوافقيات ومدى اتساعها على طريقة إثارة السلسلة.

بيانو.

مثال نموذجي لأداة يتم فيها إثارة سلسلة من الضربات هو البيانو. توفر لوحة الصوت الكبيرة للأداة مجموعة واسعة من الصيغ ، لذا فإن جرسها موحد جدًا لأي ملاحظة مثيرة. تحدث الحدود القصوى للصيغ الرئيسية عند ترددات تتراوح من 400 إلى 500 هرتز ، وفي الترددات المنخفضة تكون النغمات غنية بشكل خاص بالتوافقيات ، ويكون اتساع التردد الأساسي أقل من بعض النغمات الإيحائية. في البيانو ، تسقط المطرقة على جميع الأوتار باستثناء أقصرها على نقطة تقع على مسافة 1/7 من طول الوتر من أحد طرفيه. عادة ما يتم تفسير ذلك من خلال حقيقة أنه في هذه الحالة ، يتم قمع التوافقي السابع ، المتعارض فيما يتعلق بالتردد الأساسي ، بشكل كبير. ولكن نظرًا للعرض المحدود للمطرقة ، يتم أيضًا قمع التوافقيات الأخرى الموجودة بالقرب من السابع.

عائلة الكمان.

في عائلة آلات الكمان ، يتم إنتاج الأصوات الطويلة بواسطة القوس ، والذي يطبق قوة دافعة متغيرة على الوتر ، مما يحافظ على اهتزاز الوتر. تحت تأثير القوس المتحرك ، يتم سحب الخيط إلى الجانب بسبب الاحتكاك حتى ينكسر بسبب زيادة قوة الشد. بالعودة إلى موضعها الأصلي ، يتم حملها مرة أخرى بواسطة القوس. تتكرر هذه العملية بحيث تعمل قوة خارجية دورية على الوتر.

من أجل زيادة الحجم وتقليل مدى التردد ، يتم ترتيب الآلات الوترية المنحنية الرئيسية على النحو التالي: الكمان ، الكمان ، التشيلو ، الباص المزدوج. تعد أطياف التردد لهذه الآلات غنية بشكل خاص بالنغمات ، مما يعطي بلا شك دفئًا خاصًا وتعبيرًا عن صوتها. في عائلة الكمان ، يتم توصيل الوتر المهتز صوتيًا بتجويف الهواء وجسم الآلة ، والذي يحدد بشكل أساسي بنية الصانعات التي تشغل نطاقًا تردديًا واسعًا جدًا. الممثلون الكبار لعائلة الكمان لديهم مجموعة من الصيغ التي تحولت نحو الترددات المنخفضة. لذلك ، فإن نفس الملاحظة التي تم أخذها على أداتين من عائلة الكمان تكتسب تلوينًا مختلفًا للجرس بسبب الاختلاف في بنية النغمات.

الكمان له صدى واضح بالقرب من 500 هرتز ، بسبب شكل جسمه. عند تشغيل نغمة ذات تردد قريب من هذه القيمة ، يمكن إصدار صوت اهتزاز غير مرغوب فيه يسمى "نغمة الذئب". يحتوي تجويف الهواء داخل جسم الكمان أيضًا على ترددات الرنين الخاصة به ، والتي يقع معظمها بالقرب من 400 هرتز. نظرًا لشكله الخاص ، فإن للكمان العديد من الرنين المتقارب. كلهم ، باستثناء نغمة الذئب ، لا تبرز حقًا في الطيف العام للصوت المستخرج.

آلات النفخ.

آلات النفخ.

تمت مناقشة الاهتزازات الطبيعية للهواء في أنبوب أسطواني بطول محدود سابقًا. تشكل الترددات الطبيعية سلسلة من التوافقيات ، يتناسب ترددها الأساسي عكسياً مع طول الأنبوب. تنشأ الأصوات الموسيقية في آلات الرياح بسبب الإثارة الرنانة لعمود الهواء.

يتم إثارة اهتزازات الهواء إما عن طريق الاهتزازات في طائرة الهواء التي تسقط على الحافة الحادة لجدار الرنان ، أو عن طريق اهتزازات السطح المرن للسان في تدفق الهواء. في كلتا الحالتين ، تحدث تغييرات دورية في الضغط في منطقة موضعية من برميل الأداة.

تعتمد أولى طرق الإثارة هذه على حدوث "نغمات الحافة". عندما يخرج تيار من الفتحة ، مكسورًا بعائق على شكل إسفين بحافة حادة ، تظهر الدوامات بشكل دوري - أولاً على جانب واحد ، ثم على الجانب الآخر من الإسفين. يكون تواتر تكوينها أكبر ، وكلما زادت سرعة تدفق الهواء. إذا تم اقتران مثل هذا الجهاز صوتيًا بعمود هواء رنين ، فسيتم "التقاط" تردد نغمة الحافة بواسطة تردد الرنين لعمود الهواء ، أي يتم تحديد تواتر تكوين الدوامة بواسطة عمود الهواء. في ظل هذه الظروف ، يكون التردد الرئيسي لعمود الهواء متحمسًا فقط عندما تتجاوز سرعة تدفق الهواء حدًا أدنى معينًا للقيمة. في نطاق معين من السرعات تتجاوز هذه القيمة ، يكون تردد نغمة الحافة مساويًا لهذا التردد الأساسي. عند سرعة تدفق هواء أعلى (بالقرب من السرعة التي يكون عندها تردد الحافة في حالة عدم الاتصال بالرنان مساويًا للتوافقي الثاني للرنان) ، يتضاعف تردد الحافة بشكل مفاجئ وتدور درجة الصوت المنبعثة من النظام بأكمله خارج ليكون أعلى أوكتاف. هذا يسمى الفائض.

تثير نغمات الحواف أعمدة الهواء في أدوات مثل الأرغن والفلوت والبيكولو. عند العزف على الفلوت ، يقوم المؤدي بإثارة نغمات الحافة عن طريق النفخ من الجانب في فتحة جانبية بالقرب من أحد الأطراف. يتم الحصول على نغمات أوكتاف واحد ، بدءًا من "D" وما فوق ، عن طريق تغيير الطول الفعال للبرميل ، وفتح الثقوب الجانبية ، مع نغمة حافة عادية. يتم تضخيم الأوكتافات الأعلى بشكل مبالغ فيه.

طريقة أخرى لإثارة صوت آلة الرياح تعتمد على الانقطاع الدوري لتدفق الهواء بواسطة لسان متذبذب ، والذي يسمى القصبة ، لأنه مصنوع من القصب. تُستخدم هذه الطريقة في آلات النفخ الخشبية والنحاسية المختلفة. هناك خيارات مع قصبة واحدة (كما هو الحال ، على سبيل المثال ، في آلات الكلارينيت والساكسفون والأكورديون) وبقبة مزدوجة متماثلة (كما هو الحال ، على سبيل المثال ، في المزمار والباسون). في كلتا الحالتين ، تكون العملية التذبذبية واحدة: يتم نفخ الهواء عبر فجوة ضيقة ، حيث ينخفض ​​الضغط وفقًا لقانون برنولي. في نفس الوقت ، يتم سحب العصا في الفجوة وتغطيتها. في حالة عدم وجود تدفق ، تستقيم العصا المرنة وتتكرر العملية.

في آلات النفخ ، يتم اختيار ملاحظات الميزان ، كما هو الحال في الفلوت ، عن طريق فتح الثقوب الجانبية والنفخ الزائد.

على عكس الأنبوب المفتوح من كلا الطرفين ، والذي يحتوي على مجموعة كاملة من النغمات ، فإن الأنبوب المفتوح عند طرف واحد فقط له توافقيات فردية ( سم. أعلى). هذا هو تكوين الكلارينيت ، وبالتالي يتم التعبير عن التوافقيات بشكل ضعيف فيه. يحدث النفخ الزائد في الكلارينيت بتردد أعلى بثلاث مرات من التردد الرئيسي.

في المزمار ، التوافقي الثاني شديد جدًا. وهو يختلف عن الكلارينيت في أن تجويفه له شكل مخروطي ، بينما في الكلارينيت يكون المقطع العرضي للتجويف ثابتًا على معظم طوله. يصعب حساب الترددات في البرميل المخروطي أكثر من حساب الأنبوب الأسطواني ، ولكن لا يزال هناك نطاق كامل من الدلالات. في هذه الحالة ، تكون ترددات التذبذب للأنبوب المخروطي ذو الطرف الضيق المغلق هي نفسها ترددات الأنبوب الأسطواني المفتوح عند كلا الطرفين.

آلات النفخ النحاسية.

النحاس ، بما في ذلك القرن ، والبوق ، والبوق ، والمكبس ، والترومبون ، والقرن ، والبوق ، متحمس بالشفاه ، ويكون تأثيره ، إلى جانب قطعة الفم ذات الشكل الخاص ، مشابهًا لعمل القصبة المزدوجة. يكون ضغط الهواء أثناء الإثارة الصوتية أعلى بكثير هنا منه في آلات النفخ الخشبية. أدوات النفخ النحاسية ، كقاعدة عامة ، هي برميل معدني بأقسام أسطوانية ومخروطية ، تنتهي بجرس. يتم تحديد المقاطع بحيث يتم توفير النطاق الكامل للتوافقيات. يتراوح الطول الإجمالي للبرميل من 1.8 متر للأنبوب إلى 5.5 متر للأنبوب. تم تصميم البوق على شكل حلزون لسهولة التعامل معه ، وليس لأسباب صوتية.

مع طول ثابت للبرميل ، يكون لدى المؤدي تحت تصرفه ملاحظات فقط تحددها الترددات الطبيعية للبرميل (علاوة على ذلك ، لا يتم أخذ التردد الأساسي عادةً) ، ويتم إثارة التوافقيات الأعلى عن طريق زيادة ضغط الهواء في قطعة الفم . وبالتالي ، لا يمكن عزف سوى عدد قليل من النغمات (التوافقيات الثانية والثالثة والرابعة والخامسة والسادسة) على بوق ثابت الطول. في الآلات النحاسية الأخرى ، يتم أخذ الترددات الموجودة بين التوافقيات مع تغيير طول البرميل. الترومبون فريد بهذا المعنى ، حيث يتم تنظيم طول البرميل من خلال الحركة السلسة للأجنحة القابلة للسحب على شكل حرف U. يتم توفير تعداد الملاحظات للمقياس بأكمله من خلال سبعة مواضع مختلفة للأجنحة مع تغيير في النغمة المفرطة للجذع. في الأدوات النحاسية الأخرى ، يتم تحقيق ذلك عن طريق زيادة الطول الكلي للبرميل بشكل فعال بثلاث قنوات جانبية بأطوال مختلفة وفي مجموعات مختلفة. هذا يعطي سبعة أطوال مختلفة للبرميل. كما هو الحال مع الترومبون ، يتم تشغيل نغمات المقياس بالكامل من خلال إثارة سلسلة مختلفة من النغمات المتوافقة مع أطوال الجذع السبعة.

نغمات جميع الآلات النحاسية غنية بالتوافقيات. هذا يرجع بشكل أساسي إلى وجود الجرس ، مما يزيد من كفاءة انبعاث الصوت عند الترددات العالية. تم تصميم البوق والبوق للعب مجموعة واسعة من التوافقيات من البوق. يحتوي جزء البوق المنفرد في أعمال I. Bach على العديد من المقاطع في الأوكتاف الرابع من السلسلة ، وصولاً إلى التوافقي الحادي والعشرين لهذه الآلة.

آلات قرع.

تُصدر آلات الإيقاع الصوت عن طريق ضرب جسم الآلة وبالتالي إثارة الاهتزازات الحرة. من البيانو ، حيث تتأثر الاهتزازات أيضًا بالضربة ، تختلف هذه الأدوات من ناحيتين: الجسم المهتز لا يعطي نغمات توافقية ، ويمكنه في حد ذاته أن يشع صوتًا بدون رنان إضافي. تشمل أدوات الإيقاع الطبول والصنج والإكسليفون والمثلث.

تعد تذبذبات المواد الصلبة أكثر تعقيدًا بكثير من تذبذبات مرنان الهواء من نفس الشكل ، نظرًا لوجود أنواع أكثر من التذبذبات في المواد الصلبة. لذلك ، يمكن أن تنتشر موجات الانضغاط والانحناء والتواء على طول قضيب معدني. لذلك ، يحتوي القضيب الأسطواني على العديد من أوضاع الاهتزاز ، وبالتالي ترددات طنين أكثر من عمود الهواء الأسطواني. بالإضافة إلى ذلك ، لا تشكل هذه الترددات الرنانة سلسلة متناسقة. يستخدم الإكسيليفون اهتزازات الانحناء للقضبان الصلبة. نسب النغمة المفرطة لشريط إكسيليفون المهتز إلى التردد الأساسي هي: 2.76 و 5.4 و 8.9 و 13.3.

الشوكة الرنانة عبارة عن قضيب منحني متذبذب ، ويحدث النوع الرئيسي من التذبذب عندما يقترب كلا الذراعين في وقت واحد من بعضهما البعض أو يبتعدان عن بعضهما البعض. لا تحتوي الشوكة الرنانة على سلسلة متناسقة من النغمات ، ويتم استخدام ترددها الأساسي فقط. تردد أول نغمة لها أكثر من 6 أضعاف التردد الأساسي.

مثال آخر على الجسم الصلب المتأرجح الذي ينتج أصواتًا موسيقية هو الجرس. يمكن أن تختلف أحجام الأجراس - من جرس صغير إلى أجراس الكنيسة متعددة الأطنان. كلما كبر الجرس ، كلما قلت الأصوات. خضع شكل الأجراس وميزاتها الأخرى للعديد من التغييرات في سياق تطورها الذي دام قرونًا. عدد قليل جدًا من الشركات العاملة في تصنيعها ، الأمر الذي يتطلب مهارة كبيرة.

سلسلة النغمة الأولية للجرس ليست متناسقة ، ونسب النغمة الزائدة ليست هي نفسها للأجراس المختلفة. لذلك ، على سبيل المثال ، بالنسبة لجرس واحد كبير ، كانت النسب المقاسة للترددات الفوقية للتردد الأساسي هي 1.65 و 2.10 و 3.00 و 3.54 و 4.97 و 5.33. لكن توزيع الطاقة على النغمات يتغير بسرعة فور قرع الجرس ، ويبدو أن شكل الجرس قد اختير بطريقة ترتبط فيها الترددات السائدة ببعضها البعض بشكل متناغم تقريبًا. يتم تحديد نغمة الجرس ليس بالتردد الأساسي ، ولكن من خلال النغمة السائدة بعد الضربة مباشرة. يتوافق تقريبًا مع النغمة الخامسة للجرس. بعد مرور بعض الوقت ، تبدأ النغمات السفلية في السيطرة على صوت الجرس.

في الأسطوانة ، يكون العنصر المهتز عبارة عن غشاء جلدي ، عادة ما يكون مستديرًا ، ويمكن اعتباره تناظريًا ثنائي الأبعاد لسلسلة ممتدة. في الموسيقى ، لا تقل أهمية الطبل عن الوتر ، لأن مجموعة الترددات الطبيعية الخاصة به ليست متناسقة. الاستثناء هو التيمباني ، الذي يمتد غشاءه فوق مرنان هوائي. يمكن جعل تسلسل نغمة الأسطوانة متناسقًا عن طريق تغيير سمك الرأس في الاتجاه الشعاعي. مثال على هذه الأسطوانة طبلةالمستخدمة في الموسيقى الهندية الكلاسيكية.