Ses dalgaları nelerdir. Sade bir dilde ses ve akustik teorisi

2.2 Ses dalgaları ve özellikleri

Ses, elastik bir ortamda yayılan mekanik titreşimlerdir: hava, su, katı bir cisim vb.

Bir kişinin elastik titreşimleri algılama, onları dinleme yeteneği, ses - akustik doktrini adına yansıdı.

Genel olarak, insan kulağı sesi yalnızca mekanik titreşimler kulağın işitme cihazı üzerinde en az 16 Hz ancak 20.000 Hz'den yüksek olmayan bir frekansta etki ettiğinde duyar. Daha düşük veya daha yüksek frekanslı salınımlar insan kulağı tarafından duyulmaz.

Havanın bir ses iletkeni olduğu, 1660 yılında Robert Boyle'un deneyi ile kanıtlanmıştır. Elektrikli zil gibi bir ses veren gövde, bir hava pompasının zilinin altına yerleştirilirse, bunun altından hava pompalandıkça ses zayıflar ve sonunda durur.

Titreşimleri sırasında, vücut ya yüzeyine bitişik hava katmanını sırayla sıkıştırır ya da tam tersine bu katmanda bir seyreklik yaratır. Böylece, sesin havada yayılması, salınan bir cismin yüzeyindeki hava yoğunluğundaki dalgalanmalarla başlar.

Salınımların zaman içinde uzayda yayılma sürecine dalga denir. Dalga boyu, ortamın aynı durumda olan en yakın iki parçacığı arasındaki mesafedir.

Dalga boyunun parçacıklarının salınım periyoduna oranına eşit olan fiziksel niceliğe dalga hızı denir.

Dalganın yayıldığı ortamın parçacıklarının salınımları zorlanır. Bu nedenle, periyotları dalga uyarıcısının salınım periyoduna eşittir. Ancak, farklı ortamlarda dalga yayılma hızı farklıdır.

Sesler farklıdır. Düdük ve davulu, erkek sesini (bas) dişi sesten (soprano) kolaylıkla ayırt edebiliriz.

Bazı seslerin düşük perdeli olduğu söylenir, diğerlerine ise yüksek perdeli sesler deriz. Kulak onları kolayca ayırt edebilir. Bas davul tarafından üretilen ses düşük perdeli bir sestir, düdük ise yüksek perdeli bir sestir.

Basit ölçümler (salınım taraması), düşük perdeli seslerin bir ses dalgasındaki düşük frekanslı salınımlar olduğunu gösterir. Yüksek perdeli bir ses, daha yüksek bir titreşim frekansına karşılık gelir. Bir ses dalgasındaki titreşimlerin frekansı, sesin tonunu belirler.

Saf ton olarak adlandırılan tek bir frekans yayan özel ses kaynakları vardır. Bunlar, çeşitli boyutlardaki akort çatallarıdır - bacaklarda kavisli metal çubuklar olan basit cihazlar. Titreşim çatalı ne kadar büyükse, vurulduğunda çıkardığı ses o kadar düşük olur.

Farklı boyutlarda birkaç diyapazon alırsanız, bunları artan perde sırasına göre kulaktan yerleştirmek zor olmayacaktır. Böylece, boyut olarak da yer alacaklar: en büyük diyapazon düşük ses verir ve küçük olan en yüksek sesi verir.

Aynı tondaki sesler bile farklı şiddette olabilir. Sesin yüksekliği, kaynaktaki ve dalgadaki salınımların enerjisi ile ilgilidir. Salınımların enerjisi, salınımların genliği ile belirlenir. Bu nedenle ses yüksekliği, titreşimlerin genliğine bağlıdır.

Ses dalgalarının yayılımının bir anda meydana gelmediği en basit gözlemlerden görülebilir. Uzakta bir fırtına, bir atış, bir patlama, bir lokomotif düdüğü, bir balta darbesi vb. Varsa, ilk başta tüm bu fenomenler görünür ve ancak o zaman, bir süre sonra, bir ses Duymak.

Herhangi bir dalga gibi, bir ses dalgası da içindeki salınımların yayılma hızı ile karakterize edilir.

Sesin hızı farklı ortamlarda farklıdır. Örneğin, hidrojende, herhangi bir uzunluktaki ses dalgalarının yayılma hızı 1284 m/s, kauçukta - 1800 m/s ve demirde - 5850 m/s'dir.

Şimdi, bir fizik dalı olarak akustik, en düşükten en yükseğe, 1012 - 1013 Hz'e kadar daha geniş bir elastik titreşim yelpazesini dikkate alır. Frekansı 16 Hz'nin altında olup insanların işitemeyeceği ses dalgalarına infrasound, 20.000 Hz ile 109 Hz arasındaki frekanslara sahip ses dalgalarına ultrason, 109 Hz'in üzerindeki frekanslara sahip titreşimlere hiper ses denir.

Bu duyulmayan sesler birçok kullanım alanı bulmuştur.

Ultrasonlar ve infrasounds canlılar dünyasında da çok önemli bir rol oynamaktadır. Örneğin, balıklar ve diğer deniz hayvanları, fırtına dalgalanmalarının yarattığı infrasonik dalgaları hassas bir şekilde alırlar. Böylece bir fırtınanın veya siklonun yaklaştığını önceden hissederler ve daha güvenli bir yere yüzerek uzaklaşırlar. Infrasound, orman, deniz, atmosfer seslerinin bir bileşenidir.

Balık hareket ettiğinde, elastik infra ses titreşimleri suda yayılır. Bu dalgalanmalar, köpekbalıkları tarafından kilometrelerce iyi hissedilir ve avına doğru yüzer.

Ultrasonlar köpekler, kediler, yunuslar, karıncalar, yarasalar vb. hayvanlar tarafından yayılabilir ve algılanabilir. Uçuş sırasında yarasalar kısa tiz sesler yayarlar. Uçuşlarında, yolda karşılaştıkları nesnelerden gelen bu seslerin yansımaları tarafından yönlendirilirler; sadece küçük avlarından gelen yankı tarafından yönlendirilen böcekleri bile yakalayabilirler. Kediler ve köpekler çok tiz ıslık seslerini (ultrasonlar) duyabilirler.

Yankı, bir engelden yansıyan ve bir gözlemci tarafından alınan bir dalgadır. Ses yankısı, kulak tarafından birincil sinyalden ayrı olarak algılanır. Çeşitli nesnelere olan mesafeleri belirleme ve konumlarını tespit etme yöntemi, yankı olgusuna dayanmaktadır. Bir ses kaynağının bir ses sinyali yaydığını ve yayılma anını sabitlediğini varsayalım. Ses bir tür engelle karşılaştı, ondan yansıdı, geri döndü ve ses alıcısı tarafından alındı. Aynı zamanda, emisyon ve alım anları arasındaki zaman aralığı ölçülmüşse, engele olan mesafeyi bulmak kolaydır. Ölçülen t süresi boyunca, ses 2s'lik bir mesafe kat etti, burada s engele olan mesafe ve 2s ses kaynağından engele ve engelden ses alıcısına olan mesafedir.

Bu formülü kullanarak sinyal reflektörüne olan mesafeyi bulabilirsiniz. Ama aynı zamanda nerede olduğunu, kaynaktan hangi yönde sinyalle karşılaştığını da bilmeniz gerekir. Bu sırada ses her yöne yayılır ve yansıyan sinyal farklı yönlerden gelebilir. Bu zorluğu önlemek için sıradan ses değil, ultrason kullanılır.

Ultrasonik dalgaların temel özelliği, kaynaktan belirli bir yönde yayılarak yönlendirilebilmeleridir. Bu sayede ultrasonun yansıması ile sadece mesafeyi bulmakla kalmaz, aynı zamanda onları yansıtan nesnenin nerede olduğunu da öğrenebilirsiniz. Böylece örneğin geminin altındaki denizin derinliğini ölçebilirsiniz.

Ses konumlandırıcılar, ürünlerdeki boşluklar, çatlaklar, yabancı kalıntılar vb. gibi çeşitli hasarları tespit etmeyi ve bulmayı mümkün kılar. Tıpta ultrason, hastanın vücudundaki çeşitli anormallikleri (tümörler, organ şeklindeki bozulmalar veya bozulmalar) tespit etmek için kullanılır. onların parçaları vb. Ultrasonik dalga boyu ne kadar kısa olursa, algılanacak parçaların boyutları o kadar küçük olur. Ultrason ayrıca bazı hastalıkların tedavisinde de kullanılır.

okyanus akustiği

Deniz suyunun uzman olmayanlar tarafından çok az bilinen ikinci hareket türü iç dalgalardır. Okyanusta uzun süredir keşfedilmiş olmalarına rağmen, 19. ve 20. yüzyılların başında. (Nansen'in "Fram" seferi ve denizcilerin gözlemlerini açıklayan Ekman'ın çalışması) ...

okyanus akustiği

Şimdi yüzey dalgaları hakkında, uygun deniz dalgaları hakkında. Belki de denizde bu kadar yaygın olarak bilinen başka bir fenomen yoktur. Eski denizciler ve filozoflardan çağdaş sanatçılara ve şairlere, yaşlı bir dededen...

De Broglie dalgaları ve fiziksel yorumları

De Broglie dalgalarının yayılımının grup hızını hesaplayalım, her durumda olduğu gibi, faz ve grup hızı, faz hızı (6) olacaktır. De Broglie dalgalarının faz hızı boşluktaki ışık hızından daha büyük olduğundan ...

Ses dalgalarının incelenmesi

Sesin uzayda sadece bir miktar elastik ortamın varlığında yayıldığı bilinmektedir. Titreşimlerin ses kaynağından alıcıya, örneğin insan kulağına iletilmesi için ortam gereklidir. Diğer bir deyişle...

Mekanik dalgaların incelenmesi, dalga hareketi hakkında genel fikirlerin oluşumuyla başlar. Salınım hareketinin durumu, aralarında bir bağlantı varsa, salınan bir cisimden diğerine iletilir...

Elektromanyetik dalgaların uygulanması

Dalga, uzayda zamanla yayılan bir titreşimdir. Bir dalganın en önemli özelliği hızıdır. Herhangi bir nitelikteki dalgalar uzayda anında yayılmaz. Hızları sınırlı...

Optik gelişimi

Işığın dalga teorisinin geliştirilmesindeki bir sonraki adım Huygens tarafından atıldı. Özünde, ışığın dalga teorisini yarattı ve o sırada bilinen tüm fenomenleri temelinde açıkladı. Işığın dalga doğası fikri ilk olarak Marty tarafından 1648 ve 1665'te ifade edildi...

Yukarıda açıklanan dalgalar elastik kuvvetlerden kaynaklanır, ancak oluşumu yerçekiminden kaynaklanan dalgalar da vardır. Bir sıvının yüzeyinde yayılan dalgalar boyuna değildir...

Sesin fiziksel temeli

Ses, işitsel duyumların bir nesnesidir, bu nedenle bir kişi öznel olarak da değerlendirilir. Tonları algılayan bir kişi, onları yüksekliğe göre ayırt eder. Perde, öncelikle ana tonun frekansı tarafından belirlenen öznel bir özelliktir...

Vücut hareketinin özellikleri

2.1 Salınım hareketinin kinematiği Test soruları 1. Salınımlar, zaman içinde tekrarlanabilirliği olan süreçlerdir. Harmonik titreşimler sinüs ve kosinüs yasasına göre oluşan titreşimlerdir...

Elektromanyetik dalgalar ve özellikleri

Elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik alanların uzayda ve zamanda yayılmasıdır. Yukarıda belirtildiği gibi, elektromanyetik dalgaların varlığı, büyük İngiliz fizikçi J...

"Ses" kavramı, "dalga" kavramıyla yakından ilişkilidir. Kesinlikle herkese aşina olan bu kavramın, net bir tanım vermeye çalışırken birçokları için zorluklara neden olması ilginçtir. Bir yandan dalga, hareketle ilişkili bir şeydir, suya atılan bir taştan daireler çizerek ayrılan dalgalar gibi uzayda yayılan bir şeydir. Öte yandan, suyun yüzeyinde duran bir dalın, yakınlara atılan bir taştan dalga yayılımı yönünde zorlukla hareket edeceğini, ancak temelde sadece su üzerinde sallanacağını biliyoruz. Bir dalganın yayılması sırasında uzayda ne taşınır? Uzayda bir miktar tedirginliğin aktarıldığı ortaya çıktı. Suya atılan bir taş bir sıçramaya neden olur - su yüzeyinin durumunda bir değişiklik ve bu rahatsızlık rezervuarın bir noktasından diğerine yüzey salınımları şeklinde iletilir. Böylece, dalga durum değişim uzayında hareket etme sürecidir.

Ses dalgası(ses titreşimleri), uzayda iletilen bir maddenin (örneğin hava) moleküllerinin mekanik titreşimleridir. Ses dalgalarının uzayda nasıl yayıldığını hayal edelim. Uzayda belirli bir noktada havanın hareketine ve titreşimlerine neden olan bazı bozulmalar (örneğin, bir hoparlör konisinin veya bir gitar telinin titreşimleri sonucu) sonucunda, hava hareket ettiğinden bu yerde bir basınç düşüşü meydana gelir. hareket sırasında sıkıştırılır, aşırı basınca neden olur. çevreleyen hava katmanlarını iter. Bu katmanlar sıkıştırılır, bu da komşu hava katmanlarını etkileyen tekrar aşırı basınç oluşturur. Böylece, sanki bir zincir boyunca, uzaydaki ilk bozulma bir noktadan diğerine iletilir. Bu süreç, uzayda ses dalgası yayılma mekanizmasını açıklar. Havada rahatsızlık (titreşim) yaratan cisimlere denir. ses kaynağı.

Hepimiz için tanıdık konsept ses" yalnızca insan işitme cihazı tarafından algılanan bir dizi ses titreşimi anlamına gelir. Bir kişinin hangi titreşimleri algılayıp hangilerini algılamadığı hakkında daha sonra konuşacağız.

Ses titreşimleri ve genel olarak tüm titreşimler, fizikten bilindiği gibi, genlik (yoğunluk), frekans ve faz ile karakterize edilir. Ses titreşimleri ile ilgili olarak, yayılma hızı gibi bir özellikten bahsetmek çok önemlidir. Salınımların yayılma hızı, genel olarak, salınımların yayıldığı ortama bağlıdır. Bu hız, ortamın esnekliği, yoğunluğu ve sıcaklığı gibi faktörlerden etkilenir. Örneğin, ortamın sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, içindeki ses hızı o kadar yüksek olur. Normal (normal sıcaklık ve basınç) koşullarda, sesin havadaki hızı yaklaşık 330 m/s'dir. Bu nedenle, dinleyicinin ses titreşimlerini algılamaya başladığı süre, dinleyicinin ses kaynağından uzaklığına ve ses dalgasının yayıldığı ortamın özelliklerine bağlıdır. Ses yayılma hızının, ses titreşimlerinin frekansından neredeyse bağımsız olduğuna dikkat etmek önemlidir. Bu, diğer şeylerin yanı sıra, sesin tam olarak kaynak tarafından üretildiği sırayla algılandığı anlamına gelir. Böyle olmasaydı ve bir frekansın sesi başka bir frekansın sesinden daha hızlı yayılırsa, örneğin müzik yerine keskin ve sarsıntılı bir ses duyardık.

ses dalgaları var çeşitli fenomenler dalgaların uzayda yayılmasıyla ilişkilidir. Bunlardan en önemlilerini listeliyoruz.

Parazit yapmak- iki veya daha fazla ses dalgasının üst üste binmesi sonucu uzayda bazı noktalarda ses titreşimlerinin yükseltilmesi ve diğer noktalarda titreşimlerin zayıflaması. Aynı anda iki kaynaktan farklı, ancak yeterince yakın frekanslarda sesler duyduğumuzda, her iki ses dalgasının tepeleri bize gelir, sonra bir dalganın tepesi ve diğerinin çukuru. İki dalganın üst üste binmesinin bir sonucu olarak, kulak tarafından atım olarak algılanan ses ya yoğunlaşır ya da zayıflar. Bu etkiye zaman girişimi denir. Tabii ki, gerçekte, müdahale mekanizması çok daha karmaşık olduğu ortaya çıkıyor, ancak özü değişmiyor. İki müzik tonunu aynı anda akort ederken (örneğin, bir gitarı akort ederken) vuruşların ortaya çıkmasının etkisi kullanılır: akort, vuruşlar artık hissedilmeyene kadar gerçekleştirilir.

Bir ses dalgası, başka bir ortamla arayüze düştüğünde, arayüzden yansıyabilir, başka bir ortama geçebilir, hareket yönünü değiştirebilir - arayüzden kırılma (bu fenomene denir) refraksiyon), emilebilir veya yukarıdaki eylemlerin birkaçını aynı anda gerçekleştirebilirsiniz. Absorpsiyon ve yansıma derecesi, arayüzdeki ortamın özelliklerine bağlıdır.

Yayılma sürecinde bir ses dalgasının enerjisi ortam tarafından emilir. Bu etkiye denir ses dalgalarının emilimi . Absorpsiyon etkisinin varlığı, ortamdaki ısı transferi ve moleküller arası etkileşim süreçlerinden kaynaklanmaktadır. Ses enerjisinin absorpsiyon derecesinin hem ortamın özelliklerine (sıcaklık, basınç, yoğunluk) hem de ses titreşimlerinin frekansına bağlı olduğuna dikkat etmek önemlidir: ses titreşimlerinin frekansı ne kadar yüksekse, ses dalgası o kadar fazla saçılır. yolunda geçirmektedir.

fenomeninden bahsetmek de önemlidir. kapalı bir hacimde dalga hareketi özü, ses dalgalarının bazı kapalı alanların duvarlarından yansıması olan. Ses titreşimlerinin yansımaları, sesin son algısını büyük ölçüde etkileyebilir - rengini, doygunluğunu, derinliğini değiştirin. Böylece kapalı bir odada bulunan bir kaynaktan gelen, odanın duvarlarına tekrar tekrar vuran ve yansıyan ses, dinleyici tarafından belirli bir uğultu eşliğinde bir ses olarak algılanır. Böyle bir gürültü denir yankılanma(lat. "reverbero" - "Atıyorum"). Yankı efekti, sese özel özellikler ve tını rengi vermek için ses işlemede çok yaygın olarak kullanılır.

Bilimde ses dalgalarının bir diğer önemli özelliği, engellerin etrafından bükülme yeteneğidir. kırınım. Zarfın derecesi, ses dalgasının uzunluğu (frekansı) ile yolunda duran engel veya deliğin boyutu arasındaki orana bağlıdır. Engelin boyutu dalga boyundan çok daha büyükse, ses dalgası ondan yansıtılır. Engelin boyutları dalga boyuna yakınsa veya ondan küçükse, ses dalgası kırılır.

Dalga hareketi ile ilgili göz ardı edilemeyecek bir diğer etki ise rezonans. Aşağıdaki gibidir. Salınım yapan bir cismin yarattığı, uzayda yayılan ses dalgası, titreşim enerjisini başka bir cisme aktarabilir ( rezonatör), bu enerjiyi emerek salınmaya başlar ve aslında kendisi bir ses kaynağı haline gelir. Böylece orijinal ses dalgası güçlendirilir ve ses daha yüksek olur. Rezonansın ortaya çıkması durumunda, ses dalgasının enerjisinin rezonatörü "sallamak" için harcandığına ve buna göre sesin süresini etkilediğine dikkat edilmelidir.

Doppler etkisi- Listemizdeki sonuncusu olan bir başka ilginç etki, ses dalgalarının uzayda yayılmasıyla ilgilidir. Etkisi, dalganın kaynağına göre dinleyicinin hızındaki değişime göre dalga boyunun değişmesidir. Dinleyici (kayıt sensörü) dalga kaynağına ne kadar hızlı yaklaşırsa, kaydettiği dalga boyu o kadar kısa olur ve bunun tersi de geçerlidir.

Bunlar ve diğer fenomenler dikkate alınır ve akustik, ses işleme ve radar gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılır.

Proje konusuyla ilgili bir dizi bilimsel kitap ve makaleyi inceledikten sonra sesin ne olduğunu, özelliklerini ve özelliklerini öğrendik. Ses duyduğumuz şeydir: bir kemanın yumuşak melodisi, rahatsız edici bir zil sesi, bir şelalenin kükremesi, bir kişinin söylediği sözler, gök gürültüsü, depremler.

Fizik açısından, fiziksel bir fenomen olarak ses, duyulabilir frekanslar aralığında elastik bir ortamın (hava, sıvı ve katı) mekanik bir titreşimidir. İnsan kulağı, 16 ila 20.000 Hertz (Hz) frekansındaki titreşimleri algılar. Havada yayılan ses dalgalarına hava sesi denir. Katılarda yayılan ses frekanslarının salınımlarına yapısal ses veya ses titreşimi denir. 16 Hz'den daha az frekansa sahip dalgalara, 20 kHz'den daha yüksek frekanslara sahip ultrason - infrasound denir.

Titreşen bir cismin her zaman sesin kaynağı olduğunu öğrendik. Bu cisim, çevredeki havayı, elastik boyuna dalgaların yayılmaya başladığı harekete geçirir. Bu dalgalar kulağa ulaştığında sizi sallarlar. kulak zarı ve sesi hissediyoruz. Etkisi kulakta ses algısına neden olan mekanik dalgalara ses dalgaları denir. Ay'da canlılar olsaydı, duymaya ihtiyaçları olmazdı: Ay'da atmosfer yoktur ve havasız uzayda titreşecek hiçbir şey yoktur, ses yoktur.

Ses dalgalarının kökenini, yayılmasını ve özelliklerini inceleyen fizik dalına akustik denir. Akustik tam bir bilim olmaktan uzaktır.

Ansiklopedik yayınları analiz ettikten sonra, projenin yazarları hala insan işitmesinin gizemine ilişkin açıklamalarını beklediklerini buldular. İtalyan ustalar Amati, Stradivari ve Guarneri tarafından XVII-XVIII yüzyıllarda yapılan kemanların sırları bugüne kadar ortaya çıkmadı. Neden bu kadar çekici geliyorlar? Neden kemanın gövdesinin şeklini biraz değiştirerek sesini biraz artırabilirsiniz? Neden bir odada orkestranın çalımı tınısı ve güzelliği ile büyülüyor, diğerinde aynı ses tonları kayboluyor? Akustikte hala birçok önemli, çözülmemiş ve hatta gizemli problemler var.

Bilim, balıkların dilsiz veya sağır olmadıklarını, suda meydana gelen titreşimleri algıladıkları için ses çıkardıklarını ve duyduklarını kanıtlamıştır. İnsanlar onları yalnızca özel cihazların yardımıyla "duymayı" başarır.

Titreşimler de katılarda ortaya çıkar ve yayılır. Depremler sadece oluştukları yerde değil, onlarca, yüzlerce hatta binlerce kilometre öteden de hissedilir.

Ses dalgaları, bozulmamış ortam p0'daki basınca kıyasla, basınç?p'de karşılık gelen bir değişiklikle, ortam içinde değişken sıkıştırma ve seyrekleşme bölgeleri yaratır.

Basıncın ±?p değişken bileşenine akustik basınç denir ve bir kişinin ses algısını belirler.

Ses duyusuna neden olmak için, dalgaların duyma eşiği adı verilen belirli bir minimum yoğunluğa sahip olması gerekir. Kişiden kişiye değişir ve büyük ölçüde sesin frekansına bağlıdır. İnsan kulağı en çok 1000 ile 6000 Hz arasındaki frekanslara duyarlıdır.

Bu nedenle, sesin algılanması için üç koşulun karşılanması gerekir: 1) Titreşimlerin kaynağı, frekansı belirli bir (ses) frekans aralığında değişecek şekilde olmalıdır; 2) ortam esnek olmalıdır; 3) Ses dalgasının gücü, sesin algılanmasını sağlamak için yeterli olmalıdır.

Ses dalgaları ortama bağlı olan bir hızda hareket eder. Bir şimşek çakmasının her zaman gök gürültüsünden önce geldiği bilinmektedir. Fırtına uzaktaysa, gök gürültüsü gecikmesi birkaç on saniyeye ulaşabilir.

Projenin teorik kısmı üzerinde çalışırken Fransız bilim adamı Laplace'ın 1822'de sesin hızını doğru bir şekilde hesapladığını öğrendik. Paris yakınlarında bir deney kuruldu. Tanınmış bilim adamları buna katıldı - Gay-Lussac, Arago, Humboldt ve diğerleri.Sıcaklık arttıkça sesin hızının arttığı doğrulandı. Kuru havada, 0°C'de 331.5 m/s ve 20°C - 344 m/s'dir. Ve alüminyum ve çelikte - yaklaşık 5000 m / s. Örneğin, çanlar aynı frekansta ses dalgaları yayar, ancak dalga boyu daha hızlı yayıldığı ortamda daha uzundur.

Daha doğrusu 0°C'de ses hızı 330 m/s, suda 8°C'de 1435 m/s, çelikte - 5000 m/s'dir. Örneğin, hareket halindeki bir trenin sesi raylar boyunca havadan çok daha hızlı hareket eder, bu nedenle kulağınızı raylara koyarak trenin yaklaştığını çok daha erken tespit edebilirsiniz.

Yolunda herhangi bir engel yoksa ses, sondaj gövdesinden her yöne eşit olarak yayılır. Ancak her engel yayılmasını sınırlayamaz. Ses, örneğin bir ışık huzmesi gibi küçük bir karton levha tarafından korunamaz. Ses dalgaları, herhangi bir dalga gibi, engellerin etrafından dolaşabilir, boyutları dalga boyundan daha küçükse onları "fark etmez". Havada duyulan ses dalgalarının uzunluğu 15 m ila 0,015 m arasında değişmektedir.Yollarındaki engeller daha küçükse (örneğin, hafif ormanlardaki ağaç gövdeleri), dalgalar basitçe etraflarında dolaşır. Büyük bir engel (duvar, ev, kaya), ses dalgalarını ışık dalgalarıyla aynı yasaya göre yansıtır: gelme açısı yansıma açısına eşittir. Bu şekilde bir yankı oluşur. Hem dağlarda hem de ormanla çevrili ovalarda duyulabilir ve dağlarda yankı bulmak çok daha zordur.

Ses ince duvarlardan duyulur çünkü onları titreştirir ve sesi zaten başka bir odada yeniden üretiyor gibi görünürler, bu yüzden biraz bozulacaktır. İyi ses yalıtım malzemeleri - yün, yumuşacık halılar, köpük betondan yapılmış duvarlar veya gözenekli kuru sıva - hava ile katı bir gövde arasında çok sayıda arayüze sahip olmaları bakımından farklılık gösterir. Bu yüzeylerin her birinden geçerken ses tekrar tekrar yansıtılır. Ancak buna ek olarak, sesin yayıldığı ortamın kendisi onu emer. Aynı ses, temiz havada, hava ve su damlacıkları arasındaki arayüz tarafından emildiği siste göre daha iyi ve daha uzakta duyulur.

Farklı frekanslardaki ses dalgaları havada farklı şekilde emilir. Daha güçlü - yüksek sesler, daha az - düşük, örneğin bas. Bu nedenle geminin düdüğü çok düşük bir ses çıkarır (kural olarak frekansı 50 Hz'den fazla değildir): çok uzaklardan düşük bir ses duyulur. Infrasounds özellikle suda daha az emilir: balıklar onları onlarca ve yüzlerce kilometre öteden duyar. Ancak ultrason çok hızlı bir şekilde emilir: 1 MHz frekanslı ultrason havada zaten 2 cm mesafede yarı yarıya azaltılır.

Fiziksel olarak sesin perdesini, tınısını, hacmini ayırt edebiliyoruz.

Bir sesin ayırt edilebilir ilk niteliği, yüksekliğidir. Farklı insanlar için aynı ses hem yüksek hem de sessiz görünebilir. Ancak aynı kişiye, ses dalgasının salınımlarının genliğinin daha büyük olduğu bu sesler daha yüksek görünüyor. Bir sesin hacmindeki herhangi bir değişiklik, titreşimlerin genliğinde bir değişiklikten kaynaklanır.

Bir sesin ikinci kalitesi perdesidir. Kesin olarak tanımlanmış bir titreşim frekansına karşılık gelen bir sese ton denir. Ses tonu kavramı, Galileo Galilei tarafından akustikle tanıştırıldı. Bir sesin tonu, ses dalgasındaki basıncın değiştiği frekans tarafından belirlenir. Sesin frekansı ne kadar yüksek olursa, ton o kadar yüksek olur. Diyafram çatalı adı verilen bir cihazı kullanarak çeşitli tonlarda sesler alabilirsiniz.

Diyaframın ayaklarından birine çekiçle vurarak belirli bir sesin sesini duyabilirsiniz. Çeşitli boyutlardaki akort çatalları, çeşitli tonlardaki sesleri yeniden üretir. Ses dalgaları, akort çatallarının titreşen ayakları tarafından heyecanlanır.

Titreşen cisimler aynı anda sadece bir ton üretseydi, bir kişinin sesini diğerinin sesinden ayırt edemezdik ve tüm müzik aletleri bize aynı gelirdi. Titreşen herhangi bir cisim aynı anda birkaç tonda ve aynı zamanda çeşitli güçlerde sesler yaratır. Bunlardan en düşük olanı temel ton olarak adlandırılır; ana tonlara eşlik eden daha yüksek tonlar, üst tonlardır. Ortak bir seste, ana ton ve tonlar sesin tınısını oluşturur. Her müzik aletinin, her insan sesinin kendi tınısı, kendi ses "rengi" vardır. Bir tını, tonların sayısı ve gücü bakımından diğerinden farklıdır. Temel tonun sesinde ne kadar çoksa, sesin tınısı o kadar hoş olur.

Ses, bir ortamdaki (genellikle havadaki) görünmeyen ancak insan kulağı tarafından algılanabilen elastik dalgalardır (dalga kulak zarına etki eder). Ses dalgası, boyuna bir sıkıştırma ve seyrekleşme dalgasıdır.

Bir boşluk yaratırsak sesleri ayırt edebilecek miyiz? Robert Boyle, 1660 yılında bir cam kaba bir saat yerleştirdi. Havayı dışarı pompaladığında ses duymadı. Tecrübe bunu kanıtlıyor sesi yaymak için bir ortama ihtiyaç vardır.

Ses, sıvı ve katı ortamlarda da yayılabilir. Suyun altında taşların etkisini net bir şekilde duyabilirsiniz. Saati bir kenara koyalım tahta. Kulağınızı diğer uca koyarak saatin tik taklarını net bir şekilde duyabilirsiniz.

Ses dalgası ahşapta yayılır

Sesin kaynağı mutlaka salınan bir cisimdir. Örneğin, bir gitar teli normal durumunda ses çıkarmaz, ancak onu salınım yapar yapmaz bir ses dalgası ortaya çıkar.

Ancak deneyimler, titreşen her cismin bir ses kaynağı olmadığını göstermektedir. Örneğin, ipte asılı duran bir ağırlık ses çıkarmaz. Gerçek şu ki, insan kulağı tüm dalgaları algılamaz, yalnızca 16 Hz ila 20.000 Hz arasında salınan cisimler oluşturanları algılar. Bu tür dalgalara denir ses. Frekansı 16 Hz'den küçük olan salınımlara denir. kızılötesi. 20.000 Hz'den büyük frekanslı salınımlara denir. ultrason.

ses hızı

Ses dalgaları anında değil, belirli bir sonlu hızla (düzgün hareketin hızına benzer) yayılır.

Bu nedenle bir fırtına sırasında önce şimşek yani ışık görürüz (ışık hızı ses hızından çok daha fazladır) ve sonra ses duyulur.

Sesin hızı ortama bağlıdır: katılarda ve sıvılarda sesin hızı havadakinden çok daha fazladır. Bunlar tablo şeklinde ölçülen sabitlerdir. Ortamın sıcaklığı arttıkça sesin hızı artar, azaldıkça azalır.

Sesler farklıdır. Sesi karakterize etmek için özel miktarlar tanıtılır: sesin yüksekliği, perdesi ve tınısı.

Sesin yüksekliği, salınımların genliğine bağlıdır: salınımların genliği ne kadar büyükse, ses o kadar yüksek olur. Ayrıca sesin şiddetinin kulağımız tarafından algılanması, ses dalgasındaki titreşimlerin frekansına bağlıdır. Daha yüksek frekanslı dalgalar daha gürültülü olarak algılanır.

Ses dalgasının frekansı perdeyi belirler. Ses kaynağının titreşim frekansı ne kadar yüksekse, ürettiği ses de o kadar yüksek olur. İnsan sesleri perdelerine göre çeşitli aralıklara ayrılır.

Farklı kaynaklardan gelen sesler, farklı frekanslardaki harmonik titreşimlerin birleşimidir. En büyük periyodun (en düşük frekans) bileşenine temel ton denir. Ses bileşenlerinin geri kalanı tonlardır. Bu bileşenlerin seti, sesin rengini, tınısını oluşturur. Farklı insanların seslerindeki tınıların toplamı en azından biraz farklıdır, ancak bu belirli bir sesin tınısını belirler.

Eko. Çeşitli engellerden (dağlar, ormanlar, duvarlar, büyük binalar vb.) gelen ses yansımasının bir sonucu olarak bir yankı oluşur. Yankı, yalnızca yansıyan ses, orijinal olarak konuşulan sesten ayrı olarak algılandığında meydana gelir. Çok sayıda yansıtıcı yüzey varsa ve bunlar bir kişiden farklı mesafelerdeyse, yansıyan ses dalgaları ona farklı zamanlarda ulaşacaktır. Bu durumda, yankı çoklu olacaktır. Yankıyı duyabilmek için engel kişiden 11 m uzaklıkta olmalıdır.

Ses yansıması. Ses pürüzsüz yüzeylerden yansır. Bu nedenle, bir korna kullanırken, ses dalgaları her yöne dağılmaz, ancak ses gücünün arttığı ve daha büyük bir mesafeye yayıldığı için dar bir ışın oluşturur.

Bazı hayvanlar (örneğin bir yarasa, bir yunus) ultrasonik titreşimler yayar ve ardından engellerden yansıyan dalgayı algılar. Böylece çevredeki nesnelere olan konumu ve mesafeyi belirlerler.

ekolokasyon. Bu, cisimlerin konumlarını onlardan yansıyan ultrasonik sinyallerle belirleme yöntemidir. Navigasyonda yaygın olarak kullanılır. gemilerde yüklü sonarlar- su altı nesnelerini tanımak ve dibin derinliğini ve topografyasını belirlemek için cihazlar. Kabın dibine bir verici ve bir ses alıcısı yerleştirilmiştir. Verici kısa sinyaller verir. Bilgisayar, geri dönen sinyallerin gecikme süresini ve yönünü analiz ederek, sesi yansıtan nesnenin konumunu ve boyutunu belirler.

Ultrason, makine parçalarındaki çeşitli hasarları (boşluk, çatlak vb.) tespit etmek ve belirlemek için kullanılır. Bu amaçla kullanılan cihaza denir. ultrasonik kusur dedektörü. Kısa bir akış ultrasonik sinyaller içindeki homojensizliklerden yansıyan ve geri dönen alıcıya düşer. Kusurun olmadığı yerlerde, sinyaller parçadan önemli yansıma olmadan geçer ve alıcı tarafından kaydedilmez.

Ultrason, tıpta belirli hastalıkları teşhis etmek ve tedavi etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. X-ışınlarından farklı olarak dalgalarının dokular üzerinde zararlı bir etkisi yoktur. Tanısal Ultrason (ABD) izin vermeden cerrahi müdahale tanımak patolojik değişiklikler organlar ve dokular. Özel bir cihaz, vücudun belirli bir bölgesine 0,5 ila 15 MHz frekansında ultrasonik dalgalar gönderir, bunlar incelenen organdan yansır ve bilgisayar görüntüsünü ekranda gösterir.

Infrasound, çeşitli ortamlarda düşük absorpsiyon ile karakterize edilir, bunun sonucunda hava, su ve yer kabuğundaki infrasonik dalgalar çok uzun mesafelerde yayılabilir. Bu fenomen bulunur pratik kullanım de yerleri belirlemek güçlü patlamalar veya ateş eden silahın konumu. Denizde uzun mesafeler boyunca kızılötesi yayılımı mümkün kılar doğal afet tahminleri- tsunami. Denizanası, kabuklular, vb. infrasoundları algılayabilir ve bir fırtınanın başlangıcından çok önce yaklaştığını hisseder.

makalenin içeriği

SES VE AKUSTİK. Ses titreşimlerdir, yani. elastik ortamda periyodik mekanik bozulma - gaz, sıvı ve katı. Böyle bir öfke, bazı fiziksel değişim bir ortamda (örneğin, yoğunluk veya basınçtaki bir değişiklik, parçacıkların yer değiştirmesi), içinde bir ses dalgası şeklinde yayılır. Ses dalgalarının kaynağı, yayılımı, alımı ve işlenmesi ile ilgilenen fizik alanına akustik denir. Bir ses, frekansı insan kulağının duyarlılığının ötesindeyse veya katı gibi kulakla doğrudan teması olmayan bir ortamda yayılıyorsa veya enerjisi ortamda hızla dağılıyorsa duyulmayabilir. Bu nedenle, bizim için olağan ses algılama süreci, akustiğin sadece bir yüzüdür.

SES DALGALARI

Hava ile dolu uzun bir boru düşünün. Sol uçtan, içine duvarlara sıkıca tutturulmuş bir piston sokulur (Şekil 1). Piston keskin bir şekilde sağa hareket ettirilir ve durdurulursa, yakın çevresindeki hava bir an için sıkıştırılacaktır (Şekil 1, a). Daha sonra basınçlı hava genişleyecek, yanındaki havayı sağa doğru itecek ve başlangıçta pistonun yanında görünen sıkıştırma alanı boru boyunca sabit bir hızda hareket edecektir (Şekil 1, b). Bu sıkıştırma dalgası gazdaki ses dalgasıdır.

Bir gazdaki ses dalgası, aşırı basınç, aşırı yoğunluk, parçacıkların yer değiştirmesi ve hızları ile karakterize edilir. Ses dalgaları için denge değerlerinden bu sapmalar her zaman küçüktür. Böylece dalgayla ilişkili aşırı basınç, gazın statik basıncından çok daha azdır. Aksi takdirde, başka bir fenomenle uğraşıyoruz - bir şok dalgası. Sıradan konuşmaya karşılık gelen bir ses dalgasında, aşırı basınç, atmosfer basıncının yalnızca milyonda biri kadardır.

Maddenin ses dalgası tarafından taşınmaması önemlidir. Bir dalga, havadan geçen ve ardından havanın denge durumuna geri döndüğü geçici bir bozulmadır.

Dalga hareketi elbette sadece sese özgü değildir: ışık ve radyo sinyalleri dalgalar şeklinde hareket eder ve herkes su yüzeyindeki dalgalara aşinadır. Tüm dalga türleri matematiksel olarak dalga denklemi ile tanımlanır.

harmonik dalgalar.

Şekildeki borudaki dalga. 1'e ses darbesi denir. Piston bir yaydan asılı bir ağırlık gibi ileri geri titreştiğinde çok önemli bir dalga türü oluşur. Bu tür salınımlara basit harmonik veya sinüzoidal denir ve bu durumda uyarılan dalgaya harmonik denir.

Basit harmonik titreşimlerle hareket periyodik olarak tekrarlanır. İki özdeş hareket durumu arasındaki zaman aralığına salınım periyodu, saniyedeki tam periyotların sayısına ise salınım frekansı denir. periyodu ile gösterelim T ve frekans üzerinden f; o zaman biri yazabilir f= 1/T.Örneğin, frekans saniyede 50 periyot (50 Hz) ise, periyot saniyenin 1/50'sidir.

Matematiksel olarak basit harmonik salınımlar basit bir fonksiyonla tanımlanır. Her an için basit harmonik salınımlarla piston yer değiştirmesi tşeklinde yazılabilir

Burada d- pistonun denge konumundan yer değiştirmesi ve D miktarın maksimum değerine eşit olan sabit bir çarpandır. d ve yer değiştirme genliği olarak adlandırılır.

Pistonun harmonik salınım formülüne göre salındığını varsayalım. Daha sonra sağa hareket ettiğinde daha önce olduğu gibi sıkıştırma meydana gelir ve sola hareket ettiğinde basınç ve yoğunluk denge değerlerine göre azalacaktır. Sıkıştırma değil, gazın seyrekleşmesi var. Bu durumda, sağ, Şekil 2'de gösterildiği gibi yayılacaktır. 2, değişen bir sıkıştırma ve seyrekleşme dalgası. Zamanın her anında, borunun uzunluğu boyunca basınç dağılım eğrisi bir sinüzoid şeklinde olacak ve bu sinüzoid ses hızında sağa doğru hareket edecektir. v. Aynı dalga fazları arasındaki (örneğin, bitişik maksimumlar arasındaki) boru boyunca olan mesafeye dalga boyu denir. Genellikle Yunan harfi ile gösterilir. ben(lambda). dalga boyu ben dalganın zamanda kat ettiği mesafedir T. Bu yüzden ben = televizyon, veya v = lf.

Boyuna ve enine dalgalar.

Parçacıklar dalga yayılma yönüne paralel olarak salınım yapıyorsa, dalga boyuna olarak adlandırılır. Yayılma yönüne dik olarak salınırlarsa, dalgaya enine dalga denir. Gazlarda ve sıvılarda ses dalgaları boyunadır. Katılarda her iki türden de dalga vardır. Sertliği (şekil değişikliğine karşı direnç) nedeniyle bir katıda enine dalga mümkündür.

Bu iki dalga türü arasındaki en önemli fark, bir kesme dalgası özelliğine sahip olmasıdır. polarizasyon(salınımlar belirli bir düzlemde meydana gelir), ancak uzunlamasına olan olmaz. Sesin kristallerden yansıması ve iletilmesi gibi bazı olaylarda, tıpkı ışık dalgalarında olduğu gibi, parçacıkların yer değiştirme yönüne çok bağlıdır.

Ses dalgalarının hızı.

Sesin hızı, dalganın yayıldığı ortamın bir özelliğidir. İki faktör tarafından belirlenir: malzemenin esnekliği ve yoğunluğu. Katıların elastik özellikleri, deformasyon tipine bağlıdır. Bu nedenle, bir metal çubuğun elastik özellikleri, burulma, sıkıştırma ve eğilme sırasında aynı değildir. Ve karşılık gelen dalga salınımları farklı hızlarda yayılır.

Elastik bir ortam, burulma, sıkıştırma veya eğilme olsun, deformasyonun deformasyona neden olan kuvvetle orantılı olduğu bir ortamdır. Bu tür malzemeler Hooke yasasına tabidir:

Gerilim = Cґ Bağıl deformasyon,

nerede İTİBAREN malzemeye ve deformasyon tipine bağlı olarak elastisite modülüdür.

ses hızı v belirli bir elastik deformasyon türü için ifade ile verilir

nerede r malzemenin yoğunluğudur (birim hacimdeki kütle).

Katı bir çubukta sesin hızı.

Uzun bir çubuk, ucuna uygulanan kuvvetle gerilebilir veya sıkıştırılabilir. Çubuğun uzunluğu olsun L uygulanan çekme kuvveti F, ve uzunluktaki artış D L. D değeri L/L bağıl deformasyonu arayacağız ve çubuğun enine kesitinin birim alanı başına kuvvet stres olarak adlandırılacaktır. Yani voltaj F/A, nerede ANCAK -çubuğun kesit alanı. Böyle bir çubuğa uygulandığında, Hooke yasası şu şekildedir:

nerede Y Young modülüdür, yani çubuğun malzemesini karakterize eden, çekme veya sıkıştırma için çubuğun elastisite modülü. Young modülü, kauçuk gibi kolay gerilebilir malzemeler için düşük ve çelik gibi sert malzemeler için yüksektir.

Şimdi çubuğun ucuna bir çekiçle vurarak içinde bir sıkıştırma dalgası uyandırırsak, o zaman bir hızla yayılacaktır. r, daha önce olduğu gibi, çubuğun yapıldığı malzemenin yoğunluğudur. Bazı tipik malzemeler için dalga hızlarının değerleri Tablo'da verilmiştir. bir.

Çubuktaki dikkate alınan dalga bir sıkıştırma dalgasıdır. Ancak, çubuğun yan yüzeyinin hareketi sıkıştırma ile ilişkili olduğundan, kesinlikle uzunlamasına olarak kabul edilemez (Şekil 3, a).

Çubukta başka iki tür dalga da mümkündür - bir bükülme dalgası (Şekil 3, b) ve bir burulma dalgası (Şekil 3, içinde). Eğilme deformasyonları, ne tamamen boyuna ne de tamamen enine olan bir dalgaya karşılık gelir. Burulma deformasyonları, yani çubuğun ekseni etrafında dönmesi, tamamen enine bir dalga verir.

Bir çubuktaki bükülen dalganın hızı dalga boyuna bağlıdır. Böyle bir dalgaya "dağıtıcı" denir.

Çubuktaki burulma dalgaları tamamen eninedir ve dağılmaz. Hızları formül tarafından verilir

nerede m malzemenin kaymaya göre elastik özelliklerini karakterize eden kayma modülüdür. Bazı tipik kayma dalgası hızları Tablo 1'de verilmiştir. bir.

Genişletilmiş katı ortamda hız.

Büyük hacimli katı ortamlarda, sınırların etkisinin ihmal edilebileceği iki tür elastik dalga mümkündür: boyuna ve enine.

Boyuna dalgadaki deformasyon düzlemsel bir deformasyondur, yani. dalga yayılımı yönünde tek boyutlu sıkıştırma (veya seyrekleşme). Enine bir dalgaya karşılık gelen deformasyon, dalga yayılma yönüne dik bir kayma yer değiştirmesidir.

Katı malzemelerde boyuna dalgaların hızı, ifade ile verilir.

nerede C-L- basit düzlem deformasyonu için elastisite modülü. Hacim modülü ile ilgilidir. AT(aşağıda tanımlanmıştır) ve malzemenin kesme modülü m CL = B + 4/3m . Masada. 1, çeşitli katı malzemeler için boyuna dalgaların hızlarının değerlerini gösterir.

Genişletilmiş katı ortamdaki kesme dalgalarının hızı, aynı malzemeden bir çubuktaki burulma dalgalarının hızıyla aynıdır. Bu nedenle ifadesi ile verilir. Geleneksel katı malzemeler için değerleri Tabloda verilmiştir. bir.

gazlarda hız.

Gazlarda sadece bir tür deformasyon mümkündür: sıkıştırma - seyrekleşme. Karşılık gelen elastisite modülü AT yığın modülü denir. İlişki tarafından belirlenir

-D P = B(D V/V).

Burada D P– basınç değişikliği, D V/V hacimdeki göreli değişimdir. Eksi işareti, basınç arttıkça hacmin azaldığını gösterir.

Değer AT sıkıştırma sırasında gazın sıcaklığının değişip değişmediğine bağlıdır. Ses dalgası durumunda, basıncın çok hızlı değiştiği ve sıkıştırma sırasında açığa çıkan ısının sistemden çıkmak için zamanı olmadığı gösterilebilir. Böylece ses dalgasındaki basınç değişikliği, çevredeki parçacıklarla ısı alışverişi olmadan gerçekleşir. Böyle bir değişikliğe adyabatik denir. Bir gazdaki sesin hızının sadece sıcaklığa bağlı olduğu tespit edilmiştir. Belirli bir sıcaklıkta, sesin hızı tüm gazlar için yaklaşık olarak aynıdır. 21.1 °C sıcaklıkta kuru havada sesin hızı 344,4 m/s'dir ve artan sıcaklıkla artar.

Sıvılarda hız.

Sıvılardaki ses dalgaları, gazlarda olduğu gibi sıkıştırma - seyrekleşme dalgalarıdır. Hız aynı formülle verilir. Bununla birlikte, bir sıvı bir gazdan çok daha az sıkıştırılabilir ve bu nedenle miktar AT, daha fazla ve yoğunluk r. Sesin sıvılardaki hızı, katılardaki hıza gazlardakinden daha yakındır. Gazlardan çok daha küçüktür ve sıcaklığa bağlıdır. Örneğin, içindeki hız temiz su 15.6 ° C'de 1460 m / s'ye eşittir. B deniz suyu aynı sıcaklıkta normal tuzluluk 1504 m/s'dir. Artan su sıcaklığı ve tuz konsantrasyonu ile sesin hızı artar.

duran dalgalar

Harmonik bir dalga sınırlı bir alanda uyarıldığında sınırların dışına sektiğinde, duran dalgalar meydana gelir. Duran dalga, biri ileri, diğeri zıt yönde hareket eden iki dalganın üst üste binmesinin sonucudur. Değişen antinodlar ve düğümler ile uzayda hareket etmeyen bir salınım modeli vardır. Antinodlarda, salınan parçacıkların denge konumlarından sapmaları maksimumdur ve düğümlerde sıfıra eşittir.

Bir ipte duran dalgalar.

Gerilmiş bir ipte, enine dalgalar ortaya çıkar ve ip orijinal, doğrusal konumuna göre yer değiştirir. Bir dizideki dalgaları fotoğraflarken, temel ton ve imaların düğümleri ve antinodları açıkça görülebilir.

Duran dalgaların resmi, belirli bir uzunluktaki bir dizinin salınım hareketlerinin analizini büyük ölçüde kolaylaştırır. Bir uzunluk dizisi olsun L uçlarına takılır. Böyle bir sicimin her türlü titreşimi, duran dalgaların bir kombinasyonu olarak gösterilebilir. İpin uçları sabit olduğundan, yalnızca sınır noktalarında düğümleri olan bu tür durağan dalgalar mümkündür. Bir dizinin en düşük titreşim frekansı, mümkün olan maksimum dalga boyuna karşılık gelir. Düğümler arası uzaklık olduğundan ben/2, dizi uzunluğu dalga boyunun yarısına eşit olduğunda frekans minimumdur, yani. de ben= 2L. Bu, sicim titreşiminin sözde temel modudur. Temel frekans veya temel ton olarak adlandırılan karşılık gelen frekansı şu şekilde verilir: f = v/2L, nerede v sicim boyunca dalga yayılma hızıdır.

Daha fazla düğüme sahip duran dalgalara karşılık gelen bir dizi daha yüksek frekanslı salınım dizisi vardır. İkinci harmonik veya birinci ton olarak adlandırılan bir sonraki yüksek frekans,

f = v/L.

Harmonik dizisi formülle ifade edilir. f = nv/2L, nerede n= 1, 2, 3, vb. Bu sözde. sicim titreşimlerinin öz frekansları. Doğal sayılarla orantılı olarak artarlar: 2, 3, 4...vb'de daha yüksek harmonikler. temel frekansın çarpımıdır. Böyle bir dizi sese doğal veya harmonik ölçek denir.

Bütün bunlar, aşağıda daha ayrıntılı olarak tartışılacak olan müzik akustiğinde büyük önem taşımaktadır. Şimdilik, bir dize tarafından üretilen sesin tüm doğal frekansları içerdiğini not ediyoruz. Her birinin göreceli katkısı, sicimin titreşimlerinin uyarıldığı noktaya bağlıdır. Örneğin, bir dize ortasından koparılırsa, bu nokta antinoda karşılık geldiğinden, temel frekans en çok uyarılacaktır. Düğümü merkezde olduğu için ikinci harmonik olmayacaktır. Aynısı diğer harmonikler için de söylenebilir ( aşağıya bakınız müzik akustiği).

İpteki dalgaların hızı,

nerede T - ip gerginliği ve rL - dizenin birim uzunluğu başına kütle. Bu nedenle, dizenin doğal frekans spektrumu şu şekilde verilir:

Böylece, tel gerilimindeki bir artış, titreşim frekanslarında bir artışa yol açar. Belirli bir salınım frekansını düşürmek için T daha ağır bir ip alarak (büyük r L) veya uzunluğunu artırmak.

Organ borularında duran dalgalar.

Bir iple ilgili olarak belirtilen teori, organ tipi bir borudaki hava titreşimlerine de uygulanabilir. Bir organ borusu, basitçe, içinde duran dalgaların uyarıldığı düz bir boru olarak görülebilir. Borunun hem kapalı hem de açık uçları olabilir. Açık uçta duran dalganın bir antinodu ve kapalı uçta bir düğüm oluşur. Bu nedenle, iki ucu açık olan bir borunun, dalga boyunun yarısının borunun uzunluğu boyunca uyduğu bir temel frekans vardır. Öte yandan, bir ucu açık ve diğer ucu kapalı olan bir boru, dalga boyunun dörtte birinin borunun uzunluğu boyunca uyduğu temel bir frekansa sahiptir. Böylece, her iki ucu açık olan bir borunun temel frekansı, f =v/2L ve bir ucu açık olan bir boru için, f = v/4L(nerede L borunun uzunluğudur). İlk durumda, sonuç dizeyle aynıdır: imalar ikili, üçlü vb. temel frekansın değeri. Bununla birlikte, bir ucu açık olan bir boru için, tonlar temel frekanstan 3, 5, 7, vb. daha büyük olacaktır. bir Zamanlar.

Şek. Şekil 4 ve 5, ele alınan iki tipteki borular için temel frekansın duran dalgalarını ve birinci tonunu şematik olarak göstermektedir. Kolaylık nedeniyle, ötelemeler burada enine olarak gösterilmiştir, ancak aslında uzunlamasınadırlar.

rezonans salınımları.

Duran dalgalar, rezonans fenomeni ile yakından ilişkilidir. Yukarıda tartışılan doğal frekanslar aynı zamanda bir sicim veya organ borusunun rezonans frekanslarıdır. Bir org borusunun açık ucunun yakınına bir hoparlörün yerleştirildiğini ve istendiğinde değiştirilebilen belirli bir frekansta bir sinyal yaydığını varsayalım. Daha sonra, hoparlör sinyalinin frekansı borunun ana frekansıyla veya onun üst tonlarından biriyle çakışıyorsa, boru çok yüksek ses çıkaracaktır. Bunun nedeni, hoparlörün hava sütununun titreşimlerini önemli bir genlikle uyarmasıdır. Trompetin bu koşullar altında rezonansa girdiği söylenir.

Fourier analizi ve sesin frekans spektrumu.

Uygulamada, tek bir frekansın ses dalgaları nadirdir. Ancak karmaşık ses dalgaları harmoniklere ayrıştırılabilir. Bu yönteme, (ısı teorisinde) ilk uygulayan Fransız matematikçi J. Fourier'den (1768-1830) dolayı Fourier analizi adı verilir.

Ses titreşimlerinin frekansa karşı bağıl enerjisinin grafiğine sesin frekans spektrumu denir. Bu tür spektrumların iki ana türü vardır: ayrık ve sürekli. Ayrık spektrum, boşluklarla ayrılmış frekanslar için ayrı hatlardan oluşur. Tüm frekanslar, bandındaki sürekli spektrumda bulunur.

Periyodik ses titreşimleri.

Titreşim süreci, ne kadar karmaşık olursa olsun, belirli bir zaman aralığından sonra tekrarlanıyorsa, ses titreşimleri periyodiktir. Spektrumu her zaman kesiklidir ve belirli bir frekansın harmoniklerinden oluşur. Dolayısıyla "harmonik analiz" terimi. Bir örnek, dikdörtgen salınımlardır (Şekil 6, a) genlikte bir değişiklik ile +Aönceki - ANCAK ve dönem T= 1/f. Başka bir basit örnek, Şekil 2'de gösterilen üçgen testere dişi salınımıdır. 6, b. Karşılık gelen harmonik bileşenlerle daha karmaşık bir formun periyodik salınımlarının bir örneği, Şek. 7.

Müzikal sesler periyodik titreşimlerdir ve bu nedenle harmonikler (tonlar) içerirler. Bir dizide, temel frekansın salınımları ile birlikte, diğer harmoniklerin bir dereceye kadar uyarıldığını gördük. Her bir tonun göreceli katkısı, telin uyarılma şekline bağlıdır. Tonlar kümesi büyük ölçüde tarafından belirlenir tını müzikal ses. Bu konular aşağıda müzik akustiği bölümünde daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.

Bir ses darbesinin spektrumu.

Sesin olağan çeşitliliği kısa süreli seslerdir: el çırpma, kapıya vurma, yere düşen bir nesnenin sesi, guguk kuşu. Bu tür sesler ne periyodik ne de müzikaldir. Ancak aynı zamanda bir frekans spektrumuna da ayrılabilirler. Bu durumda, spektrum sürekli olacaktır: sesi tanımlamak için, oldukça geniş olabilen belirli bir bant içinde tüm frekanslara ihtiyaç vardır. İlgili elektronik sistemin tüm bu frekansları eşit derecede “geçmesi” gerektiğinden, bu tür sesleri bozulma olmadan yeniden üretmek için böyle bir frekans spektrumunu bilmek gereklidir.

Bir ses darbesinin temel özellikleri, basit bir biçim darbesi dikkate alınarak açıklanabilir. Sesin D süresinin bir salınımı olduğunu varsayalım. t, basınçtaki değişikliğin Şekil 1'de gösterildiği gibi olduğu. sekiz, a. Bu durum için yaklaşık bir frekans spektrumu Şekil 2'de gösterilmektedir. sekiz, b. Merkez frekansı, aynı sinyal süresiz olarak uzatılsaydı sahip olacağımız titreşimlere karşılık gelir.

Frekans spektrumunun uzunluğuna bant genişliği D denir. f(Şek. 8, b). Bant genişliği, orijinal darbeyi aşırı bozulma olmadan yeniden üretmek için gereken yaklaşık frekans aralığıdır. D arasında çok basit bir temel ilişki vardır. f ve D t, yani

D f D t" bir.

Bu ilişki tüm ses darbeleri için geçerlidir. Bunun anlamı, darbe ne kadar kısa olursa, içerdiği frekans o kadar fazla olur. Bir denizaltıyı tespit etmek için bir sonar kullanıldığını, 0,0005 s süreli ve 30 kHz sinyal frekansında bir darbe şeklinde ultrason yayan olduğunu varsayalım. Bant genişliği 1/0.0005 = 2 kHz'dir ve konum belirleme darbesinin spektrumunda fiilen bulunan frekanslar 29 ila 31 kHz aralığındadır.

Gürültü.

Gürültü, koordine olmayan birden çok kaynak tarafından üretilen herhangi bir sesi ifade eder. Bir örnek, rüzgar tarafından sallanan ağaç yapraklarının sesidir. Jet motoru gürültüsü, yüksek hızlı egzoz akımının türbülansından kaynaklanır. Gürültü, rahatsız edici bir ses olarak kabul edilir. ÇEVRE AKUSTİK KİRLİLİĞİ.

Ses yoğunluğu.

Ses seviyesi değişebilir. Bunun ses dalgasının taşıdığı enerjiden kaynaklandığını görmek kolaydır. Ses yüksekliğinin nicel karşılaştırmaları için ses şiddeti kavramını tanıtmak gerekir. Bir ses dalgasının yoğunluğu, dalga cephesinin birim alanından birim zamanda geçen ortalama enerji akışı olarak tanımlanır. Başka bir deyişle, sesi tamamen emecek tek bir alan (örneğin 1 cm2) alır ve onu dalga yayılma yönüne dik olarak yerleştirirsek, ses şiddeti bir saniyede emilen akustik enerjiye eşittir. . Yoğunluk genellikle W/cm2 (veya W/m2) olarak ifade edilir.

Bazı tanıdık sesler için bu değerin değerini veriyoruz. Normal bir konuşma sırasında meydana gelen aşırı basıncın genliği, yaklaşık olarak atmosfer basıncının milyonda biridir ve bu, 10-9 W/cm2 mertebesinde bir akustik ses yoğunluğuna karşılık gelir. Normal bir konuşma sırasında yayılan sesin toplam gücü yalnızca 0,00001 watt düzeyindedir. İnsan kulağının bu kadar küçük enerjileri algılama yeteneği, inanılmaz duyarlılığına tanıklık eder.

Kulağımız tarafından algılanan ses şiddeti aralığı çok geniştir. Kulağın taşıyabileceği en yüksek sesin yoğunluğu, duyabileceği minimum sesin yaklaşık 1014 katıdır. Ses kaynaklarının tam gücü eşit derecede geniş bir aralığı kapsar. Bu nedenle, çok sessiz bir fısıltı sırasında yayılan güç 10–9 W mertebesinde olabilirken, bir jet motorunun yaydığı güç 10–5 W'a ulaşır. Yine, yoğunluklar 10 14 faktörü ile farklılık gösterir.

Desibel.

Seslerin şiddeti çok farklı olduğu için logaritmik bir değer olarak düşünmek ve desibel cinsinden ölçmek daha uygundur. Yoğunluğun logaritmik değeri, miktarın dikkate alınan değerinin orijinal olarak alınan değerine oranının logaritmasıdır. yoğunluk seviyesi J koşullu olarak seçilen bazı yoğunluklara göre J 0

Ses şiddeti seviyesi = 10 lg ( J/J 0) dB.

Böylece, diğerinden 20 dB daha yoğun olan bir ses, 100 kat daha yoğundur.

Akustik ölçüm uygulamalarında, ses yoğunluğunu karşılık gelen aşırı basınç genliği cinsinden ifade etmek gelenekseldir. P e. Basınç, geleneksel olarak seçilen bazı basınca göre desibel cinsinden ölçüldüğünde R 0 , sözde ses basıncı seviyesini alın. Ses şiddeti büyüklükle orantılı olduğundan P e 2 ve lg( P e 2) = 2lg P e, ses basınç seviyesi şu şekilde belirlenir:

Ses basınç seviyesi = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Nominal basınç R 0 = 2×10–5 Pa, 1 kHz frekanslı ses için standart işitme eşiğine karşılık gelir. Masada. 2, bazı yaygın ses kaynakları için ses basıncı seviyelerini gösterir. Bunlar, tüm duyulabilir frekans aralığının ortalaması alınarak elde edilen integral değerlerdir.

Ses.

Ses basınç seviyesi, psikolojik ses yüksekliği algısı ile basit bir ilişki ile ilişkili değildir. Bu faktörlerden birincisi nesnel, ikincisi ise özneldir. Deneyler, ses yüksekliğinin algılanmasının sadece sesin yoğunluğuna değil, aynı zamanda frekansına ve deneysel koşullara da bağlı olduğunu göstermektedir.

Karşılaştırma koşullarına bağlı olmayan seslerin hacimleri karşılaştırılamaz. Yine de saf tonların karşılaştırılması ilgi çekicidir. Bunu yapmak için, belirli bir tonun 1000 Hz frekanslı standart bir ton olarak eşit derecede yüksek olarak algılandığı ses basınç seviyesini belirleyin. Şek. Şekil 9, Fletcher ve Manson'ın deneylerinde elde edilen eşit ses yüksekliği eğrilerini göstermektedir. Her eğri için, 1000 Hz'lik standart bir tonun karşılık gelen ses basıncı seviyesi belirtilir. Örneğin, 200 Hz'lik bir ton frekansında, 50 dB'lik bir ses basınç seviyesi ile 1000 Hz'lik bir tona eşit olarak algılanabilmesi için 60 dB'lik bir ses seviyesinin algılanması gerekir.

Bu eğriler, aynı zamanda desibel cinsinden ölçülen bir ses yüksekliği birimi olan uğultuyu tanımlamak için kullanılır. Arka plan, eşit derecede yüksek standart saf tonun (1000 Hz) ses basınç seviyesinin 1 dB olduğu ses seviyesidir. Yani 60 dB seviyesinde 200 Hz frekanslı bir sesin ses seviyesi 50 fondur.

Şek. 9, işitme eşiği eğrisidir iyi kulak. İşitilebilir frekans aralığı yaklaşık 20 ila 20.000 Hz arasındadır.

Ses dalgalarının yayılması.

Durgun suya atılan bir çakıl taşından gelen dalgalar gibi, ses dalgaları da her yöne yayılır. Böyle bir yayılma sürecini dalga cephesi olarak karakterize etmek uygundur. Dalga cephesi, tüm noktalarında salınımların aynı fazda meydana geldiği uzayda bir yüzeydir. Suya düşen bir çakıl taşının dalga cepheleri dairelerdir.

Düz dalgalar.

En basit formun dalga cephesi düzdür. Düzlem dalga yalnızca bir yönde yayılır ve pratikte yalnızca yaklaşık olarak gerçekleşen bir idealleştirmedir. Bir borudaki ses dalgası, kaynaktan çok uzaktaki küresel bir dalga gibi yaklaşık olarak düz olarak kabul edilebilir.

küresel dalgalar.

Basit dalga türleri, bir noktadan yayılan ve her yöne yayılan küresel bir cepheye sahip bir dalgayı içerir. Böyle bir dalga, küçük bir titreşimli küre kullanılarak uyarılabilir. Küresel bir dalgayı harekete geçiren kaynağa nokta kaynak denir. Böyle bir dalganın yoğunluğu yayılırken azalır, çünkü enerji her zamankinden daha büyük yarıçaplı bir küre üzerine dağılır.

Küresel bir dalga üreten bir nokta kaynak 4'lük bir güç yayarsa pQ, o zaman, yarıçaplı bir kürenin yüzey alanı r 4'e eşittir p r 2, küresel bir dalgadaki ses yoğunluğu şuna eşittir:

J = Q/r 2 ,

nerede r kaynaktan olan uzaklıktır. Böylece, küresel bir dalganın yoğunluğu, kaynaktan uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azalır.

Yayılması sırasında herhangi bir ses dalgasının yoğunluğu, sesin emilmesi nedeniyle azalır. Bu fenomen aşağıda tartışılacaktır.

Huygens ilkesi.

Huygens ilkesi, dalga ön yayılımı için geçerlidir. Bunu açıklığa kavuşturmak için, zamanın bir noktasında bildiğimiz dalga cephesinin şeklini ele alalım. Bir süre sonra bile bulunabilir D t, eğer ilk dalga cephesinin her noktası, bu aralıkta belirli bir mesafeye yayılan bir temel küresel dalganın kaynağı olarak kabul edilirse v D t. Tüm bu temel küresel dalga cephelerinin zarfı yeni dalga cephesi olacaktır. Huygens ilkesi, yayılma süreci boyunca dalga cephesinin şeklini belirlemeyi mümkün kılar. Aynı zamanda, hem düzlem hem de küresel dalgaların, ortamın homojen olması koşuluyla, yayılma sırasında geometrilerini koruduklarını ima eder.

ses kırınımı.

Kırınım, bir engelin etrafında bükülen dalgadır. Kırınım, Huygens ilkesi kullanılarak analiz edilir. Bu bükülmenin derecesi, dalga boyu ile engel veya deliğin boyutu arasındaki ilişkiye bağlıdır. Bir ses dalgasının dalga boyu ışığın dalga boyundan çok daha uzun olduğu için, ses dalgalarının kırınımı bizi ışığın kırınımından daha az şaşırtıyor. Böylece, görünmese de binanın köşesinde duran biriyle konuşabilirsiniz. Ses dalgası köşede kolayca bükülürken, ışık dalga boyunun küçüklüğü nedeniyle keskin gölgeler oluşturur.

Bir deliği olan düz bir ekran üzerinde bir düzlem ses dalgası olayının kırınımını düşünün. Ekranın diğer tarafındaki dalga cephesinin şeklini belirlemek için dalga boyu arasındaki ilişkiyi bilmeniz gerekir. ben ve delik çapı D. Bu değerler yaklaşık olarak aynıysa veya bençok daha fazla D, sonra tam kırınım elde edilir: giden dalganın dalga önü küresel olacak ve dalga ekranın arkasındaki tüm noktalara ulaşacaktır. Eğer ben biraz daha az D, o zaman giden dalga ağırlıklı olarak ileri yönde yayılacaktır. Ve son olarak, eğer ben daha az D, o zaman tüm enerjisi düz bir çizgide yayılacaktır. Bu durumlar Şekil 2 de gösterilmiştir. on.

Kırınım, ses yolunda bir engel olduğunda da gözlenir. Engelin boyutları dalga boyundan çok daha büyükse ses yansıtılır ve engelin arkasında akustik bir gölge bölgesi oluşur. Engelin boyutu dalga boyuna yakın veya ondan daha küçük olduğunda, ses bir dereceye kadar tüm yönlerde kırılır. Bu, mimari akustikte dikkate alınır. Bu nedenle, örneğin, bazen bir binanın duvarları, sesin dalga boyu sırasına göre boyutlara sahip çıkıntılarla kaplanır. (100 Hz frekansında havadaki dalga boyu yaklaşık 3,5 m'dir.) Bu durumda duvarlara düşen ses her yöne saçılır. Mimari akustikte bu fenomene ses difüzyonu denir.

Sesin yansıması ve iletimi.

Bir ortamda hareket eden bir ses dalgası, başka bir ortamla olan arayüze çarptığında, aynı anda üç işlem meydana gelebilir. Dalga arayüzden yansıyabilir, yön değiştirmeden başka bir ortama geçebilir veya arayüzde yön değiştirebilir, yani. kırmak. Şek. Şekil 11, iki farklı maddeyi ayıran düz bir yüzeye bir düzlem dalganın dik açılarla geldiği en basit durumu göstermektedir. Yansıyan enerjinin oranını belirleyen yoğunluk yansıma katsayısı, R, o zaman iletim katsayısı şuna eşit olacaktır: T = 1 – R.

Bir ses dalgası için, aşırı basıncın titreşimsel hacimsel hıza oranına akustik empedans denir. Yansıma ve iletim katsayıları, iki ortamın dalga empedanslarının oranına bağlıdır, dalga empedansları ise akustik empedanslarla orantılıdır. Gazların dalga direnci, sıvıların ve katılarınkinden çok daha azdır. Yani havadaki bir dalga kalın, katı bir cisme veya derin su yüzeyine çarparsa, ses neredeyse tamamen yansıtılır. Örneğin hava ve su sınırı için dalga dirençlerinin oranı 0.0003'tür. Buna göre havadan suya geçen sesin enerjisi, gelen enerjinin sadece %0,12'sine eşittir. Yansıma ve iletim katsayıları tersine çevrilebilir: yansıma katsayısı, ters yönde iletim katsayısıdır. Bu nedenle, ses pratik olarak havadan su havzasına veya suyun altından dışarıya, su altında yüzen herkes tarafından iyi bilinen şekilde nüfuz etmez.

Yukarıda ele alınan yansıma durumunda, dalga yayılımı yönünde ikinci ortamın kalınlığının büyük olduğu varsayılmıştır. Ancak, ikinci ortam, odalar arasında katı bir bölme gibi iki özdeş ortamı ayıran bir duvar ise, iletim katsayısı çok daha büyük olacaktır. Gerçek şu ki, duvar kalınlığı genellikle sesin dalga boyundan daha az veya onunla karşılaştırılabilir. Duvar kalınlığı, duvardaki ses dalga boyunun yarısının katıysa, dikey gelişteki dalganın iletim katsayısı çok büyüktür. Bölme, burada ihmal ettiğimiz absorpsiyon için olmasaydı, bu frekansın sesine kesinlikle şeffaf olurdu. Duvar kalınlığı, içindeki sesin dalga boyundan çok daha azsa, ses emilimini artırmak için özel önlemler alınmadıkça, yansıma her zaman küçüktür ve iletim büyüktür.

sesin kırılması.

Bir ara yüzey üzerine bir açıyla bir düzlem ses dalgası geldiğinde, yansıma açısı gelme açısına eşittir. Geliş açısı 90°'den farklıysa iletilen dalga gelen dalganın yönünden sapar. Dalganın yönündeki bu değişime kırılma denir. Düz bir sınırda kırılma geometrisi Şekil 'de gösterilmektedir. 12. Dalgaların yönü ile yüzeyin normali arasındaki açılar gösterilir. q 1 olay dalgası için ve q 2 - kırılmış geçmiş için. Bu iki açı arasındaki ilişki, yalnızca iki ortam için ses hızlarının oranını içerir. Işık dalgalarında olduğu gibi, bu açılar Snell (Snell) yasası ile birbirleriyle ilişkilidir:

Buna göre, sesin ikinci ortamdaki hızı birinci ortamdaki hızından küçükse kırılma açısı gelme açısından küçük, ikinci ortamdaki hız daha büyükse kırılma açısı daha büyük olacaktır. gelme açısından daha fazladır.

Sıcaklık gradyanı nedeniyle kırılma.

Homojen olmayan bir ortamda sesin hızı noktadan noktaya sürekli değişiyorsa, kırılma da değişir. Sesin hem havadaki hem de sudaki hızı sıcaklığa bağlı olduğundan, bir sıcaklık gradyanı varlığında ses dalgaları hareket yönünü değiştirebilir. Atmosferde ve okyanusta, yatay tabakalaşma nedeniyle, dikey sıcaklık gradyanları yaygın olarak gözlenir. Bu nedenle, düşey boyunca ses hızındaki değişiklikler nedeniyle, sıcaklık gradyanları nedeniyle ses dalgası yukarı veya aşağı sapabilir.

Dünya yüzeyine yakın bir yerde havanın daha yüksek katmanlardan daha sıcak olduğu durumu ele alalım. Daha sonra yükseklik arttıkça buradaki hava sıcaklığı düşer ve bununla birlikte ses hızı da düşer. Dünya yüzeyine yakın bir kaynaktan yayılan ses, kırılma nedeniyle yükselir. Bu, şekilde gösterilmiştir. Ses "ışınlarını" gösteren 13.

Şekil l'de gösterilen ses ışınlarının sapması. 13 genel olarak Snell kanunu ile tanımlanır. eğer aracılığıyla q, daha önce olduğu gibi, dikey ve radyasyon yönü arasındaki açıyı belirtir, daha sonra genelleştirilmiş Snell yasası eşitlik günahı biçimine sahiptir. q/v= kirişin herhangi bir noktasına atıfta bulunan const. Böylece kiriş hızın olduğu bölgeye geçerse v azalır, sonra açı q da azalmalıdır. Bu nedenle, ses ışınları daima azalan ses hızı yönünde sapar.

Şek. 13 Kaynaktan biraz uzakta, ses ışınlarının hiç girmediği bir bölge olduğu görülmektedir. Bu sözde sessizlik bölgesidir.

Şekilde gösterilenden daha yüksek bir yerde olması oldukça olasıdır. 13, sıcaklık gradyanı nedeniyle, sesin hızı yükseklikle artar. Bu durumda, başlangıçta yukarı doğru sapmış ses dalgası, burada, Dünya'nın yüzeyine büyük bir mesafede sapacaktır. Bu, atmosferde bir sıcaklık inversiyonu tabakası oluştuğunda meydana gelir, bunun sonucunda ultra uzun menzilli ses sinyalleri almak mümkün olur. Aynı zamanda, uzak noktalardaki alım kalitesi, yakın noktalardan bile daha iyidir. Tarihte çok uzun menzilli alımların birçok örneği olmuştur. Örneğin, Birinci Dünya Savaşı sırasında, atmosferik koşullar yeterli ses kırılmasını desteklediğinde, İngiltere'de Fransız cephesinde top sesleri duyulabilirdi.

Su altında sesin kırılması.

Okyanusta dikey sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan ses kırılması da gözlenir. Sıcaklık ve dolayısıyla sesin hızı derinlikle azalırsa, ses ışınları aşağı doğru sapar ve Şekil l'de gösterilene benzer bir sessizlik bölgesi ile sonuçlanır. Atmosfer için 13. Okyanus için, bu resim basitçe ters çevrilirse, ilgili resim ortaya çıkacaktır.

Sessiz bölgelerin varlığı, sonarlı denizaltıları tespit etmeyi zorlaştırır ve ses dalgalarını aşağı doğru saptıran kırılma, yüzeye yakın yayılma aralıklarını önemli ölçüde sınırlar. Bununla birlikte, yukarı doğru sapma da gözlenmektedir. Daha fazlasını yaratabilir uygun koşullar hidrolokasyon için.

Ses dalgalarının girişimi.

İki veya daha fazla dalganın üst üste gelmesine dalga girişimi denir.

Girişim sonucu duran dalgalar.

Yukarıdaki duran dalgalar özel bir girişim durumudur. Duran dalgalar, aynı genlik, faz ve frekansa sahip, zıt yönlerde yayılan iki dalganın üst üste binmesi sonucu oluşur.

Duran bir dalganın antinodlarındaki genlik, her bir dalganın genliğinin iki katına eşittir. Dalganın yoğunluğu, genliğinin karesiyle orantılı olduğundan, bu, antinodlardaki yoğunluğun, dalgaların her birinin yoğunluğundan 4 kat veya iki dalganın toplam yoğunluğundan 2 kat daha büyük olduğu anlamına gelir. Düğümlerdeki yoğunluk sıfır olduğu için burada enerjinin korunumu yasasının ihlali yoktur.

yener.

Farklı frekanslardaki harmonik dalgaların girişimi de mümkündür. İki frekans çok az farklılık gösterdiğinde, atımlar meydana gelir. Vuruşlar, orijinal frekanslar arasındaki farka eşit bir frekansta meydana gelen sesin genliğinde meydana gelen değişikliklerdir. Şek. 14 vuruş dalga biçimini gösterir.

Vuruş frekansının, sesin genlik modülasyonunun frekansı olduğu akılda tutulmalıdır. Ayrıca vuruşlar, harmonik bir sinyalin bozulmasından kaynaklanan frekans farkı ile karıştırılmamalıdır.

Vuruşlar genellikle iki tonu birlikte akort ederken kullanılır. Frekans, vuruşlar artık duyulmayıncaya kadar ayarlanır. Vuruş frekansı çok düşük olsa bile, insan kulağı sesin hacmindeki periyodik yükselme ve alçalışları algılayabilir. Bu nedenle vuruşlar, ses aralığında çok hassas bir ayarlama yöntemidir. Ayar doğru değilse, bir saniyedeki atım sayısı sayılarak frekans farkı kulak tarafından belirlenebilir. Müzikte, daha yüksek harmonik bileşenlerin vuruşları, piyano akort edilirken kullanılan kulak tarafından da algılanır.

Ses dalgalarının emilimi.

Ses dalgalarının yayılma sürecindeki yoğunluğu, akustik enerjinin belirli bir kısmının saçılması nedeniyle her zaman azalır. Isı transferi, moleküller arası etkileşim ve iç sürtünme süreçleri nedeniyle ses dalgaları herhangi bir ortamda emilir. Absorpsiyonun yoğunluğu, ses dalgasının frekansına ve ortamın basıncı ve sıcaklığı gibi diğer faktörlere bağlıdır.

Bir ortamdaki bir dalganın absorpsiyonu, absorpsiyon katsayısı ile nicel olarak karakterize edilir. a. Yayılan dalganın kat ettiği mesafeye bağlı olarak aşırı basıncın ne kadar hızlı azaldığını gösterir. Azalan aşırı basınç genliği –D P e D mesafesini geçerken X ilk aşırı basıncın genliği ile orantılı P e ve mesafe D X. Böylece,

-D P e = bir P e D x.

Örneğin, soğurma kaybının 1 dB/m olduğunu söylediğimizde bu, 50 m mesafede ses basınç seviyesinin 50 dB azaldığı anlamına gelir.

İç sürtünme ve ısı iletimi nedeniyle soğurma.

Bir ses dalgasının yayılmasıyla ilişkili parçacıkların hareketi sırasında, ortamın farklı parçacıkları arasındaki sürtünme kaçınılmazdır. Sıvılarda ve gazlarda bu sürtünmeye viskozite denir. Akustik dalga enerjisinin ısıya geri dönüşümsüz dönüşümünü belirleyen viskozite, Temel sebep gazlarda ve sıvılarda ses emilimi.

Ayrıca gazlarda ve sıvılarda absorpsiyon, dalgadaki sıkıştırma sırasındaki ısı kaybından kaynaklanmaktadır. Dalga geçişi sırasında sıkıştırma aşamasındaki gazın ısındığını daha önce söylemiştik. Bu hızlı akan süreçte, ısının genellikle gazın diğer bölgelerine veya kabın duvarlarına iletilmesi için zamanı yoktur. Ancak gerçekte bu süreç ideal değildir ve salınan termal enerjinin bir kısmı sistemden ayrılır. Bununla ilişkili olarak, ısı iletimi nedeniyle ses emilimi söz konusudur. Bu tür absorpsiyon gazlarda, sıvılarda ve katılarda sıkıştırma dalgalarında meydana gelir.

Hem viskozite hem de termal iletkenlik nedeniyle ses emilimi genellikle frekansın karesi ile artar. Böylece, yüksek frekanslı sesler, düşük frekanslı seslerden çok daha güçlü bir şekilde emilir. Örneğin, normal basınç ve sıcaklıkta, havada 5 kHz frekansında absorpsiyon katsayısı (her iki mekanizma nedeniyle) yaklaşık 3 dB/km'dir. Absorpsiyon frekansın karesi ile orantılı olduğundan, 50 kHz'de absorpsiyon katsayısı 300 dB/km'dir.

Katılarda absorpsiyon.

Gazlarda ve sıvılarda meydana gelen ısıl iletkenlik ve viskozite nedeniyle ses yutma mekanizması katılarda da korunur. Ancak burada buna yeni absorpsiyon mekanizmaları eklenir. Katıların yapısındaki kusurlarla ilişkilidirler. Buradaki nokta, polikristal katı malzemelerin küçük kristalitlerden oluşmasıdır; ses içlerinden geçtiğinde, ses enerjisinin emilmesine yol açan deformasyonlar meydana gelir. Ses ayrıca kristalitlerin sınırlarında da saçılır. Ek olarak, tek kristaller bile ses absorpsiyonuna katkıda bulunan dislokasyon tipi kusurlar içerir. Dislokasyonlar, atom düzlemlerinin koordinasyonunun ihlalidir. Ses dalgası atomların titreşmesine neden olduğunda, dislokasyonlar hareket eder ve daha sonra iç sürtünme nedeniyle enerjiyi dağıtarak orijinal konumlarına dönerler.

Dislokasyonlardan kaynaklanan absorpsiyon, özellikle kurşun zilin neden çalmadığını açıklar. Kurşun, çok fazla çıkığı olan yumuşak bir metaldir ve bu nedenle içindeki ses titreşimleri son derece hızlı bir şekilde bozulur. Ancak sıvı hava ile soğutulursa iyi çalacaktır. saat Düşük sıcaklıkçıkıklar sabit bir konumda "dondurulur" ve bu nedenle hareket etmezler ve ses enerjisini ısıya dönüştürmezler.

MÜZİK AKUSTİĞİ

Müzikal sesler.

Müzik akustiği, müzikal seslerin özelliklerini, onları nasıl algıladığımızla ilgili özelliklerini ve müzik aletlerinin ses mekanizmalarını inceler.

Müzikal ses veya ton periyodik bir sestir, yani. belirli bir süre sonra tekrar tekrar tekrarlayan dalgalanmalar. Yukarıda, periyodik sesin, temel frekansın katları olan frekanslarla salınımların toplamı olarak temsil edilebileceği söylendi. f: 2f, 3f, 4f vb. Titreşen tellerin ve hava sütunlarının müzikal sesler çıkardığı da kaydedildi.

Müzikal sesler üç özellik ile ayırt edilir: gürlük, perde ve tını. Tüm bu göstergeler özneldir, ancak ölçülen değerlerle ilişkilendirilebilirler. Yükseklik esas olarak sesin yoğunluğu ile ilgilidir; müzik sistemindeki konumunu karakterize eden sesin perdesi, tonun frekansı ile belirlenir; Bir enstrümanın veya sesin diğerinden farklı olduğu tını, enerjinin harmonikler üzerindeki dağılımı ve bu dağılımın zaman içindeki değişimi ile karakterize edilir.

Ses perdesi.

Bir müzikal sesin perdesi, frekansla yakından ilişkilidir, ancak perdenin değerlendirilmesi öznel olduğundan, onunla aynı değildir.

Bu nedenle, örneğin, tek frekanslı bir sesin perdesinin tahmininin bir şekilde ses yüksekliğine bağlı olduğu bulundu. Hacimdeki önemli bir artışla, örneğin 40 dB ile, görünen frekans %10 oranında azalabilir. Pratikte, yüksekliğe olan bu bağımlılık önemli değildir, çünkü müzikal sesler tek frekanslı sesten çok daha karmaşıktır.

Perde ve frekans arasındaki ilişki sorusunda, daha önemli bir şey daha var: Müzikal sesler harmoniklerden oluşuyorsa, algılanan perde hangi frekansla ilişkilendirilir? Bunun, spektrumdaki en düşük frekans değil, maksimum enerjiye karşılık gelen frekans olmayabileceği ortaya çıktı. Örneğin, 200, 300, 400 ve 500 Hz'lik bir dizi frekanstan oluşan bir müzik sesi, 100 Hz yüksekliğinde bir ses olarak algılanır. Yani perde, ses spektrumunda olmasa bile harmonik serinin temel frekansı ile ilişkilidir. Doğru, çoğu zaman temel frekans, spektrumda bir dereceye kadar mevcuttur.

Perde ve frekansı arasındaki ilişkiden bahsetmişken, insan işitme organının özelliklerini unutmamak gerekir. Bu, kendi bozulmalarını ortaya çıkaran özel bir akustik alıcıdır (duymanın psikolojik ve öznel yönleri olduğu gerçeğinden bahsetmiyorum bile). Kulak bazı frekansları seçebilir, ayrıca ses dalgası içinde doğrusal olmayan bozulmalara uğrar. Frekans seçiciliği, sesin yüksekliği ile yoğunluğu arasındaki farktan kaynaklanmaktadır (Şekil 9). Orijinal sinyalde bulunmayan frekansların görünümünde ifade edilen doğrusal olmayan bozulmaları açıklamak daha zordur. Kulak reaksiyonunun doğrusal olmaması, çeşitli elemanlarının hareketinin asimetrisinden kaynaklanmaktadır.

Doğrusal olmayan bir alıcı sistemin karakteristik özelliklerinden biri, bir frekansa sahip ses tarafından uyarılmasıdır. f 1 harmonik tonlar içinde heyecanlı 2 f 1 , 3f 1 ,... ve bazı durumlarda 1/2 tipi alt harmonikler f bir . Ek olarak, doğrusal olmayan bir sistem iki frekans tarafından uyarıldığında f 1 ve f 2, toplam ve fark frekansları içinde uyarılır f 1 + f 2 ve f 1 - f 2. İlk salınımların genliği ne kadar büyük olursa, "ekstra" frekansların katkısı da o kadar büyük olur.

Böylece kulağın akustik özelliklerinin doğrusal olmamasından dolayı seste olmayan frekanslar görünebilir. Bu tür frekanslara subjektif tonlar denir. Sesin 200 ve 250 Hz frekanslı saf tonlardan oluştuğunu varsayalım. Yanıtın doğrusal olmaması nedeniyle, 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz, vb. ek frekanslar görünecektir. Dinleyiciye, seste bir dizi kombinasyon frekansı varmış gibi görünecektir, ancak görünüşleri aslında kulağın doğrusal olmayan tepkisinden kaynaklanmaktadır. Bir müzik sesi temel bir frekans ve onun harmoniklerinden oluştuğunda, temel frekansın fark frekansları tarafından etkin bir şekilde yükseltildiği açıktır.

Doğru, çalışmalar, öznel frekansların yalnızca orijinal sinyalin yeterince büyük bir genliğinde ortaya çıktığını göstermiştir. Bu nedenle, geçmişte müzikte sübjektif frekansların rolünün büyük ölçüde abartılmış olması mümkündür.

Müzik standartları ve müzik sesinin perdesini ölçmek.

Müzik tarihinde, tüm müzik yapısını belirleyen ana ton olarak farklı frekanslardaki sesler alınmıştır. Şimdi birinci oktavın "la" notası için genel olarak kabul edilen frekans 440 Hz'dir. Ama geçmişte 400 Hz'den 462 Hz'e değişti.

Bir sesin perdesini belirlemenin geleneksel yolu, onu standart bir diyapazonun tonuyla karşılaştırmaktır. Belirli bir sesin frekansının standarttan sapması, vuruşların varlığı ile değerlendirilir. Ayar çatalları hala kullanılmaktadır, ancak artık ses aralığının tamamında sorunsuz bir şekilde ayarlanabilen sabit bir frekans referans osilatörü (bir kuvars rezonatörlü) gibi perdeyi belirlemek için daha uygun cihazlar bulunmaktadır. Doğru, böyle bir cihazın kesin kalibrasyonu oldukça zordur.

Bir müzik aletinin sesinin bir flaş lambasının yanıp sönme sıklığını belirlediği, perdeyi ölçmek için stroboskopik yöntem yaygın olarak kullanılmaktadır. Lamba, bilinen bir frekansta dönen bir disk üzerindeki bir deseni aydınlatır ve tonun temel frekansı, stroboskopik aydınlatma altında disk üzerindeki desenin görünen hareket frekansından belirlenir.

Kulak perde değişikliğine çok duyarlıdır, ancak duyarlılığı frekansa bağlıdır. Alt işitilebilirlik eşiği yakınında maksimumdur. Eğitimsiz bir kulak bile 500 ile 5000 Hz arasındaki frekanslardaki sadece %0,3 farkı algılayabilir. Duyarlılık eğitimle arttırılabilir. Müzisyenlerin çok gelişmiş bir perde duyusu vardır, ancak bu her zaman referans osilatör tarafından üretilen saf tonun frekansını belirlemede yardımcı olmaz. Bu, bir sesin frekansını kulaktan belirlerken, tınısının önemli bir rol oynadığını göstermektedir.

tını.

Tını, aynı perde ve yüksekliğe sahip sesleri karşılaştırsak bile, müzik aletlerine ve seslere benzersiz özgünlüklerini veren müzikal seslerin özelliklerini ifade eder. Bu, tabiri caizse, ses kalitesidir.

Tını, sesin frekans spektrumuna ve zaman içindeki değişimine bağlıdır. Birkaç faktör tarafından belirlenir: enerjinin tonlar üzerindeki dağılımı, sesin göründüğü veya durduğu anda meydana gelen frekanslar (geçiş tonları olarak adlandırılır) ve bunların bozulması, ayrıca sesin yavaş genliği ve frekans modülasyonu (“titreşim”).

aşırı ton yoğunluğu.

Orta kısmında bir tutam tarafından uyarılan gerilmiş bir ip düşünün (Şek. 15, a). Hatta tüm harmoniklerin ortasında düğümler olduğundan, bunlar olmayacak ve salınımlar, temel frekansın eşit tek harmoniklerinden oluşacaktır. f 1 = v/2ben, nerede v- ipteki dalganın hızı ve ben onun uzunluğudur. Böylece, sadece frekanslar mevcut olacak f 1 , 3f 1 , 5f 1 vb. Bu harmoniklerin nispi genlikleri Şekil 2'de gösterilmektedir. on beş, b.

Bu örnek, aşağıdaki önemli genel sonucu çıkarmamızı sağlar. Bir rezonans sisteminin harmonik seti, konfigürasyonu ile belirlenir ve enerjinin harmonikler üzerindeki dağılımı, uyarma yöntemine bağlıdır. İp ortasında uyarıldığında, temel frekans hakim olur ve hatta harmonikler tamamen bastırılır. İp orta kısmında sabitlenir ve başka bir yerde koparılırsa, temel frekans ve tek harmonikler bastırılacaktır.

Detaylar çok farklı olabilse de, tüm bunlar diğer iyi bilinen müzik aletleri için geçerlidir. Enstrümanlar genellikle ses çıkarmak için bir hava boşluğuna, ses tablasına veya kornaya sahiptir. Bütün bunlar, tonların yapısını ve formantların görünümünü belirler.

Formantlar.

Yukarıda bahsedildiği gibi, müzik aletlerinin ses kalitesi, enerjinin harmonikler arasındaki dağılımına bağlıdır. Birçok enstrümanın ve özellikle insan sesinin perdesini değiştirirken, harmoniklerin dağılımı değişir, böylece ana tonlar her zaman yaklaşık olarak aynı frekans aralığında bulunur, buna formant aralığı denir. Formantların varlığının nedenlerinden biri, ses tahtaları ve hava rezonatörleri gibi sesi yükseltmek için rezonans elemanlarının kullanılmasıdır. Doğal rezonansların genişliği, karşılık gelen frekanslardaki radyasyon verimliliğinin daha yüksek olması nedeniyle genellikle büyüktür. Pirinç enstrümanlar için formantlar, sesin yayıldığı zil tarafından belirlenir. Formant aralığına giren tonlar, maksimum enerjiyle yayıldıkları için her zaman güçlü bir şekilde vurgulanır. Formantlar, bir müzik aletinin veya sesin seslerinin karakteristik nitel özelliklerini büyük ölçüde belirler.

Zamanla değişen tonlar.

Herhangi bir enstrümanın sesinin tonu zaman içinde nadiren sabit kalır ve tını esasen bununla ilgilidir. Enstrüman uzun bir notayı sürdürdüğünde bile, sesi zenginleştiren hafif bir periyodik frekans ve genlik modülasyonu vardır - "vibrato". Bu özellikle keman gibi telli çalgılar ve insan sesi için geçerlidir.

Piyano gibi birçok enstrüman için, sesin süresi, sabit bir tonun oluşması için zamanı olmayacak şekildedir - uyarılmış ses hızla artar ve ardından hızlı düşüşü takip eder. Tonların azalması genellikle frekansa bağlı etkilerden (akustik radyasyon gibi) kaynaklandığından, ton dağılımının bir ton boyunca değiştiği açıktır.

Bazı enstrümanlar için zaman içinde tondaki değişimin doğası (sesin yükselme ve düşme oranı), Şekil 2'de şematik olarak gösterilmiştir. 18. Gördüğünüz gibi, yaylı çalgılar (pluck ve klavyeler) neredeyse sabit bir tona sahip değil. Bu gibi durumlarda, ses zaman içinde hızla değiştiğinden, üst tonların spektrumundan sadece şartlı olarak bahsetmek mümkündür. Yükselme ve düşme özellikleri de bu enstrümanların tınısının önemli bir parçasıdır.

geçiş tonları

Bir tonun harmonik kompozisyonu genellikle hızlı bir şekilde değişir. Kısa bir zaman ses stimülasyonundan sonra. Tellere vurularak veya kopartılarak sesin uyarıldığı enstrümanlarda, daha yüksek harmoniklere (ayrıca çok sayıda harmonik olmayan bileşene) atfedilebilen enerji, ses başladıktan hemen sonra maksimumdur ve bir saniyenin bir bölümünden sonra bu frekanslar solmak. Geçiş adı verilen bu tür sesler, çalgının sesine belirli bir renk verir. Piyanoda, çekicin ipe çarpması sonucu oluşurlar. Bazen aynı tını yapısına sahip müzik aletleri ancak geçiş tonlarıyla ayırt edilebilir.

MÜZİK ENSTRÜMANLARININ SESİ

Müzikal sesler birçok yönden uyarılabilir ve değiştirilebilir ve bu nedenle müzik aletleri çeşitli biçimlerle ayırt edilir. Enstrümanlar çoğunlukla müzisyenler tarafından ve bilimsel teoriye başvurmayan yetenekli ustalar tarafından yaratıldı ve geliştirildi. Bu nedenle akustik bilimi, örneğin bir kemanın neden böyle bir şekle sahip olduğunu açıklayamaz. Bununla birlikte, bir kemanın ses özelliklerini şu şekilde tanımlamak oldukça mümkündür. Genel İlkelerÜzerindeki oyunlar ve tasarımları.

Bir enstrümanın frekans aralığı genellikle temel tonlarının frekans aralığı olarak anlaşılır. İnsan sesi yaklaşık iki oktav ve bir müzik aleti - en az üç (büyük bir organ - on) kapsar. Çoğu durumda, tonlar duyulabilir ses aralığının en ucuna kadar uzanır.

Müzik aletlerinin üç ana parçası vardır: bir salınım elemanı, onun uyarılması için bir mekanizma ve salınan eleman ile çevreleyen hava arasında akustik iletişim için bir yardımcı rezonatör (korna veya ses tahtası).

Müzikal ses zaman içinde periyodiktir ve periyodik sesler bir dizi harmonikten oluşur. Tellerin ve sabit uzunluktaki hava kolonlarının titreşimlerinin doğal frekansları harmonik olarak ilişkili olduğundan, birçok enstrümanda ana titreşen elemanlar teller ve hava kolonlarıdır. Birkaç istisna dışında (flüt bunlardan biridir), enstrümanlarda tek frekanslı ses alınamaz. Ana vibratör uyarıldığında, imalar içeren bir ses ortaya çıkar. Bazı vibratörlerin rezonans frekansları harmonik bileşenler değildir. Bu tür enstrümanlar (örneğin davullar ve ziller) orkestra müziğinde özel ifade ve ritim vurgusu için kullanılır, ancak melodik gelişim için kullanılmaz.

Telli çalgılar.

Titreşimli bir sicim kendi başına zayıf bir ses yayıcıdır ve bu nedenle telli bir enstrümanın hissedilir yoğunlukta sesi uyarmak için ek bir rezonatöre sahip olması gerekir. Kapalı bir hava hacmi, bir güverte veya her ikisinin bir kombinasyonu olabilir. Enstrümanın sesinin doğası da tellerin uyarılma şekliyle belirlenir.

Sabit uzunluktaki bir dizinin temel salınım frekansının daha önce olduğunu görmüştük. L tarafından verilir

nerede T ipin çekme kuvvetidir ve r L dizenin birim uzunluğu başına kütledir. Bu nedenle frekansı üç şekilde değiştirebiliriz: uzunluk, gerilim veya kütleyi değiştirerek. Birçok enstrüman, temel frekansları uygun gerilim ve kütle seçimi ile belirlenen, aynı uzunlukta az sayıda tel kullanır. Diğer frekanslar, telin uzunluğunu parmaklarınızla kısaltarak elde edilir.

Piyano gibi diğer enstrümanlar, her nota için önceden ayarlanmış birçok telden birine sahiptir. Frekans aralığının geniş olduğu bir piyanoyu akort etmek, özellikle düşük frekans bölgesinde kolay bir iş değildir. Tüm piyano tellerinin gerilim kuvveti hemen hemen aynıdır (yaklaşık 2 kN) ve tellerin uzunluğu ve kalınlığı değiştirilerek frekans çeşitliliği elde edilir.

Yaylı bir çalgı, bir koparma (örneğin, bir arp veya banjo), bir darbe (piyanoda) veya bir yay ile (keman ailesinin müzik aletleri durumunda) uyarılabilir. Her durumda, yukarıda gösterildiği gibi, harmoniklerin sayısı ve genlikleri, sicimin uyarılma şekline bağlıdır.

piyano.

Bir telin uyarılmasının bir darbe ile üretildiği bir enstrümanın tipik bir örneği, piyanodur. Enstrümanın geniş ses tablası çok çeşitli biçimler sağlar, bu nedenle tınısı herhangi bir heyecanlı nota için çok tekdüzedir. Ana formantların maksimumu, 400-500 Hz mertebesindeki frekanslarda meydana gelir ve daha düşük frekanslarda, tonlar özellikle harmonikler açısından zengindir ve temel frekansın genliği, bazı tonlardan daha azdır. Piyanoda, en kısa teller dışındaki tüm çekiç vuruşu, telin bir ucundan 1/7'si uzunluğunda bir noktaya düşer. Bu genellikle, bu durumda temel frekansa göre uyumsuz olan yedinci harmoniğin önemli ölçüde bastırılmasıyla açıklanır. Ancak, malleus'un sonlu genişliği nedeniyle, yedinciye yakın bulunan diğer harmonikler de bastırılır.

Keman ailesi.

Keman enstrüman ailesinde, uzun sesler yay tarafından üretilir ve bu yay, telin titreşmesini sağlayan değişken bir itici güç uygular. Hareketli bir yayın etkisi altında, gerilme kuvvetinin artması nedeniyle ip kopuncaya kadar sürtünme nedeniyle yana doğru çekilir. Orijinal konumuna geri dönerek tekrar yay tarafından taşınır. Bu işlem, ipe periyodik bir dış kuvvet etki edecek şekilde tekrarlanır.

Artan boyut ve azalan frekans aralığına göre, ana yaylı çalgılar şu şekilde düzenlenmiştir: keman, viyola, çello, kontrbas. Bu enstrümanların frekans spektrumları, tonlar açısından özellikle zengindir, bu da şüphesiz onların seslerine özel bir sıcaklık ve ifade gücü verir. Keman ailesinde, titreşimli tel akustik olarak hava boşluğuna ve enstrümanın gövdesine bağlıdır, bu da esas olarak çok geniş bir frekans aralığını işgal eden formantların yapısını belirler. Keman ailesinin büyük temsilcileri, düşük frekanslara kaydırılmış bir dizi formant'a sahiptir. Bu nedenle, keman ailesinin iki çalgısında alınan aynı nota, tınıların yapısındaki farklılık nedeniyle farklı bir tını rengi kazanır.

Keman, gövdesinin şeklinden dolayı 500 Hz civarında belirgin bir rezonansa sahiptir. Frekansı bu değere yakın bir nota çalındığında "kurt tonu" adı verilen istenmeyen titreşimli bir ses üretilebilir. Keman gövdesinin içindeki hava boşluğu da, ana kısmı 400 Hz'e yakın olan kendi rezonans frekanslarına sahiptir. Özel şekli nedeniyle, kemanın çok sayıda yakın aralıklı rezonansı vardır. Kurt tonu hariç hepsi, çıkarılan sesin genel spektrumunda gerçekten göze çarpmıyor.

Rüzgar aletleri.

Nefesli çalgılar.

Sonlu uzunluktaki silindirik bir borudaki havanın doğal titreşimleri daha önce tartışılmıştı. Doğal frekanslar, temel frekansı borunun uzunluğuyla ters orantılı olan bir dizi harmonik oluşturur. Nefesli çalgılardaki müzikal sesler, hava sütununun rezonans uyarımı nedeniyle ortaya çıkar.

Hava titreşimleri, ya rezonatör duvarının keskin kenarına düşen hava jetindeki titreşimlerle ya da hava akışındaki dilin esnek yüzeyinin titreşimleriyle uyarılır. Her iki durumda da, alet namlusunun lokalize bir bölgesinde periyodik basınç değişiklikleri meydana gelir.

Bu uyarma yöntemlerinden ilki, "kenar tonlarının" oluşmasına dayanmaktadır. Keskin kenarlı kama şeklindeki bir engel tarafından kırılan yuvadan bir hava akımı çıktığında, periyodik olarak girdaplar ortaya çıkar - önce bir tarafta, sonra kamanın diğer tarafında. Oluşumlarının sıklığı arttıkça, hava akışının hızı da artar. Böyle bir cihaz akustik olarak rezonans eden bir hava kolonuna bağlanırsa, o zaman kenar ton frekansı hava kolonunun rezonans frekansı tarafından "yakalanır", yani. girdap oluşum sıklığı hava sütunu tarafından belirlenir. Bu koşullar altında, hava sütununun ana frekansı, yalnızca hava akış hızı belirli bir minimum değeri aştığında uyarılır. Bu değeri aşan belirli bir hız aralığında, kenar tonunun frekansı bu temel frekansa eşittir. Daha da yüksek bir hava akış hızında (rezonatör ile iletişim olmadığında kenar frekansının rezonatörün ikinci harmoniğine eşit olacağı hıza yakın), kenar frekansı aniden iki katına çıkar ve tüm sistem tarafından yayılan perde döner. bir oktav daha yüksek olacak. Buna taşma denir.

Kenar tonları, org, flüt ve pikolo gibi enstrümanlarda hava sütunlarını heyecanlandırır. Flüt çalarken icracı, uçlardan birinin yakınındaki bir yan deliğe yandan üfleyerek kenar tonlarını heyecanlandırır. "D" ve üzeri bir oktavın notaları, namlunun efektif uzunluğunun değiştirilmesi, yan deliklerin normal bir kenar tonuyla açılmasıyla elde edilir. Daha yüksek oktavlar abartılı.

Bir nefesli çalgı sesini uyarmanın başka bir yolu, sazlardan yapıldığı için saz adı verilen salınımlı bir dil tarafından hava akışının periyodik olarak kesilmesine dayanır. Bu yöntem çeşitli nefesli ve üflemeli çalgılarda kullanılır. Tek kamışlı (örneğin klarnet, saksafon ve akordeon tipi enstrümanlarda olduğu gibi) ve simetrik çift kamışlı (örneğin obua ve fagotta olduğu gibi) seçenekler vardır. Her iki durumda da salınım süreci aynıdır: Bernoulli yasasına göre basıncın düştüğü dar bir boşluktan hava üflenir. Aynı zamanda, baston boşluğa çekilir ve onu kaplar. Akış olmadığında elastik baston düzelir ve işlem tekrarlanır.

Üflemeli çalgılarda, flütte olduğu gibi gamın notalarının seçimi yan delikler açılarak ve aşırı üflenerek yapılır.

Her iki ucu açık olan ve tam bir armoni takımına sahip olan bir borunun aksine, yalnızca bir ucu açık olan bir borunun yalnızca tek harmonikleri vardır ( santimetre. üstünde). Bu, klarnetin konfigürasyonudur ve bu nedenle harmonikler bile içinde zayıf bir şekilde ifade edilir. Klarnetteki aşırı üfleme, ana olandan 3 kat daha yüksek bir frekansta gerçekleşir.

Obuada ikinci harmonik oldukça yoğundur. Klarnetten farkı, deliğinin konik bir şekle sahip olması, klarnette ise deliğin enine kesitinin uzunluğunun çoğunda sabit olmasıdır. Konik bir fıçıdaki frekansları hesaplamak, silindirik bir borudakinden daha zordur, ancak yine de tam bir üst ton aralığı vardır. Bu durumda, dar ucu kapalı olan konik bir borunun salınım frekansları, her iki ucu açık olan silindirik bir borunun salınım frekansları ile aynıdır.

Pirinç üflemeli çalgılar.

Horn, trompet, kornet-a-piston, trombon, horn ve tuba dahil olmak üzere pirinç, hareketi özel olarak şekillendirilmiş bir ağızlık ile birlikte çift kamışınkine benzer olan dudaklar tarafından heyecanlanır. Ses uyarımı sırasındaki hava basıncı, burada nefesli rüzgarlardan çok daha yüksektir. Pirinç üflemeli çalgılar, kural olarak, bir zil ile biten silindirik ve konik bölümlere sahip metal bir fıçıdır. Bölümler, tüm harmonik aralığı sağlanacak şekilde seçilir. Namlunun toplam uzunluğu boru için 1,8 m'den tuba için 5,5 m'ye kadar değişmektedir. Tuba, akustik nedenlerle değil, kullanım kolaylığı için salyangoz şeklindedir.

Sabit bir namlu uzunluğu ile, sanatçı emrinde yalnızca namlunun doğal frekansları tarafından belirlenen notalara sahiptir (ayrıca, temel frekans genellikle “alınmaz”) ve ağızlıktaki artan hava basıncı ile daha yüksek harmonikler uyarılır. . Böylece, sabit uzunlukta bir borazan üzerinde sadece birkaç nota (ikinci, üçüncü, dördüncü, beşinci ve altıncı harmonikler) çalınabilir. Diğer üflemeli çalgılarda, harmonikler arasındaki frekanslar, namlu uzunluğundaki bir değişiklikle alınır. Trombon, bu anlamda benzersizdir, namlunun uzunluğu, geri çekilebilir U şeklindeki kanatların yumuşak hareketi ile düzenlenir. Tüm skalanın notaları, gövdenin uyarılmış tonlamasındaki bir değişiklikle kanatların yedi farklı pozisyonuyla sağlanır. Diğer pirinç aletlerde bu, namlunun toplam uzunluğunu, değişen uzunluklarda ve kombinasyonlarda üç yan delik ile etkili bir şekilde artırarak elde edilir. Bu, yedi farklı namlu uzunluğu verir. Trombonda olduğu gibi, tüm gamın notaları, bu yedi gövde uzunluğuna karşılık gelen farklı ton serilerinin uyarılmasıyla çalınır.

Tüm pirinç enstrümanların tonları harmonikler açısından zengindir. Bu, esas olarak, yüksek frekanslarda ses emisyonunun verimliliğini artıran bir zilin varlığından kaynaklanmaktadır. Trompet ve korna, borazandan çok daha geniş bir armonik yelpazesi çalmak üzere tasarlanmıştır. I. Bach'ın eserlerindeki solo trompet kısmı, serinin dördüncü oktavında bu enstrümanın 21. harmoniğine ulaşan birçok pasaj içerir.

Vurmalı çalgılar.

Vurmalı çalgılar, çalgının gövdesine vurarak ve böylece serbest titreşimlerini uyararak ses çıkarır. Titreşimlerin de bir darbeyle uyarıldığı piyanodan, bu tür enstrümanlar iki açıdan farklıdır: titreşen bir gövde harmonik tonlar vermez ve kendisi ek bir rezonatör olmadan ses yayabilir. Vurmalı çalgılar arasında davullar, ziller, ksilofon ve üçgen bulunur.

Katılarda daha fazla salınım türü olduğundan, katıların salınımları aynı şekle sahip bir hava rezonatörünün salınımlarından çok daha karmaşıktır. Böylece sıkıştırma, eğilme ve burulma dalgaları metal bir çubuk boyunca yayılabilir. Bu nedenle, silindirik bir çubuk, silindirik bir hava sütunundan çok daha fazla titreşim moduna ve dolayısıyla rezonans frekanslarına sahiptir. Ayrıca bu rezonans frekansları harmonik bir seri oluşturmaz. Ksilofon, katı çubukların bükülme titreşimlerini kullanır. Titreşen ksilofon çubuğunun temel frekansa üst ton oranları: 2.76, 5.4, 8.9 ve 13.3.

Bir diyapazon salınımlı kavisli bir çubuktur ve ana salınım türü, her iki kol aynı anda birbirine yaklaştığında veya birbirinden uzaklaştığında meydana gelir. Titreşim çatalında harmonik tonlar dizisi yoktur ve yalnızca temel frekansı kullanılır. İlk tonunun frekansı, temel frekansın 6 katından fazladır.

Müzikal sesler üreten salınan katı bir cismin başka bir örneği bir zildir. Çanların boyutları farklı olabilir - küçük bir zilden çok tonlu kilise çanlarına. Zil ne kadar büyük olursa, çıkardığı sesler o kadar düşük olur. Çanların şekli ve diğer özellikleri, asırlık evrimleri sırasında birçok değişikliğe uğramıştır. Çok az sayıda işletme, büyük beceri gerektiren üretimleriyle uğraşmaktadır.

Zilin ilk tını serisi harmonik değildir ve tınlama oranları farklı ziller için aynı değildir. Bu nedenle, örneğin, büyük bir zil için, yüksek ton frekanslarının temel frekansa ölçülen oranları 1.65, 2.10, 3.00, 3.54, 4.97 ve 5.33 idi. Ancak, enerjinin tınılar üzerindeki dağılımı, zil vurulduktan hemen sonra hızla değişir ve çanın şekli, baskın frekanslar birbiriyle yaklaşık olarak harmonik olarak ilişkili olacak şekilde seçilmiş gibi görünmektedir. Zilin perdesi, temel frekans tarafından değil, vuruştan hemen sonra baskın olan nota tarafından belirlenir. Yaklaşık olarak çanın beşinci tonuna karşılık gelir. Bir süre sonra, zil sesinde alt tonlar baskın olmaya başlar.

Tamburda titreşen eleman, gerilmiş bir ipin iki boyutlu bir analogu olarak kabul edilebilecek, genellikle yuvarlak olan bir deri zardır. Müzikte davulda böyle bir şey yoktur. önemli, bir dize gibi, çünkü doğal frekansları doğal kümesi harmonik değildir. Bunun istisnası, zarı bir hava rezonatörü üzerine gerilmiş olan timpanidir. Davul tonlama dizisi, kafanın kalınlığı radyal yönde değiştirilerek harmonik hale getirilebilir. Böyle bir tamburun bir örneği tabla klasik hint müziğinde kullanılır.