2.2 Helilained ja nende omadused

Heli on mehaanilised vibratsioonid, mis levivad elastses keskkonnas: õhk, vesi, tahked ained jne.

Inimese võime tajuda elastseid vibratsioone ja neid kuulata kajastub heli - akustika - uurimise nimetuses.

Üldjuhul kuuleb inimkõrv heli ainult siis, kui kõrva kuuldeaparaadile mõjuvad mehaanilised vibratsioonid sagedusega vähemalt 16 Hz ja mitte üle 20 000 Hz. Madalama või kõrgema sagedusega vibratsioon on inimkõrvale kuuldamatu.

Seda, et õhk on helijuht, tõestas Robert Boyle'i eksperiment 1660. aastal. Kui õhupumba kella alla asetada kõlav keha, näiteks elektrikell, siis selle alt õhku välja pumbates heli nõrgeneb ja lõpuks lakkab.

Keha oma võnkumiste ajal kas surub vaheldumisi kokku oma pinnaga külgneva õhukihi või, vastupidi, tekitab selles kihis vaakumi. Seega algab heli levik õhus õhutiheduse kõikumisest vibreeriva keha pinnal.

Vibratsiooni levimise protsessi ruumis ajas nimetatakse laineks. Lainepikkus on kaugus keskkonna kahe lähima samas olekus oleva osakese vahel.

Füüsikalist suurust, mis võrdub lainepikkuse ja selle osakeste võnkeperioodi suhtega, nimetatakse lainekiiruseks.

Selle keskkonna osakeste vibratsioonid, milles laine levib, on sunnitud. Seetõttu on nende periood võrdne laineerguti võnkeperioodiga. Laine levimise kiirus erinevates meediumites on aga erinev.

Helid on erinevad. Me eristame kergesti trummi vilet ja lööki, meeshäält (bass) naishäälest (sopran).

Mõned helid on väidetavalt madalad, teisi nimetame kõrgeteks. Kõrv võib neid kergesti eristada. Bassitrummi tekitatav heli on madal, vile aga kõrge heli.

Lihtsad mõõtmised (oscillation sweep) näitavad, et madalate toonide helid on helilaines esinevad madala sagedusega vibratsioonid. Kõrge heli vastab kõrgele vibratsioonisagedusele. Helilaine vibratsiooni sagedus määrab heli tooni.

On olemas spetsiaalsed heliallikad, mis kiirgavad ühte sagedust, nn puhast tooni. Need on erineva suurusega häälekahvlid - lihtsad seadmed, mis on jalgadel kõverad metallvardad. Mida suurem on häälehark, seda madalamat heli see löömisel tekitab.

Kui võtta mitu erineva suurusega häälekahvlit, pole keeruline neid kõrva järgi helikõrguse järjekorda seada. Seega asuvad need suuruses: suurim häälestushark tekitab madalat ja väikseim kõige kõrgemat heli.

Isegi sama tooni helid võivad olla erineva helitugevusega. Heli tugevus on seotud allikas ja laines oleva vibratsioonienergiaga. Võnkumiste energia määrab võnkumiste amplituud. Seetõttu sõltub helitugevus vibratsiooni amplituudist.

Seda, et helilainete levik ei toimu koheselt, on näha lihtsatest vaatlustest. Kui kauguses kostab äike, pauk, plahvatus, vedurivile, kirvehoob vms, siis alguses on kõik need nähtused näha ja alles siis, mõne aja pärast, kostab heli.

Nagu iga laine, iseloomustab ka helilainet selles esinevate vibratsioonide levimise kiirus.

Heli kiirus on erinevates keskkondades erinev. Näiteks vesinikus on mis tahes pikkusega helilainete levimiskiirus 1284 m/s, kummis - 1800 m/s ja rauas - 5850 m/s.

Nüüd arvestab akustika füüsikavaldkonnana elastsete vibratsioonide laiemat vahemikku – madalaimast ülikõrgeteni, kuni 1012–1013 Hz. Helilaineid, mille sagedus on alla 16 Hz ja mida inimene ei kuule, nimetatakse infraheliks, helilaineid sagedusega 20 000 Hz kuni 109 Hz nimetatakse ultraheliks ja vibratsiooni sagedusega üle 109 Hz nimetatakse hüperheliks.

Need kuuldamatud helid on leidnud palju kasutust.

Ultrahelid ja infrahelid mängivad elusmaailmas väga olulist rolli. Näiteks kalad ja teised mereloomad tuvastavad tundlikult tormilainete tekitatud infrahelilaineid. Seega tajuvad nad tormi või tsükloni lähenemist ette ja ujuvad eemale turvalisemasse kohta. Infraheli on osa metsa-, mere- ja atmosfäärihelidest.

Kalade liikumisel tekivad elastsed infrahelivõnked, mis levivad vees. Haid tajuvad neid vibratsioone hästi mitme kilomeetri kauguselt ja ujuvad oma saagi poole.

Ultraheli võivad tekitada ja tajuda sellised loomad nagu koerad, kassid, delfiinid, sipelgad, nahkhiired jne. Nahkhiired teevad lennu ajal lühikesi kõrgeid helisid. Lennu ajal juhinduvad nad nende helide peegeldustest teel kohatud objektidelt; nad suudavad püüda isegi putukaid, juhindudes vaid oma väikese saagi kajast. Kassid ja koerad võivad kuulda väga kõrgeid vilehelisid (ultraheli).

Kaja on takistuselt peegelduv ja vaatleja poolt vastu võetud laine. Heli kaja tajub kõrv esmasest signaalist eraldi. Meetod erinevate objektide kauguste määramiseks ja nende asukoha tuvastamiseks põhineb kaja fenomenil. Oletame, et mõni heliallikas väljastab helisignaali ja selle väljastamise hetk salvestatakse. Heli kohtas mingit takistust, peegeldus sealt tagasi, naasis ja võeti vastu helivastuvõtjasse. Kui mõõdeti ajavahemikku kiirgusmomentide ja vastuvõtu hetkede vahel, siis on kaugust takistuseni lihtne leida. Mõõdetud aja t jooksul on heli läbinud 2s vahemaa, kus s on kaugus takistuseni ja 2s on kaugus heliallikast takistuseni ja takistusest helivastuvõtjani.

Selle valemi abil saate leida kauguse signaali reflektorini. Kuid peate ka teadma, kus see asub, millises suunas allikast signaal sellega kohtus. Samal ajal liigub heli igas suunas ja peegeldunud signaal võib tulla erinevatest suundadest. Selle raskuse vältimiseks kasutavad nad mitte tavalist heli, vaid ultraheli.

Ultrahelilainete peamine omadus on see, et neid saab muuta suunatuks, levides allikast teatud suunas. Tänu sellele saate ultraheli peegelduse abil mitte ainult kauguse leida, vaid ka teada saada, kus neid peegeldanud objekt asub. Nii saab mõõta näiteks mere sügavust laeva all.

Helilokaatorid võimaldavad tuvastada ja määrata toodetes esinevate erinevate kahjustuste asukohta, nagu tühimikud, praod, võõrkehad jne. Meditsiinis kasutatakse ultraheli abil patsiendi kehas mitmesuguseid kõrvalekaldeid – kasvajaid, moonutusi. elundid või nende osad jne. Mida lühem on ultraheli lainepikkus, seda väiksemad on tuvastatud osad. Ultraheli kasutatakse ka teatud haiguste raviks.

Ookeani akustika

Teine, mittespetsialistidele vähetuntud merevee liikumisviis on siselained. Kuigi need avastati ookeanist juba ammu, 19. ja 20. sajandi vahetusel. (Nanseni ekspeditsioon Framil ja Ekmani töö, kes selgitas navigaatorite tähelepanekuid)...

Ookeani akustika

Nüüd pinnalainetest, merelainetest endist. Võib-olla pole merel ühtegi teist nii laialt tuntud nähtust. Muistsetest meremeestest ja filosoofidest tänapäeva kunstnike ja poeetideni, vanast vanaisast...

De Broglie lained ja nende füüsiline tõlgendus

Arvutame välja de Broglie lainete rühma levimiskiiruse, nagu kõikidel juhtudel faasi ja grupi kiiruse, faasikiiruseks (6) Kuna de Broglie lainete faasikiirus on suurem kui valguse kiirus vaakumis. ..

Helilainete uurimine

Teatavasti levib heli ruumis ainult mingi elastse keskkonna olemasolul. Meedium on vajalik vibratsiooni edastamiseks heliallikast vastuvõtjasse, näiteks inimese kõrva. Teisisõnu...

Mehaaniliste lainete uurimine algab üldiste ideede kujundamisega laine liikumise kohta. Võnkeliikumise olek kandub ühelt võnkuvalt kehalt teisele, kui nende vahel on seos...

Elektromagnetlainete rakendused

Laine on võnkumine, mis levib aja jooksul läbi ruumi. Laine kõige olulisem omadus on selle kiirus. Mis tahes laadi lained ei levi kosmoses silmapilkselt. Nende kiirus on piiratud...

Optika arendamine

Järgmise sammu valguse laineteooria väljatöötamisel tegi Huygens. Sisuliselt lõi ta valguse laineteooria ja selgitas selle põhjal kõiki tol ajal tuntud nähtusi. Valguse lainelise olemuse idee väljendas esmakordselt Marty 1648. aastal ja 1665. aastal...

Eelnevalt kirjeldatud lained on põhjustatud elastsusjõududest, kuid on ka laineid, mille tekke põhjustab gravitatsioon. Üle vedeliku pinna levivad lained ei ole pikisuunalised...

Heli füüsiline alus

Heli on kuulmisaistingu objekt, seetõttu hindab seda inimene ka subjektiivselt. Toone tajudes eristab inimene neid helikõrguse järgi. Kõrgus on subjektiivne omadus, mille määrab eelkõige põhitooni sagedus...

Kehade liikumise tunnused

2.1 Võnkulise liikumise kinemaatika Testiküsimused 1. Võnkumised on protsessid, millel on teatud ajas korratavus. Harmoonilised võnked on võnked, mis tekivad siinuse ja koosinuse seaduse järgi...

Elektromagnetlained ja nende omadused

Elektromagnetlained on elektromagnetväljade levimine ruumis ja ajas. Nagu eespool märgitud, ennustas elektromagnetlainete olemasolu teoreetiliselt suur inglise füüsik J...

Artikli sisu

HELI JA AKUSTIKA. Heli on vibratsioon, st. perioodiline mehaaniline häire elastses keskkonnas - gaasilises, vedelas ja tahkes olekus. Selline häire, mis kujutab endast mingit füüsikalist muutust keskkonnas (näiteks tiheduse või rõhu muutus, osakeste nihkumine), levib selles helilaine kujul. Füüsika valdkonda, mis tegeleb helilainete tekke, levimise, vastuvõtmise ja töötlemisega, nimetatakse akustikaks. Heli võib olla kuulmatu, kui selle sagedus ületab inimkõrva tundlikkust või kui see liigub läbi keskkonna, näiteks tahke aine, millel ei ole kõrvaga otsest kontakti, või kui selle energia hajub keskkonnas kiiresti. Seega on meie jaoks tavaline heli tajumise protsess vaid üks akustika pool.

HELILAINED

Kaaluge pikka õhuga täidetud toru. Sellesse sisestatakse vasakust otsast tihedalt seintega liibuv kolb (joonis 1). Kui kolb liigutatakse järsult paremale ja peatub, surutakse selle vahetus läheduses olev õhk hetkeks kokku (joon. 1, A). Seejärel suruõhk paisub, surudes endaga külgnevat õhku paremale ja survepiirkond, mis algselt tekkis kolvi lähedale, liigub mööda toru ühtlase kiirusega (joonis 1, b). See survelaine on helilaine gaasis.

Gaasi helilainet iseloomustavad liigne rõhk, liigne tihedus, osakeste nihkumine ja nende kiirus. Helilainete puhul on need kõrvalekalded tasakaaluväärtustest alati väikesed. Seega on lainega seotud liigrõhk palju väiksem kui gaasi staatiline rõhk. Vastasel juhul on meil tegemist teise nähtusega – lööklaine. Tavakõnele vastavas helilaines on ülerõhk vaid umbes miljondik atmosfäärirõhust.

Oluline on asjaolu, et helilaine ei kanna ainet minema. Laine on vaid ajutine õhku läbiv häire, mille järel õhk naaseb tasakaaluolekusse.

Lainete liikumine ei ole muidugi omane ainult helile: valgus- ja raadiosignaalid liiguvad lainetena ning veepinnal on lained kõigile tuttavad. Kõiki lainetüüpe kirjeldatakse matemaatiliselt nn lainevõrrandiga.

Harmoonilised lained.

Laine torus joonisel fig. 1 nimetatakse heliimpulsiks. Väga oluline laineliik tekib siis, kui kolb võngub edasi-tagasi nagu vedru külge riputatud raskus. Selliseid võnkumisi nimetatakse lihtharmoonilisteks või siinuslikeks ja sel juhul ergastatud lainet nimetatakse harmooniliseks.

Lihtsate harmooniliste võnkumiste korral kordub liikumine perioodiliselt. Ajavahemikku kahe identse liikumisoleku vahel nimetatakse võnkeperioodiks ja täielike perioodide arvu sekundis nimetatakse võnkesageduseks. Tähistame perioodi tähisega T, ja sagedus – läbi f; siis saame sellest kirjutada f= 1/T. Kui sagedus on näiteks 50 tsüklit sekundis (50 Hz), siis periood on 1/50 sekundit.

Matemaatiliselt kirjeldatakse lihtsaid harmoonilisi võnkumisi lihtsa funktsiooniga. Kolvi nihe lihtsate harmooniliste võnkumiste ajal igal ajahetkel t saab vormis kirjutada

Siin d – kolvi nihkumine tasakaaluasendist ja D– konstantne kordaja, mis võrdub koguse maksimaalse väärtusega d ja seda nimetatakse nihke amplituudiks.

Oletame, et kolb võngub harmoonilise võnke valemi järgi. Seejärel, kui see liigub paremale, toimub kokkusurumine, nagu varem, ja kui see liigub vasakule, väheneb rõhk ja tihedus võrreldes nende tasakaaluväärtustega. Tekib mitte kokkusurumine, vaid gaasi harvendamine. Sel juhul levib parempoolne, nagu on näidatud joonisel fig. 2, vahelduva kokkusurumise ja harvendamise laine. Rõhu jaotuskõver piki toru pikkust näeb igal ajahetkel välja nagu sinusoid ja see sinusoid liigub helikiirusel paremale. v. Kaugust piki toru identsete lainefaaside vahel (näiteks külgnevate maksimumide vahel) nimetatakse lainepikkuseks. Tavaliselt tähistatakse seda kreeka tähega l(lambda). Lainepikkus l on laine läbitud vahemaa ajas T. Sellepärast l = TV, või v = l f.

Piki- ja põiklained.

Kui osakesed võnguvad paralleelselt laine levimissuunaga, siis nimetatakse lainet pikisuunaliseks. Kui need võnguvad levimissuunaga risti, nimetatakse lainet põiksuunaliseks. Helilained gaasides ja vedelikes on pikisuunalised. Tahketes kehades on mõlemat tüüpi laineid. Tahkis on ristlaine võimalik tänu selle jäikusele (vastupidavus kuju muutumisele).

Kõige olulisem erinevus nende kahe lainetüübi vahel on see, et põiklainel on omadus polarisatsioon(võnkumised tekivad teatud tasapinnas), aga pikisuunalised mitte. Mõne nähtuse puhul, nagu heli peegeldumine ja edasikandumine läbi kristallide, sõltub palju osakeste nihke suunast, täpselt nagu valguslainete puhul.

Helilainete kiirus.

Heli kiirus on selle keskkonna tunnus, milles laine levib. Selle määravad kaks tegurit: materjali elastsus ja tihedus. Tahkete ainete elastsed omadused sõltuvad deformatsiooni tüübist. Seega ei ole metallvarda elastsed omadused väände, kokkusurumise ja painutamise ajal ühesugused. Ja vastavad lainevibratsioonid levivad erineva kiirusega.

Elastne on keskkond, milles deformatsioon, olgu see siis vääne, kokkusurumine või painutamine, on võrdeline deformatsiooni põhjustava jõuga. Sellised materjalid järgivad Hooke'i seadust:

Pinge = Cґ suhteline deformatsioon,

Kus KOOS– elastsusmoodul, olenevalt materjalist ja deformatsiooni tüübist.

Heli kiirus v antud tüüpi elastse deformatsiooni korral on antud avaldisega

Kus r– materjali tihedus (mass ruumalaühiku kohta).

Heli kiirus tugevas varras.

Pikka varda saab venitada või kokku suruda otsale rakendatud jõuga. Olgu varda pikkus L, rakendatud tõmbejõud - F ja pikkuse suurenemine on D L. Väärtus D L/L nimetame suhteliseks deformatsiooniks ja jõudu varda ristlõikepinna ühiku kohta nimetatakse pingeks. Nii et pinge on F/A, Kus A - varda ristlõike pindala. Kui sellisele vardale rakendada, on Hooke'i seadusel vorm

Kus Y– Youngi moodul, s.o. varda tõmbe- või kokkusurumise elastsusmoodul, mis iseloomustab varda materjali. Youngi moodul on väike kergesti venitatavate materjalide (nt kummi) jaoks ja suur jäikade materjalide (nt teras) jaoks.

Kui me nüüd haamriga varda otsa lüües ergastame selles survelaine, levib see kiirusega, r, nagu varemgi, on varda valmistamise materjali tihedus. Mõnede tüüpiliste materjalide lainekiiruse väärtused on toodud tabelis. 1.

Tabel 1. HELI KIIRUS TAHKETE MATERJALIDE ERINEVAT TÜÜPI LAINETELE
Materjal	Pikisuunalised lained laiendatud tahkete proovide puhul (m/s)	Nihke- ja torsioonlained (m/s)	Surulained varrastes (m/s)
Alumiiniumist
Messing
Plii
Raud
Hõbedane
Roostevaba teras
Kiviklaas
Krooni klaas
Pleksiklaas
Polüetüleen
Polüstüreen

Varda vaadeldav laine on survelaine. Kuid seda ei saa pidada rangelt pikisuunaliseks, kuna kokkusurumine on seotud varda külgpinna liikumisega (joonis 3, A).

Varras on võimalikud ka kaks teist tüüpi laineid – painutuslaine (joonis 3, b) ja torsioonlaine (joonis 3, V). Paindedeformatsioonid vastavad lainele, mis ei ole puhtalt pikisuunaline ega puhtalt põikisuunaline. Väändedeformatsioonid, s.o. pöörlemine ümber varda telje annab puhtalt põiklaine.

Paindelaine kiirus varras oleneb lainepikkusest. Sellist lainet nimetatakse hajutavaks.

Torsioonlained varras on puhtalt põikisuunalised ja mittehajutavad. Nende kiirus on antud valemiga

Kus m– nihkemoodul, mis iseloomustab materjali elastsusomadusi nihke suhtes. Mõned tüüpilised nihkelaine kiirused on toodud tabelis. 1.

Kiirus laiendatud tahkes keskkonnas.

Suuremahulistes tahkes keskkonnas, kus piiride mõju võib tähelepanuta jätta, on võimalikud kahte tüüpi elastsed lained: piki- ja põikisuunalised.

Pingutus pikilaines on tasapinnaline deformatsioon, s.o. ühemõõtmeline kokkusurumine (või harvendamine) laine levimise suunas. Ristlainele vastav deformatsioon on laine levimissuunaga risti asetsev nihkenihe.

Pikilainete kiirus tahketes materjalides on antud

Kus C L – elastsusmoodul lihtsa tasapinnalise deformatsiooni korral. See on seotud mahumooduliga IN(mille definitsioon on toodud allpool) ja materjali nihkemoodul m seosega C L = B + 4/3m. Tabelis Tabelis 1 on näidatud erinevate tahkete materjalide pikisuunaliste lainekiiruste väärtused.

Nihkelainete kiirus laiendatud tahkes keskkonnas on sama, mis torsioonlainete kiirus samast materjalist varras. Seetõttu antakse see väljendiga . Selle väärtused tavaliste tahkete materjalide jaoks on toodud tabelis. 1.

Kiirus gaasides.

Gaasides on võimalik ainult üht tüüpi deformatsioon: kokkusurumine - harvendamine. Vastav elastsusmoodul IN nimetatakse mahumooduliks. Selle määrab seos

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

Siin D P- rõhu muutus, D V/V– suhteline mahu muutus. Miinusmärk näitab, et rõhu tõustes maht väheneb.

Suurusjärk IN sõltub sellest, kas gaasi temperatuur kompressiooni ajal muutub või mitte. Helilaine puhul saab näidata, et rõhk muutub väga kiiresti ja kokkusurumisel eralduval soojusel ei ole aega süsteemist väljuda. Seega toimub helilaine rõhu muutus ilma soojusvahetuseta ümbritsevate osakestega. Seda muutust nimetatakse adiabaatiliseks. On kindlaks tehtud, et heli kiirus gaasis sõltub ainult temperatuurist. Teatud temperatuuril on heli kiirus kõigi gaaside puhul ligikaudu sama. Temperatuuril 21,1° C on heli kiirus kuivas õhus 344,4 m/s ja see suureneb temperatuuri tõustes.

Kiirus vedelikes.

Helilained vedelikes on kompressioon-harulained, nagu ka gaasides. Kiirus on antud sama valemiga. Vedelik on aga palju vähem kokkusurutav kui gaas ja seetõttu on selle väärtus kordades suurem IN, rohkem ja tihedus r. Heli kiirus vedelikes on tahkete ainete kiirusele lähemal kui gaasides. Seda on palju vähem kui gaasides ja see sõltub temperatuurist. Näiteks magevees on kiirus 15,6 ° C juures 1460 m/s. Normaalse soolsusega merevees on see samal temperatuuril 1504 m/s. Heli kiirus suureneb vee temperatuuri ja soola kontsentratsiooni tõustes.

Seisulained.

Kui harmoonilist lainet ergastada piiratud ruumis nii, et see peegeldub piiridelt, tekivad nn seisulained. Seisulaine on kahe laine superpositsiooni tulemus, millest üks liigub edasi ja teine ​​vastupidises suunas. Ilmub võnkumiste muster, mis ei liigu ruumis, vahelduvate antisõlmede ja sõlmedega. Antisõlmedes on võnkuvate osakeste kõrvalekalded nende tasakaaluasenditest maksimaalsed ja sõlmedes null.

Seisulained stringis.

Ristlained tekivad venitatud stringis ja nöör nihkub oma algse sirge asendi suhtes. Laineid stringis pildistades on põhitooni ja ülemtoonide sõlmed ja antisõlmed selgelt nähtavad.

Seisulainete pilt hõlbustab oluliselt etteantud pikkusega stringi võnkeliikumise analüüsi. Olgu pikkusega string L, otstes fikseeritud. Sellise stringi mis tahes tüüpi vibratsiooni saab kujutada seisulainete kombinatsioonina. Kuna stringi otsad on fikseeritud, on võimalikud ainult sellised seisulained, mille piirpunktides on sõlmed. Stringi madalaim vibratsioonisagedus vastab maksimaalsele võimalikule lainepikkusele. Kuna sõlmede vaheline kaugus on l/2, on sagedus minimaalne, kui stringi pikkus võrdub poole lainepikkusega, s.t. juures l= 2L. See on stringi nn põhiline vibratsioonirežiim. Sellele vastava sageduse, mida nimetatakse põhisageduseks või põhitooniks, annab f = v/2L, Kus v– laine levimise kiirus piki stringi.

Seal on terve rida kõrgemate sagedustega võnkumisi, mis vastavad suurema arvu sõlmedega seisvalainetele. Järgmine kõrgem sagedus, mida nimetatakse teiseks harmooniliseks või esimeseks ülemtooniks, on antud

f = v/L.

Harmooniliste jada väljendatakse valemiga f = nv/2L, Kus n= 1, 2, 3, jne. See on nn stringide vibratsiooni loomulikud sagedused. Need suurenevad proportsionaalselt naturaalsete ridade arvuga: kõrgemad harmoonilised 2, 3, 4... jne juures. korda põhivibratsiooni sagedus. Seda helide jada nimetatakse loomulikuks või harmooniliseks skaalaks.

See kõik on oluline muusikaakustikas, millest tuleb allpool pikemalt juttu. Praegu pangem tähele, et stringi tekitatud heli sisaldab kõiki oma sagedusi. Igaühe nende suhteline panus sõltub sellest, millises punktis stringi vibratsioonid ergastuvad. Näiteks kui tõmbate stringi keskele, on põhisagedus kõige rohkem põnevil, kuna see punkt vastab antisõlmele. Teine harmooniline puudub, kuna selle sõlm asub keskel. Sama võib öelda ka teiste harmooniliste ( vaata allpool Muusikaline akustika).

Lainete kiirus stringis on võrdne

Kus T - nööripinge ja r L – mass nööri pikkuseühiku kohta. Seetõttu on stringi loomulik sagedusspekter antud

Seega põhjustab stringi pinge suurenemine vibratsiooni sageduste suurenemist. Vähendage antud võnkesagedust T võite võtta raskema nööri (suure r L) või selle pikkust suurendades.

Seisulained orelipillides.

Keeltega seoses esitatud teooriat saab rakendada ka torus, näiteks orelis, esineva õhu vibratsiooni suhtes. Orelipilli võib lihtsustatult vaadelda kui sirget toru, milles ergastuvad seisulained. Torul võib olla nii suletud kui ka lahtised otsad. Avatud otsas ilmub seisva laine antisõlm ja suletud otsas sõlm. Seetõttu on kahe lahtise otsaga toru põhisagedus selline, et pool lainepikkusest mahub piki toru pikkust. Torul, mille üks ots on avatud ja teine ​​suletud, on põhisagedus, mille juures veerand lainepikkusest mahub piki toru pikkust. Seega on mõlemast otsast avatud toru põhisagedus f =v/2L ja ühest otsast avatud toru puhul f = v/4L(Kus L- toru pikkus). Esimesel juhul on tulemus sama, mis stringi puhul: ülemtoonid kahekordistuvad, kolmekordistuvad jne. põhisageduse väärtus. Ühest otsast avatud toru puhul on aga ülemtoonid põhisagedusest suuremad koefitsientide võrra 3, 5, 7 jne. üks kord.

Joonisel fig. 4 ja 5 kujutavad skemaatiliselt põhisageduse seisulainete pilti ja kahte vaadeldavat tüüpi torude esimest ülemtooni. Nihked on siin näidatud mugavuse huvides risti, kuid tegelikult on need pikisuunalised.

Resonantsvõnkumised.

Seisulained on tihedalt seotud resonantsi nähtusega. Eespool käsitletud omasagedused on ka keelpilli või orelipilli resonantssagedused. Oletame, et orelitoru avatud otsa lähedale on paigutatud valjuhääldi, mis annab välja ühe kindla sagedusega signaali, mida saab soovi korral muuta. Seejärel, kui valjuhääldi signaali sagedus ühtib toru põhisagedusega või selle ühe ülemheliga, kostab toru väga valjult. See juhtub seetõttu, et valjuhääldi ergutab olulise amplituudiga õhusamba vibratsioone. Nad ütlevad, et toru resoneerib sellistes tingimustes.

Fourier analüüs ja heli sagedusspekter.

Praktikas on ühe sagedusega helilained haruldased. Kuid keerukaid helilaineid saab lagundada harmoonilisteks. Seda meetodit nimetatakse Fourier' analüüsiks prantsuse matemaatiku J. Fourier' (1768–1830) järgi, kes seda esimesena kasutas (soojusteoorias).

Heli vibratsioonide suhtelise energia ja sageduse graafikut nimetatakse heli sagedusspektriks. Selliseid spektreid on kahte peamist tüüpi: diskreetne ja pidev. Diskreetne spekter koosneb sageduste jaoks eraldi ridadest, mis on eraldatud tühjade tühikutega. Pidev spekter sisaldab kõiki selle sagedusala sagedusi.

Perioodilised helivibratsioonid.

Helivõnked on perioodilised, kui võnkeprotsess, ükskõik kui keeruline see ka poleks, kordub teatud ajaintervalli järel. Selle spekter on alati diskreetne ja koosneb teatud sagedusega harmoonilistest. Sellest ka termin “harmooniline analüüs”. Näiteks ristkülikukujulised võnkumised (joonis 6, A) amplituud muutub alates +A enne - A ja periood T= 1/f. Veel üks lihtne näide on joonisel fig 1 näidatud kolmnurkne saehamba laine. 6, b. Näide keerukama kujuga perioodilistest võnkumistest koos vastavate harmooniliste komponentidega on näidatud joonisel fig. 7.

Muusikahelid on perioodilised vibratsioonid ja sisaldavad seetõttu harmoonilisi (ületoone). Oleme juba näinud, et stringis koos põhisageduse vibratsioonidega ergastuvad ühel või teisel määral ka teised harmoonilised. Iga ülemheli suhteline panus sõltub stringi ergastamise viisist. Ülemtoonide komplekt on suures osas määratud tämber muusikaline heli. Neid küsimusi käsitletakse üksikasjalikumalt allolevas muusikaakustika peatükis.

Heliimpulsi spekter.

Tavaline helitüüp on lühiajaline heli: käteplaksutamine, uksele koputamine, põrandale kukkunud eseme heli, kägukägu. Sellised helid ei ole perioodilised ega muusikalised. Kuid neid saab ka sagedusspektriks lagundada. Sel juhul on spekter pidev: heli kirjeldamiseks on vaja kõiki sagedusi teatud sagedusalas, mis võib olla väga lai. Selle sagedusspektri tundmine on vajalik selliste helide moonutusteta taasesitamiseks, kuna vastav elektrooniline süsteem peab kõiki neid sagedusi võrdselt hästi "läbima".

Heliimpulsi põhijooned saab selgeks, kui vaadelda lihtsa kujuga impulssi. Oletame, et heli on vibratsioon kestusega D t, mille juures rõhu muutus on näidatud joonisel fig. 8, A. Selle juhtumi ligikaudne sagedusspekter on näidatud joonisel fig. 8, b. Kesksagedus vastab võnkumistele, mis meil tekiksid, kui sama signaali pikendataks lõputult.

Sagedusspektri pikkust nimetatakse ribalaiuseks D f(Joonis 8, b). Ribalaius on ligikaudne sagedusvahemik, mis on vajalik algse impulsi taasesitamiseks ilma liigsete moonutusteta. D vahel on väga lihtne põhisuhe f ja D t, nimelt

D f D t"1.

See seos kehtib kõigi heliimpulsside puhul. Selle tähendus on see, et mida lühem on impulss, seda rohkem sagedusi see sisaldab. Oletame, et allveelaeva tuvastamiseks kasutatakse sonari, mis kiirgab ultraheli impulsi kujul, mis kestab 0,0005 s signaali sagedusega 30 kHz. Ribalaius on 1/0,0005 = 2 kHz ja radariimpulsi spektris tegelikult sisalduvad sagedused jäävad vahemikku 29–31 kHz.

Müra.

Müra viitab mis tahes helile, mille tekitavad mitmed ebajärjekindlad allikad. Näiteks on tuule poolt puhutud puulehtede heli. Reaktiivmootori müra põhjustab suure kiirusega heitgaasivoolu turbulents. Müra kui ärritavat heli käsitletakse art. KESKKONNA AKUSTILINE SAASTUS.

Heli intensiivsus.

Helitugevus võib erineda. Pole raske ette kujutada, et see on tingitud helilaine poolt ülekantavast energiast. Helitugevuse kvantitatiivseks võrdluseks peate tutvustama heli intensiivsuse mõistet. Helilaine intensiivsus on defineeritud kui keskmine energiavoog läbi lainefrondi pindalaühiku ajaühikus. Teisisõnu, kui võtta üks pindala (näiteks 1 cm2), mis heli täielikult neelaks, ja asetada see laine levimise suunaga risti, siis on heli intensiivsus võrdne ühes sekundis neeldunud akustilise energiaga. Intensiivsust väljendatakse tavaliselt ühikutes W/cm2 (või W/m2).

Anname mõne tuttava heli jaoks selle suuruse väärtuse. Tavalise vestluse ajal tekkiva ülerõhu amplituud on ligikaudu miljondik atmosfäärirõhust, mis vastab akustilise heli intensiivsusele suurusjärgus 10–9 W/cm 2 . Tavalise vestluse ajal tekitatava heli koguvõimsus on vaid umbes 0,00001 W. Inimkõrva võime tajuda nii väikeseid energiaid annab tunnistust tema hämmastavast tundlikkusest.

Meie kõrvadega tajutavate helitugevuste ulatus on väga lai. Kõige valjema heli intensiivsus, mida kõrv talub, on ligikaudu 10 14 korda suurem kui minimaalne, mida kõrv kuuleb. Heliallikate täisvõimsus katab sama laia ulatuse. Seega võib väga vaikse sosina väljastatav võimsus olla suurusjärgus 10–9 W, reaktiivmootori võimsus aga 10–5 W. Jällegi erinevad intensiivsused 10 14 korda.

Detsibell.

Kuna helide intensiivsus on väga erinev, on mugavam pidada seda logaritmiliseks väärtuseks ja mõõta seda detsibellides. Logaritmiline intensiivsuse väärtus on vaadeldava väärtuse ja selle algväärtuseks võetud väärtuse suhte logaritm. Intensiivsuse tase J mingi tinglikult valitud intensiivsuse suhtes J 0 on võrdne

Helitugevuse tase = 10 lg ( J/J 0) dB.

Seega on üks heli, mille intensiivsus on 20 dB suurem kui teine, 100 korda tugevam.

Akustiliste mõõtmiste praktikas on tavaks väljendada heli intensiivsust vastava ülerõhu amplituudina R e. Kui rõhku mõõdetakse detsibellides mõne meelevaldselt valitud rõhu suhtes R 0, saadakse nn helirõhutase. Kuna heli intensiivsus on võrdeline helitugevusega P e 2 ja lg( P e 2) = 2 lg P e, määratakse helirõhutase järgmiselt:

Helirõhu tase = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Tingimuslik surve R 0 = 2H 10 –5 Pa vastab sagedusega 1 kHz heli standardse kuulmislävele. Tabelis Tabelis 2 on toodud mõnede levinud heliallikate helirõhutasemed. Need on terviklikud väärtused, mis saadakse kogu kuuldava sagedusvahemiku keskmistamisel.

Tabel 2. TÜÜPILISED HELIRÕHUTASED
Heliallikas	Helirõhutase, dB (rel. 2H 10–5 Pa)
Templitöökoda
Laeva masinaruum
Ketrus- ja kudumistöökoda
Metroo vagunis
Autos liikluses sõites
Kirjutusmasinate büroo
Raamatupidamine
kontor
Eluruum
Elamurajoon öösel
Raadio saatestuudio

Helitugevus.

Helirõhu tase ei ole lihtsalt seotud helitugevuse psühholoogilise tajumisega. Esimene neist teguritest on objektiivne ja teine ​​on subjektiivne. Katsed näitavad, et helitugevuse tajumine ei sõltu ainult heli intensiivsusest, vaid ka selle sagedusest ja katsetingimustest.

Võrdlustingimustega mitteseotud helide helitugevust ei saa võrrelda. Siiski on puhaste toonide võrdlus huvitav. Selleks määrake helirõhutase, mille juures antud heli tajutakse sama valjuna kui standardtoon sagedusega 1000 Hz. Joonisel fig. Joonisel 9 on näidatud Fletcheri ja Mansoni katsetes saadud võrdse helitugevuse kõverad. Iga kõvera jaoks on näidatud standardse 1000 Hz helirõhu tase. Näiteks heli sagedusega 200 Hz nõuab, et helitaset 60 dB tajutaks sama valjuna kui 1000 Hz heli, mille helirõhu tase on 50 dB.

Neid kõveraid kasutatakse tausta määramiseks, helitugevuse taseme ühikuks, mida mõõdetakse ka detsibellides. Taust on helitugevuse tase, mille puhul sama valju standardse puhta tooni (1000 Hz) helirõhutase on 1 dB. Seega heli sagedusega 200 Hz tasemel 60 dB on helitugevusega 50 tausta.

Alumine kõver joonisel fig. 9 on hea kõrva kuulmisläve kõver. Kuuldavate sageduste vahemik ulatub ligikaudu 20 kuni 20 000 Hz.

Helilainete levik.

Nagu vaiksesse vette visatud kiviklibu lained, levivad helilained igas suunas. Sellist levimisprotsessi on mugav iseloomustada lainefrondiga. Lainefront on pind ruumis, mille kõigis punktides toimuvad võnked samas faasis. Vette langeva kivikese lainefrondid on ringid.

Lamedad lained.

Lihtsaim lainefrondi tüüp on tasane. Tasapinnaline laine liigub ainult ühes suunas ja on idealiseerimine, mida praktikas realiseeritakse vaid ligikaudselt. Torus olevat helilainet võib pidada ligikaudu tasaseks, täpselt nagu allikast suurel kaugusel asuvat sfäärilist lainet.

Sfäärilised lained.

Lihtsad lainetüübid hõlmavad sfäärilise frondiga lainet, mis lähtub punktist ja levib igas suunas. Sellist lainet saab ergutada väikese pulseeriva sfääri abil. Allikat, mis ergastab sfäärilist lainet, nimetatakse punktallikaks. Sellise laine intensiivsus väheneb selle levimisel, kuna energia jaotub üha suurema raadiusega sfäärile.

Kui punktallikas, mis tekitab sfäärilise laine, kiirgab võimsust 4 pQ, siis alates raadiusega sfääri pindalast r võrdub 4 p r 2, heli intensiivsus sfäärilisel lainel on võrdne

J = K/r 2 ,

Kus r– kaugus allikast. Seega väheneb sfäärilise laine intensiivsus pöördvõrdeliselt allika kauguse ruuduga.

Iga helilaine intensiivsus selle levimise ajal väheneb heli neeldumise tõttu. Seda nähtust arutatakse allpool.

Huygensi põhimõte.

Huygensi põhimõte kehtib lainefrondi levimisel. Selle väljaselgitamiseks vaatleme meile teadaolevat lainefrondi kuju igal ajahetkel. Seda võib leida isegi pärast aja möödumist D t, kui esialgse lainefrondi iga punkti käsitletakse elementaarse sfäärilise laine allikana, mis on selle intervalli ulatuses kaugele levinud. v D t. Kõigi nende elementaarsete sfääriliste lainefrontide mähis on uus lainefront. Huygensi põhimõte võimaldab lainefrondi kuju määrata kogu levimisprotsessi vältel. Sellest järeldub ka, et lained, nii tasapinnalised kui ka sfäärilised, säilitavad levimise ajal oma geomeetria, eeldusel, et keskkond on homogeenne.

Heli difraktsioon.

Difraktsioon on lainete painutamine takistuse ümber. Difraktsiooni analüüsimisel kasutatakse Huygensi põhimõtet. Selle painde ulatus sõltub lainepikkuse ja takistuse või augu suuruse vahelisest seosest. Kuna heli lainepikkus on kordades pikem kui valgus, siis on helilainete difraktsioon meile vähem üllatav kui valguse difraktsioon. Seega võite rääkida kellegagi, kes seisab hoone nurga taga, kuigi teda pole näha. Helilaine paindub kergesti ümber nurga, samas kui valgus tekitab oma lühikese lainepikkuse tõttu teravaid varje.

Vaatleme tasapinnalise helilaine difraktsiooni, mis langeb kindlale auguga lameekraanile. Et määrata lainefrondi kuju teisel pool ekraani, peate teadma lainepikkuste vahelist seost l ja augu läbimõõt D. Kui need väärtused on ligikaudu samad või l palju rohkem D, siis saadakse täielikud difraktsioonitulemused: tekkiva laine lainefront on sfääriline ja laine jõuab kõikidesse ekraani taha jäävatesse punktidesse. Kui l mõnevõrra vähem D, siis levib tekkiv laine valdavalt edasisuunas. Ja lõpuks, kui l palju vähem D, siis kogu selle energia levib sirgjooneliselt. Need juhtumid on näidatud joonisel fig. 10.

Difraktsiooni täheldatakse ka siis, kui heli teel on mingi takistus. Kui takistuse suurus on palju suurem kui lainepikkus, siis heli peegeldub ja takistuse taha moodustub akustiline varjutsoon. Kui takistuse suurus on lainepikkusega võrreldav või sellest väiksem, hajub heli mingil määral kõigis suundades. Seda arvestatakse arhitektuuriakustikas. Näiteks mõnikord on hoone seinad kaetud projektsioonidega, mille mõõtmed on heli lainepikkuse suurusjärgus. (Sagedusel 100 Hz on lainepikkus õhus umbes 3,5 m.) Sel juhul on seintele langev heli hajutatud igas suunas. Arhitektuurses akustikas nimetatakse seda nähtust heli difusiooniks.

Heli peegeldumine ja edastamine.

Kui ühes keskkonnas liikuv helilaine tabab liidest teise kandjaga, võib samaaegselt toimuda kolm protsessi. Laine võib peegelduda liidesest, see võib suunda muutmata minna teise keskkonda või muuta suunda piiril, s.t. murda. Joonisel fig. Joonisel 11 on näidatud kõige lihtsam juhtum, kui tasapinnaline laine langeb täisnurga all kahte erinevat ainet eraldavale tasasele pinnale. Kui intensiivsuse peegeldustegur, mis määrab peegeldunud energia osa, on võrdne R, siis on ülekandekoefitsient võrdne T = 1 – R.

Helilaine puhul nimetatakse ülerõhu ja võnkemahulise kiiruse suhet akustiliseks impedantsiks. Peegeldus- ja ülekandetegurid sõltuvad kahe keskkonna lainetakistuste suhtest, lainetakistus on omakorda võrdeline akustiliste takistustega. Gaaside lainetakistus on palju väiksem kui vedelike ja tahkete ainete oma. Seega, kui õhulaine tabab paksu tahket objekti või sügava vee pinda, peegeldub heli peaaegu täielikult. Näiteks õhk-vesi liidese puhul on lainetakistuse suhe 0,0003. Seega on õhust vette liikuva heli energia võrdne ainult 0,12% langeva energiaga. Peegeldus- ja ülekandetegurid on pööratavad: peegelduskoefitsient on vastassuunaline ülekandetegur. Seega ei tungi heli praktiliselt ei õhust veebasseini ega vee alt väljapoole, mis on kõigile hästi teada, kes on vee all ujunud.

Eelpool vaadeldud peegelduse puhul eeldati, et teise keskkonna paksus laine levimise suunas on suur. Kuid ülekandekoefitsient on oluliselt suurem, kui teiseks kandjaks on kahte identset keskkonda eraldav sein, näiteks ruumidevaheline tahke vahesein. Fakt on see, et seina paksus on tavaliselt väiksem kui helilainepikkus või sellega võrreldav. Kui seina paksus on poole seinas oleva heli lainepikkuse kordne, siis on laine ülekandetegur risti langemisel väga suur. Sektsioon oleks selle sagedusega heli jaoks täiesti läbipaistev, kui see poleks neeldumine, mida me siin tähelepanuta jätame. Kui seina paksus on palju väiksem kui selles oleva heli lainepikkus, siis on peegeldus alati väike ja läbilaskvus suur, välja arvatud juhul, kui helineeldumise suurendamiseks võetakse erimeetmeid.

Heli murdumine.

Kui tasapinnaline helilaine langeb liidese nurga all, on selle peegeldusnurk võrdne langemisnurgaga. Ülekantav laine kaldub langeva laine suunast kõrvale, kui langemisnurk erineb 90°-st. Seda laine liikumise suuna muutust nimetatakse murdumiseks. Murdumisgeomeetria tasasel piiril on näidatud joonisel fig. 12. Näidatud on lainete suuna ja pinnanormaali vahelised nurgad q 1 langeva laine jaoks ja q 2 – murdunud mineviku jaoks. Nende kahe nurga suhe hõlmab ainult kahe kandja helikiiruste suhet. Nagu valguslainete puhul, on need nurgad üksteisega seotud Snelli seadusega:

Seega, kui heli kiirus teises keskkonnas on väiksem kui esimeses, siis on murdumisnurk väiksem kui langemisnurk, aga kui heli kiirus teises keskkonnas on suurem, siis murdumisnurk suurem kui langemisnurk.

Temperatuurigradiendist tingitud murdumine.

Kui heli kiirus ebahomogeenses keskkonnas muutub pidevalt punktist punkti, siis muutub ka murdumine. Kuna heli kiirus nii õhus kui ka vees sõltub temperatuurist, siis temperatuurigradiendi olemasolul võivad helilained muuta oma liikumise suunda. Atmosfääris ja ookeanis täheldatakse tavaliselt horisontaalse kihistumise tõttu vertikaalseid temperatuurigradiente. Seetõttu võib temperatuuri gradientidest põhjustatud heli vertikaalse kiiruse muutuste tõttu helilaine kalduda kas üles või alla.

Mõelge juhtumile, kui mõnes kohas Maapinna lähedal on õhk soojem kui kõrgemates kihtides. Seejärel langeb kõrguse kasvades siinne õhutemperatuur ja koos sellega väheneb ka heli kiirus. Maapinna lähedal asuva allika poolt väljastatud heli liigub murdumise tõttu ülespoole. See on näidatud joonisel fig. 13, mis näitab heli "kiiri".

Helikiirte kõrvalekalle, mis on näidatud joonisel fig. 13, kirjeldab üldiselt Snelli seadus. Kui läbi q, nagu varemgi, tähistab nurka vertikaali ja kiirguse suuna vahel, siis on üldistatud Snelli seadusel vorm sin q/v= const, mis viitab kiirele mis tahes punktile. Seega, kui kiir liigub piirkonda, kus kiirus v väheneb, siis nurk q peaks ka vähenema. Seetõttu kalduvad helikiired alati helikiiruse vähenemise suunas kõrvale.

Jooniselt fig. 13 on näha, et allikast mingil kaugusel asub piirkond, kuhu helikiired üldse ei tungi. See on nn vaikuse tsoon.

On täiesti võimalik, et kusagil kõrgemal kui joonisel fig. 13, temperatuurigradiendi tõttu suureneb heli kiirus kõrgusega. Sel juhul kaldub helilaine, mis algselt siin ülespoole kaldus, Maa pinna poole suurel kaugusel. See juhtub siis, kui atmosfääris moodustub temperatuuri inversiooni kiht, mille tulemusena on võimalik vastu võtta ülipika ulatusega helisignaale. Pealegi on vastuvõtu kvaliteet kaugemates punktides isegi parem kui läheduses. Ajaloos on olnud palju näiteid ülipika vastuvõtu kohta. Näiteks Esimese maailmasõja ajal, kui atmosfääritingimused soosisid heli sobivat murdumist, võis Inglismaal kuulda Prantsuse rindel kanonaadi.

Heli murdumine vee all.

Vertikaalsete temperatuurimuutuste põhjustatud heli murdumist täheldatakse ka ookeanis. Kui temperatuur ja seega ka heli kiirus sügavusega väheneb, suunatakse helikiired allapoole, mille tulemuseks on vaikuse tsoon, mis on sarnane joonisel fig. 13 atmosfääri jaoks. Ookeani jaoks saab vastava pildi, kui see pilt lihtsalt ümber pöörata.

Vaikuse tsoonide olemasolu muudab allveelaevade tuvastamise sonari abil keeruliseks ning murdumine, mis suunab helilaineid allapoole, piirab oluliselt nende levimisulatust pinna lähedal. Siiski täheldatakse ka ülespoole suunatud murdumist. See võib luua sonari jaoks soodsamad tingimused.

Helilainete häired.

Kahe või enama laine superpositsiooni nimetatakse laine interferentsiks.

Seisulained interferentsi tagajärjel.

Eespool käsitletud seisulained on häirete erijuht. Seisulained tekivad kahe sama amplituudi, faasi ja sagedusega laine superpositsiooni tulemusena, mis levivad vastassuundades.

Seisulaine antisõlmede amplituud on võrdne iga laine kahekordse amplituudiga. Kuna laine intensiivsus on võrdeline selle amplituudi ruuduga, tähendab see, et intensiivsus antisõlmedes on 4 korda suurem iga laine intensiivsusest või 2 korda suurem kahe laine koguintensiivsusest. Siin ei ole energia jäävuse seadust rikutud, kuna intensiivsus sõlmedes on null.

Peksmine.

Võimalik on ka erineva sagedusega harmooniliste lainete interferents. Kui kaks sagedust erinevad vähe, tekivad nn löögid. Löökid on heli amplituudi muutused, mis tekivad sagedusel, mis on võrdne algsageduste erinevusega. Joonisel fig. Joonisel 14 on kujutatud löökide ostsillogrammi.

Tuleb meeles pidada, et löögisagedus on heli amplituudmodulatsiooni sagedus. Löömist ei tohiks segi ajada harmoonilise signaali moonutusest tuleneva sageduse erinevusega.

Kahe tooni kooshäälestamisel kasutatakse sageli lööke. Sagedust reguleeritakse seni, kuni lööke enam kuulda pole. Isegi kui löögisagedus on väga väike, suudab inimkõrv tajuda helitugevuse perioodilist suurenemist ja vähenemist. Seetõttu on löögid helivahemiku häälestamiseks väga tundlik meetod. Kui häälestus pole täpne, saab sageduserinevuse määrata kõrva järgi, lugedes löökide arvu ühes sekundis. Muusikas tajutakse kõrgemate harmooniliste komponentide lööke ka kõrvaga, mida kasutatakse klaveri häälestamisel.

Helilainete neeldumine.

Helilainete intensiivsus nende levimise ajal väheneb alati tänu sellele, et teatud osa akustilisest energiast hajub. Soojusvahetuse, molekulidevahelise interaktsiooni ja sisemise hõõrdumise protsesside tõttu neelduvad helilained mis tahes keskkonnas. Neeldumise intensiivsus sõltub helilaine sagedusest ja muudest teguritest, nagu keskkonna rõhk ja temperatuur.

Laine neeldumist keskkonnas iseloomustab kvantitatiivselt neeldumiskoefitsient a. See näitab, kui kiiresti ülerõhk väheneb sõltuvalt leviva laine läbitud vahemaast. Ülerõhu amplituudi langus –D R e distantsi D läbimisel X võrdeline esialgse ülerõhu amplituudiga R e ja kaugus D X. Seega

-D P e = ahv D x.

Näiteks kui ütleme, et neeldumiskadu on 1 dB/m, tähendab see, et 50 m kaugusel väheneb helirõhutase 50 dB võrra.

Sisehõõrdumisest ja soojusjuhtivusest tingitud neeldumine.

Helilaine levimisega seotud osakeste liikumise ajal on hõõrdumine keskkonna erinevate osakeste vahel vältimatu. Vedelikes ja gaasides nimetatakse seda hõõrdumist viskoossuseks. Viskoossus, mis põhjustab akustilise laineenergia pöördumatu muundamise soojuseks, on peamine põhjus heli neeldumisel gaasides ja vedelikes.

Lisaks on gaaside ja vedelike neeldumine tingitud soojuskadudest laines kokkusurumisel. Oleme juba öelnud, et kui laine möödub, siis kokkusurumisfaasis olev gaas soojeneb. Selles kiires protsessis ei ole soojusel tavaliselt aega gaasi muudesse piirkondadesse või anuma seintele üle kanda. Kuid tegelikult on see protsess ebatäiuslik ja osa vabanenud soojusenergiast lahkub süsteemist. Seda seostatakse soojusjuhtivusest tingitud heli neeldumisega. See neeldumine toimub gaaside, vedelike ja tahkete ainete survelainetes.

Nii viskoossusest kui ka soojusjuhtivusest tingitud heli neeldumine suureneb üldiselt sageduse ruuduga. Seega neelduvad kõrgsageduslikud helid palju tugevamini kui madala sagedusega helid. Näiteks normaalrõhul ja -temperatuuril on neeldumistegur (mõlema mehhanismi tõttu) sagedusel 5 kHz õhus umbes 3 dB/km. Kuna neeldumine on võrdeline sageduse ruuduga, on neeldumistegur 50 kHz juures 300 dB/km.

Imendumine tahketes ainetes.

Gaasides ja vedelikes esinev soojusjuhtivusest ja viskoossusest tingitud helineeldumismehhanism säilib ka tahkes. Siin aga lisanduvad sellele uued neeldumismehhanismid. Neid seostatakse tahkete ainete struktuuri defektidega. Fakt on see, et polükristallilised tahked materjalid koosnevad väikestest kristalliitidest; Kui heli läbib neid, tekivad deformatsioonid, mis põhjustavad helienergia neeldumist. Heli on hajutatud ka kristalliitide piiridel. Lisaks sisaldavad isegi üksikud kristallid selliseid defekte nagu nihestused, mis aitavad kaasa heli neeldumisele. Dislokatsioonid on aatomitasandite koordineerimise rikkumised. Kui helilaine põhjustab aatomivibratsiooni, nihkuvad nihestused ja naasevad seejärel oma algsesse asendisse, hajutades energiat sisemise hõõrdumise tõttu.

Dislokatsioonidest tingitud neeldumine selgitab eelkõige seda, miks pliist valmistatud kelluke ei helise. Plii on pehme metall, milles on palju nihestusi ja seetõttu lagunevad helivibratsioonid selles ülikiiresti. Kuid see heliseb hästi, kui jahutada vedela õhuga. Madalatel temperatuuridel on nihestused "külmunud" fikseeritud asendis ja seetõttu ei liigu ega muuda helienergiat soojuseks.

MUUSIKAKUSTIKA

Muusikalised helid.

Muusikaakustika uurib muusikahelide omadusi, nende tajumisega seotud omadusi ja muusikariistade kõlamehhanisme.

Muusikaline heli ehk toon on perioodiline heli, s.o. kõikumised, mis korduvad teatud perioodi järel ikka ja jälle. Eespool öeldi, et perioodilist heli saab esitada võnkumiste summana, mille sagedused on põhisageduse kordsed. f: 2f, 3f, 4f jne. Samuti märgiti, et vibreerivad keelpillid ja õhusambad tekitavad muusikalisi helisid.

Muusikalised helid erinevad kolmel viisil: helitugevus, helikõrgus ja tämber. Kõik need näitajad on subjektiivsed, kuid neid saab seostada mõõdetavate väärtustega. Valjus on eelkõige seotud heli intensiivsusega; heli kõrgus, mis iseloomustab selle positsiooni muusikalises struktuuris, määratakse tooni sagedusega; Tämbrit, mille poolest üks instrument või hääl teisest erineb, iseloomustab energia jaotus harmooniliste vahel ja selle jaotuse muutumine ajas.

Heli kõrgus.

Muusikalise heli kõrgus on tihedalt seotud sagedusega, kuid ei ole sellega identne, kuna kõrguse hindamine on subjektiivne.

Näiteks on kindlaks tehtud, et ühesagedusliku heli kõrguse hindamine sõltub mõnevõrra selle helitugevusest. Helitugevuse olulise suurenemisega, näiteks 40 dB, võib näiv sagedus väheneda 10%. Praktikas ei oma see sõltuvus valjust, kuna muusikahelid on palju keerulisemad kui ühesageduslikud helid.

Kõnekõrguse ja sageduse vahelise seose küsimus on põhimõttelisem: kui muusikahelid koosnevad harmoonilistest, siis millise sagedusega on tajutav helikõrgus seotud? Selgub, et see ei pruugi olla sagedus, mis vastab maksimaalsele energiale, ja mitte spektri madalaim sagedus. Näiteks muusikalist heli, mis koosneb 200, 300, 400 ja 500 Hz sageduste komplektist, tajutakse helina, mille kõrgus on 100 Hz. See tähendab, et heli kõrgus on seotud harmoonilise jada põhisagedusega, isegi kui see ei kuulu helispektrisse. Tõsi, enamasti on põhisagedus spektris ühel või teisel määral olemas.

Heli kõrguse ja selle sageduse suhetest rääkides ei tohiks unustada inimese kuulmisorgani omadusi. See on spetsiaalne akustiline vastuvõtja, mis toob sisse omad moonutused (rääkimata sellest, et kuulmisel on psühholoogilised ja subjektiivsed aspektid). Kõrv on võimeline tuvastama teatud sagedusi, lisaks läbib helilaine selles mittelineaarseid moonutusi. Sageduse selektiivsus on tingitud heli valjuse ja selle intensiivsuse erinevusest (joonis 9). Keerulisem on seletada mittelineaarseid moonutusi, mis väljenduvad algses signaalis puuduvate sageduste ilmnemises. Kõrva reaktsiooni mittelineaarsus on tingitud selle erinevate elementide liikumise asümmeetriast.

Mittelineaarse vastuvõtusüsteemi üks iseloomulikke tunnuseid on see, kui seda ergastatakse sagedusega heliga f 1 selles erutuvad harmoonilised ülemtoonid 2 f 1 , 3f 1,... ja mõnel juhul ka 1/2 tüüpi alamharmoonikud f 1 . Lisaks kahe sagedusega mittelineaarse süsteemi ergastamisel f 1 ja f 2 on selles erutatud summa- ja vahesagedused f 1 + f 2 Ja f 1 - f 2. Mida suurem on algvõnkumiste amplituud, seda suurem on "lisa" sageduste panus.

Seega võivad kõrva akustiliste omaduste mittelineaarsuse tõttu tekkida sagedused, mida helis ei esine. Selliseid sagedusi nimetatakse subjektiivseteks toonideks. Oletame, et heli koosneb 200 ja 250 Hz sagedusega puhastest toonidest. Reaktsiooni mittelineaarsuse tõttu tekivad lisasagedused: 250 – 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2ґ 200 = 400, 2ґ 250 = 500 Hz jne. Kuulajale tundub, et helis on terve rida kombineeritud sagedusi, kuid nende välimus on tegelikult tingitud kõrva mittelineaarsest reaktsioonist. Kui muusikaline heli koosneb põhisagedusest ja selle harmoonilistest, on ilmne, et põhisagedust võimendavad sageduste erinevused tõhusalt.

Tõsi, nagu uuringud on näidanud, tekivad subjektiivsed sagedused alles siis, kui algsignaali amplituud on piisavalt suur. Seetõttu on võimalik, et varem oli subjektiivsete sageduste roll muusikas tugevalt liialdatud.

Muusikalised standardid ja helikõrguse mõõtmine.

Muusikaajaloos võeti erineva sagedusega helisid kui põhitooni, mis määrab kogu muusikalise struktuuri. Nüüd on esimese oktaavi noodi “A” üldtunnustatud sagedus 440 Hz. Kuid varem varieerus see vahemikus 400 kuni 462 Hz.

Traditsiooniline viis heli kõrguse määramiseks on võrrelda seda standardse häälekahvli tooniga. Antud heli sageduse kõrvalekallet standardist hinnatakse löökide olemasolu järgi. Häälestushargid on kasutusel ka tänapäeval, kuigi nüüd on helikõrguse määramiseks olemas mugavamad instrumendid, näiteks tavaline stabiilne sagedusgeneraator (kvartsresonaatoriga), mida saab sujuvalt häälestada kogu helivahemiku piires. Tõsi, sellise seadme täpne kalibreerimine on üsna keeruline.

Laialdaselt kasutatav stroboskoopiline helikõrguse mõõtmise meetod on see, et muusikainstrumendi heli määrab stroboskoopilise lambi välkude sageduse. Lamp valgustab teadaoleva sagedusega pöörleval kettal olevat mustrit ja tooni põhisagedus määratakse ketta mustri näiva liikumissageduse järgi stroboskoopilise valgustuse all.

Kõrv on helikõrguse muutuste suhtes väga tundlik, kuid selle tundlikkus sõltub sagedusest. See on maksimaalne kuuldavuse alumise läve lähedal. Isegi treenimata kõrv suudab tuvastada vaid 0,3% sageduse erinevust vahemikus 500 kuni 5000 Hz. Tundlikkust saab treeninguga tõsta. Muusikutel on väga arenenud helikõrguse tunnetus, kuid see ei aita alati võrdlusostsillaatori poolt tekitatud puhta tooni sagedust määrata. See viitab sellele, et heli sageduse määramisel kõrva järgi on selle tämbril oluline roll.

Tämber.

Tämber viitab muusikahelide nendele omadustele, mis annavad muusikariistadele ja häältele nende ainulaadse eripära, isegi kui võrrelda sama kõrguse ja helitugevusega helisid. See on nii-öelda helikvaliteet.

Tämber sõltub heli sagedusspektrist ja selle muutumisest ajas. Selle määravad mitmed tegurid: energia jaotus ülemtoonide vahel, heli ilmumise või peatumise hetkel tekkivad sagedused (nn üleminekutoonid) ja nende sumbumine, samuti heli aeglane amplituud ja sagedusmodulatsioon ( "vibrato").

Ülemtoonide intensiivsus.

Vaatleme venitatud nööri, mida ergastab selle keskosa kitkumine (joon. 15, A). Kuna kõigil paarisharmoonilistel on sõlmed keskel, siis need puuduvad ja võnkumised koosnevad paaritutest harmoonilistest, mille põhisagedus on võrdne f 1 = v/2l, Kus v – laine kiirus stringis ja l- selle pikkus. Seega on kohal ainult sagedused f 1 , 3f 1 , 5f 1 jne. Nende harmooniliste suhtelised amplituudid on näidatud joonisel fig. 15, b.

See näide võimaldab meil teha järgmise olulise üldise järelduse. Resonantssüsteemi harmooniliste hulga määrab selle konfiguratsioon ja energia jaotus harmooniliste vahel sõltub ergastusmeetodist. Kui string on ergastatud, domineerib selle keskel põhisagedus ja ühtlased harmoonilised surutakse täielikult alla. Kui keel on fikseeritud oma keskosas ja kitkuda kuskil mujal, siis põhisagedus ja paaritu harmoonilised summutatakse.

Kõik see kehtib ka teiste kuulsate muusikariistade kohta, kuigi üksikasjad võivad olla väga erinevad. Instrumentidel on tavaliselt heli väljastamiseks õhuõõnsus, kõlalaud või sarv. Kõik see määrab ülemtoonide struktuuri ja formantide välimuse.

Formantid.

Nagu eespool öeldud, sõltub muusikariistade helikvaliteet energia jaotusest harmooniliste vahel. Kui paljude instrumentide ja eriti inimhääle helikõrgus muutub, muutub harmooniliste jaotus nii, et fundamentaalsed ülemhelid paiknevad alati ligikaudu samas sagedusalas, mida nimetatakse formandivahemikuks. Formantide olemasolu üheks põhjuseks on resonantselementide, näiteks kõlalaua ja õhuresonaatori kasutamine heli võimendamiseks. Looduslike resonantside laius on tavaliselt suur, tänu millele on kiirgusefektiivsus vastavatel sagedustel suurem. Vaskpuhkpillide puhul määrab formandid kella järgi, millest heli välja tuleb. Ülemtoonid formantide vahemikus on alati tugevalt rõhutatud, kuna need kiirgatakse maksimaalse energiaga. Formandid määravad suuresti ära muusikainstrumendi või hääle helide iseloomulikud kvalitatiivsed tunnused.

Aja jooksul muutuvad toonid.

Ühegi pilli toon jääb harva aja jooksul muutumatuks ja tämber on sellega oluliselt seotud. Isegi kui instrument säilitab pikka nooti, ​​toimub sageduse ja amplituudi kerge perioodiline modulatsioon, mis rikastab heli – “vibrato”. See kehtib eriti keelpillide kohta, nagu viiul ja inimhääl.

Paljude instrumentide, näiteks klaveri puhul on heli kestus selline, et konstantsel toonil ei ole aega moodustuda - erutunud heli kasvab kiiresti ja vaibub seejärel kiiresti. Kuna ülemtoonide sumbumist põhjustavad tavaliselt sagedusest sõltuvad efektid (näiteks akustiline kiirgus), siis on ilmne, et ülemtoonide jaotus muutub kogu tooni helis.

Mõne instrumendi tooni muutumise olemus aja jooksul (heli tõusu ja languse kiirus) on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. 18. Nagu on hästi näha, ei ole keelpillidel (kitkutud ja klahvpillidel) praktiliselt ühtset tooni. Sellistel juhtudel saame ülemtoonide spektrist rääkida vaid tinglikult, kuna heli muutub ajas kiiresti. Tõusu- ja langusomadused on ka selliste pillide tämbri oluline osa.

Üleminekutoonid.

Tooni harmooniline kompositsioon muutub tavaliselt kiiresti pärast heli ergastamist lühikese aja jooksul. Nendes pillides, mille heli ergastab keelpillide löömine või nügimine, on kõrgematele harmoonilistele (nagu ka paljudele mitteharmoonilistele komponentidele) omistatav energia maksimaalne kohe pärast heli algust ja sekundi murdosa pärast need sagedused surevad. välja. Sellised helid, mida nimetatakse üleminekuteks, annavad instrumendi kõlale konkreetse värvingu. Klaveril tekivad need nöörile lööva haamri tegevusest. Mõnikord saab ühesuguse ülemhelistruktuuriga muusikariistu eristada vaid üleminekutoonide järgi.

MUUSIKARIISTADE HELI

Muusikalisi helisid saab erutada ja muuta mitmel viisil, mistõttu on muusikariistad erineva kujuga. Pille lõid ja täiustasid enamasti muusikud ja vilunud käsitöölised ise, ilma teadusliku teooria poole pöördumata. Seetõttu ei suuda akustikateadus näiteks seletada, miks viiulil on selline kuju nagu ta on. Siiski on täiesti võimalik kirjeldada viiuli kõlaomadusi selle mängu ja kujunduse üldistest põhimõtetest lähtuvalt.

Instrumendi sagedusvahemik viitab tavaliselt selle põhitoonide sagedusvahemikule. Inimhääl on umbes kaks oktaavi ja muusikariistal vähemalt kolm (suur orel kümme). Enamasti ulatuvad ülemtoonid kuuldava vahemiku päris servani.

Muusikariistadel on kolm põhiosa: vibreeriv element, mehhanism selle ergutamiseks ja abiresonaator (sarv või kõlalaud) vibreeriva elemendi ja ümbritseva õhu vaheliseks akustiliseks suhtluseks.

Muusikaline heli on ajas perioodiline ja perioodilised helid koosnevad harmooniliste reast. Kuna keelpillide ja fikseeritud pikkusega õhusammaste omavõnkesagedused on omavahel harmooniliselt seotud, on paljudes instrumentides peamisteks vibreerivateks elementideks keeled ja õhusambad. Mõne erandiga (flööt on üks neist) ei suuda instrumendid tekitada ühesageduslikku heli. Kui põhivibraator on põnevil, ilmub ülemtoone sisaldav heli. Mõne vibraatori puhul ei ole resonantssagedused harmoonilised komponendid. Sedasorti instrumente (näiteks trumme ja taldrikuid) kasutatakse orkestrimuusikas erilise väljendusrikkuse ja rütmi rõhutamiseks, kuid mitte meloodia arendamiseks.

Keelpillid.

Vibreeriv keel ise on halb heli tekitaja ja seetõttu peab keelpillil olema lisaresonaator, et ergutada märgatava intensiivsusega heli. See võib olla suletud õhuhulk, kõlalaud või mõlema kombinatsioon. Pilli kõlalise iseloomu määrab ka see, kuidas keelpillid on erutatud.

Varem nägime, et fikseeritud pikkusega stringi vibratsiooni põhisagedus L on antud väljendiga

Kus T on nööri pingejõud ja r L– mass nööri pikkuseühiku kohta. Seetõttu saame sagedust muuta kolmel viisil: muutes pikkust, pinget või massi. Paljud pillid kasutavad vähest võrdse pikkusega keeli, mille põhisagedused on määratud pinge ja massi õige valikuga. Muud sagedused saadakse nööri pikkust sõrmedega lühendades.

Teistel pillidel, näiteks klaveril, on iga noodi jaoks üks paljudest eelhäälestatud keeltest. Klaveri häälestamine, kus sagedusala on suur, ei ole lihtne ülesanne, eriti madala sagedusega piirkonnas. Kõikide klaverikeelte pingejõud on peaaegu sama (umbes 2 kN) ning keelpillide pikkuse ja paksuse muutmisega saavutatakse sageduste mitmekesisus.

Keelpilli segamine võib toimuda kitkumise (näiteks harfil või bandžol), löömise (klaveril) või poogna abil (viiuliperekonna muusikariistade puhul). Kõigil juhtudel, nagu ülal näidatud, sõltub harmooniliste arv ja nende amplituud stringi ergastamise meetodist.

Klaver.

Tüüpiline näide instrumendist, kus keel lööb erutab, on klaver. Pilli suur kõlalaud pakub laia valikut formante, mistõttu on selle tämber iga põnevil noodi jaoks väga ühtlane. Põhiformandid saavutavad haripunkti sagedustel umbes 400–500 Hz ja madalamatel sagedustel on toonid eriti rikkad harmooniliste poolest, kusjuures põhisageduse amplituud on väiksem kui mõnel ülemhelil. Klaveril lüüakse vasar kõikidel, välja arvatud lühimatel keeltel punktis, mis asub 1/7 keele pikkusest selle ühest otsast. Tavaliselt seletatakse seda asjaoluga, et sel juhul on seitsmes harmooniline, mis on põhisageduse suhtes dissonants, oluliselt alla surutud. Kuid haamri lõpliku laiuse tõttu on summutatud ka teised seitsmenda lähedal asuvad harmoonilised.

Viiuli perekond.

Viiuli pillide perekonnas tekitab pikki helisid poog, mille abil rakendatakse keelele muutlikku liikumapanevat jõudu, säilitades keele vibratsiooni. Liikuva vibu toimel tõmmatakse nöör hõõrdumise tõttu küljele, kuni see pingejõu suurenemise tõttu katkeb. Lähteasendisse naastes kannab teda jälle vibu. Seda protsessi korratakse nii, et stringile mõjub perioodiline välisjõud.

Suuruse suurenemise ja sagedusvahemiku kahanemise järjekorras on põhilised poogenkeelpillid järjestatud järgmiselt: viiul, vioola, tšello, kontrabass. Nende pillide sagedusspektrid on eriti rikkad ülemtoonide poolest, mis kahtlemata annab nende kõlale erilise soojuse ja väljendusrikkuse. Viiuliperekonnas on vibreeriv keel akustiliselt ühendatud pilli õhuõõnsuse ja korpusega, mis määravad peamiselt formantide struktuuri, mis hõivavad väga laia sagedusala. Viiuliperekonna suurtel esindajatel on formantide komplekt nihkunud madala sagedusega piirkonda. Seetõttu omandab kahel viiuliperekonna pillil mängitav sama noot ülemtoonide struktuuri erinevuse tõttu erineva tämbrivärvi.

Viiulil on selle korpuse kuju tõttu tugev resonants sagedusel 500 Hz. Kui esitatakse nooti, ​​mille sagedus on sellele väärtusele lähedane, võib tekkida soovimatu vibreeriv heli, mida nimetatakse "hunditooniks". Ka viiuli korpuse sees olevas õhuõõnes on oma resonantssagedused, millest peamine asub 400 Hz lähedal. Oma erilise kuju tõttu on viiulil arvukalt tihedalt asetsevaid resonantse. Kõik need, välja arvatud hunditoon, ei paista väljavõetud heli üldises spektris eriti esile.

Puhkpillid.

Puupuhkpillid.

Õhu loomulikest vibratsioonidest piiratud pikkusega silindrilises torus oli juttu varem. Omasagedused moodustavad harmooniliste jada, mille põhisagedus on pöördvõrdeline toru pikkusega. Muusikahelid puhkpillides tekivad õhusamba resonantsergastuse tõttu.

Õhuvibratsiooni ergastab kas resonaatori seina teravale servale langeva õhuvoolu vibratsioon või õhuvoolus oleva pilliroo painduva pinna vibratsioon. Mõlemal juhul toimuvad tööriista silindri lokaliseeritud piirkonnas perioodilised rõhumuutused.

Esimene neist ergastusmeetoditest põhineb "serva toonide" ilmnemisel. Kui pilust väljub õhuvool, mille purustab terava servaga kiilukujuline takistus, tekivad perioodiliselt keerised, esmalt ühel, seejärel teisel pool kiilu. Mida suurem on õhuvoolu kiirus, seda suurem on nende moodustumise sagedus. Kui selline seade on akustiliselt ühendatud resoneeriva õhusambaga, siis ääretooni sagedust “püüab” õhusamba resonantssagedus, s.t. keeriste tekkimise sageduse määrab õhusammas. Sellistes tingimustes ergastub õhusamba põhisagedus ainult siis, kui õhuvoolu kiirus ületab teatud miinimumväärtust. Teatud seda väärtust ületavate kiiruste vahemikus on ääretooni sagedus võrdne selle põhisagedusega. Veelgi suurema õhuvoolu kiiruse korral (lähedal sellele, mille juures resonaatoriga ühenduse puudumisel oleks servasagedus võrdne resonaatori teise harmoonilisega) hüppab servasagedus kahekordseks ja tooni kõrgus kogu süsteemi poolt väljastatav on oktaavi võrra kõrgem. Seda nimetatakse ülepuhumiseks.

Ääretoonid erutavad õhusambaid sellistes instrumentides nagu orel, flööt ja pikolo. Flöödi mängides ergastab esineja ääretoone, puhudes küljelt ühe otsa lähedal olevasse küljeauku. Ühe oktavi noodid alates D-st ja kõrgemal on tekitatud tünni efektiivse pikkuse muutmise, külgmiste aukude avamise teel tavalise servatooniga. Kõrgemad oktavid saadakse ülepuhumisega.

Teine võimalus puhkpilli heli ergastamiseks põhineb õhuvoolu perioodilisel katkestamisel võnkuva pillirooga, mida nimetatakse pillirooks, kuna see on valmistatud pilliroost. Seda meetodit kasutatakse erinevatel puu- ja vaskpuhkpillidel. Võimalusi on ühe pillirooga (nagu näiteks klarneti, saksofoni ja akordioni tüüpi pillidel) ja sümmeetrilise kahe pillirooga (nagu näiteks oboe ja fagoti puhul). Mõlemal juhul on võnkeprotsess sama: õhku puhutakse läbi kitsa pilu, milles rõhk Bernoulli seaduse kohaselt väheneb. Kepp tõmmatakse pilusse ja sulgeb selle. Voolu puudumisel elastne kepp sirgub ja protsess kordub.

Puhkpillides toimub skaala nootide valimine, nagu flöödil, külgmiste aukude avamise ja puhumise teel.

Erinevalt mõlemast otsast avatud trompetist, millel on kõik ülemtoonid, on trompetil, mis on avatud ainult ühest otsast, ainult paaritu harmoonilised ( cm. kõrgemale). See on klarneti konfiguratsioon ja seetõttu on selle ühtlased harmoonilised nõrgalt väljendunud. Klarnetis ülepuhumine toimub sagedusega, mis on 3 korda suurem kui põhiline.

Oboes on teine ​​harmooniline üsna intensiivne. See erineb klarnetist selle poolest, et selle ava on koonusekujuline, samas kui klarnetil on ava ristlõige suurema osa pikkusest konstantne. Koonilises tünnis on vibratsiooni sagedusi keerulisem arvutada kui silindrilises torus, kuid seal on siiski täielik ülemtoonide valik. Sellisel juhul on suletud kitsa otsaga koonilise toru vibratsioonisagedused samad, mis mõlemast otsast avatud silindrilisel torul.

Vaskpuhkpillid.

Vaskpuhkpillid, sealhulgas metsasarv, trompet, kolbkornet, tromboon, bugle ja tuuba, erutavad huuled, mis kombineerituna erikujulise huulikuga sarnanevad kahekordse pilliroo tegevusega. Põneva heli õhurõhk on siin palju kõrgem kui puupuhkpillidel. Messingtuuledel on tavaliselt silindrilise ja koonilise osaga metallist tünn, mis lõpeb kellaga. Sektsioonid on valitud nii, et oleks võimalik pakkuda täielikku harmooniliste spektrit. Tünni kogupikkus on vahemikus 1,8 m toru puhul kuni 5,5 m toru puhul. Toru kruvitakse teokujuliselt käsitsemise hõlbustamiseks, mitte akustilistel põhjustel.

Fikseeritud tünnipikkuse korral on esineja käsutuses vaid tünni loomulike sagedustega määratud noodid (ja põhisagedus on tavaliselt “mittepigistav”) ning kõrgemaid harmoonilisi ergastab õhurõhu tõus huulikus. Seega saab fikseeritud pikkusega nootil mängida vaid mõnda nooti (teine, kolmas, neljas, kvint ja kuues harmooniline). Teistel vaskpuhkpillidel võetakse harmooniliste vahel olevad sagedused tünni pikkuse muutmise teel. Tromboon on selles mõttes ainulaadne, selle tünni pikkust reguleerib sissetõmmatava U-kujulise liumäe sujuv liikumine. Kogu skaala nootide valiku tagavad slaidi seitse erinevat asendit koos tünni ergastatud ülemtooni muutusega. Teiste vaskpuhkpillide puhul saavutatakse see toru kogupikkuse tõhusa pikendamisega, kasutades kolme erineva pikkusega ja erinevates kombinatsioonides külgkanalit. See annab seitse erinevat tünni pikkust. Nagu tromboonil, löövad kogu skaala noote põnevad erinevad ülemtoonide jadad, mis vastavad neile seitsmele tünni pikkusele.

Kõikide vaskpillide toonid on harmooniliselt rikkad. See on peamiselt tingitud kella olemasolust, mis suurendab helikiirguse efektiivsust kõrgetel sagedustel. Trompet ja metsasarv on loodud mängima palju laiemat harmooniat kui bugle. Soolotrompetipartii I. Bachi loomingus sisaldab palju lõike rea neljandas oktavis, ulatudes selle instrumendi 21. harmooniani.

Löökpillid.

Löökpillid pannakse kõlama, lüües pilli keha ja ergutades seeläbi selle vabu vibratsioone. Sellised instrumendid erinevad klaverist, milles vibratsiooni ergastab ka löök, kahe poolest: vibreeriv keha ei tekita harmoonilisi ülemtoone ja ta suudab ise heli väljastada ilma lisaresonaatorita. Löökpillide hulka kuuluvad trummid, taldrikud, ksülofon ja kolmnurk.

Tahkete ainete vibratsioonid on palju keerulisemad kui sama kujuga õhuresonaatorid, kuna tahketes ainetes on rohkem vibratsiooni liike. Seega võivad surve-, painutus- ja väändelained levida mööda metallvarda. Seetõttu on silindrilisel vardal palju rohkem vibratsioonirežiime ja seega ka resonantssagedusi kui silindrilisel õhusambal. Pealegi ei moodusta need resonantssagedused harmoonilist jada. Ksülofon kasutab tahkete vardade painutusvibratsiooni. Vibreeriva ksülofoni riba ülemtoonide suhted põhisagedusega on: 2,76, 5,4, 8,9 ja 13,3.

Häälestushark on võnkuv kaardus varras ja selle peamine vibratsioonirežiim tekib siis, kui mõlemad käed lähenevad samaaegselt üksteisele või eemalduvad üksteisest. Häänikul puudub ülemtoonide harmooniline jada ja kasutatakse ainult selle põhisagedust. Selle esimese ülemheli sagedus on rohkem kui 6 korda suurem kui põhisagedus.

Teine näide võnkuvast tahkest kehast, mis tekitab muusikalisi helisid, on kell. Kellade suurused võivad olla erinevad – väikesest kellast kuni mitmetonniste kirikukelladeni. Mida suurem on kell, seda madalamaid helisid see teeb. Kellade kuju ja muud omadused on nende sajanditepikkuse evolutsiooni jooksul palju muutunud. Väga vähesed ettevõtted tegelevad nende tootmisega, mis nõuab suuri oskusi.

Kella esialgne ülemtoonide seeria ei ole harmooniline ja ülemtoonide suhted ei ole erinevate kellade puhul samad. Näiteks ühe suure kella puhul olid ülemheli ja põhisageduste mõõdetud suhted 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 ja 5,33. Kuid energia jaotus ülemhelide vahel muutub kiiresti pärast kella löömist ja kella kuju näib olevat valitud nii, et domineerivad sagedused on üksteisega seotud ligikaudu harmooniliselt. Kella helikõrgust ei määra mitte põhisagedus, vaid domineeriv noot vahetult pärast löömist. See vastab ligikaudu kella viiendale ülemtoonile. Mõne aja pärast hakkavad kella kõlas domineerima madalamad ülemtoonid.

Trumlis on võnkuvaks elemendiks nahkmembraan, tavaliselt ümmargune, mida võib pidada venitatud nööri kahemõõtmeliseks analoogiks. Muusikas ei ole trummel nii tähtis kui keel, kuna selle loomulik omasageduste vahemik ei ole harmooniline. Erandiks on timpan, mille membraan on venitatud üle õhkresonaatori. Trummi ülemtoonide jada saab muuta harmooniliseks, muutes pea paksust radiaalsuunas. Sellise trummi näide oleks tabla, mida kasutatakse klassikalises India muusikas.

Lindude laulmine, vihma ja tuule hääl, äike, muusika – kõike, mida kuuleme, peame heliks.

Teaduslikust vaatenurgast on heli füüsiline nähtus, mis esindab tahkes, vedelas ja gaasilises keskkonnas levivad mehaanilised vibratsioonid. Need põhjustavad kuulmisaistingut.

Kuidas helilaine ilmub?

Klõpsake pildil

Kõik helid liiguvad elastsete lainete kujul. Ja lained tekivad elastsete jõudude toimel, mis tekivad keha deformeerumisel. Need jõud püüavad taastada keha algsesse olekusse. Näiteks venitatud keel ei kõla paigal olles. Kuid niipea, kui liigutate selle küljele, püüab see elastsuse mõjul võtta oma algse positsiooni. Vibreerides muutub see heliallikaks.

Heliallikaks võib olla mis tahes vibreeriv keha, näiteks ühele küljele kinnitatud õhuke terasplaat, õhk puhkpillis, inimese häälepaelad, kelluke jne.

Mis juhtub õhus vibratsiooni korral?

Nagu igal gaasil, on ka õhul elastsus. See peab vastu kokkusurumisele ja hakkab rõhu vabastamisel kohe laienema. See edastab ühtlaselt igasuguse surve sellele eri suundades.

Kui surute õhku kolvi abil järsult kokku, suureneb rõhk selles kohas kohe. See kandub kohe edasi naaberõhukihtidesse. Need kahanevad ja rõhk neis suureneb ning eelmises kihis väheneb. Seega edastatakse vahelduvad kõrge ja madala rõhu tsoonid piki ahelat edasi.

Vaheldumisi külgedele kaldudes surub kõlav string õhku esmalt ühes ja seejärel vastassuunas. Nööri kõrvalekaldumise suunas muutub rõhk teatud määral atmosfäärirõhust kõrgemaks. Vastupidisel küljel väheneb rõhk sama palju, kuna sealne õhk muutub harvemaks. Kokkusurumine ja harvendamine vahelduvad ja levivad eri suundades, põhjustades õhuvibratsiooni. Neid võnkumisi nimetatakse helilaine . Ja õhurõhu erinevust õhu kokkusurumis- või hõrenemiskihis nimetatakse rõhu vahel akustiline, või helirõhk.

Klõpsake pildil

Helilaine levib mitte ainult õhus, vaid ka vedelas ja tahkes keskkonnas. Näiteks vesi juhib suurepäraselt heli. Me kuuleme vee all kivi kokkupõrget. Pinnalaeva propellerite müra püüab kinni allveelaeva akustika. Kui asetame mehhaanilise käekella puidust tahvli ühte otsa, siis kui paneme oma kõrva tahvli teise otsa, kuuleme selle tiksumist.

Kas helid on vaakumis erinevad? 17. sajandil elanud inglise füüsik, keemik ja teoloog Robert Boyle pani klaasnõusse kella, millest õhk välja pumbati. Ta ei kuulnud kella tiksumist. See tähendas, et õhuta ruumis helilained ei levinud.

Helilaine omadused

Heli vibratsiooni kuju sõltub heliallikast. Lihtsaim vorm on ühtlane ehk harmooniline vibratsioon. Neid saab kujutada sinusoidina. Selliseid võnkumisi iseloomustavad võnkumiste amplituud, lainepikkus ja levimise sagedus.

Amplituud

Amplituud Üldiselt nimetatakse keha maksimaalset kõrvalekallet tasakaaluasendist.

Kuna helilaine koosneb vahelduvatest kõrge ja madala rõhuga aladest, peetakse seda sageli rõhukõikumiste levikuks. Sellepärast nad räägivadki õhurõhu amplituud laines.

Heli tugevus sõltub amplituudist. Mida suurem see on, seda valjem on heli.

Igal inimkõne helil on oma unikaalne vibratsioonivorm. Seega erineb heli “a” vibratsioonikuju heli “b” vibratsioonikujust.

Laine sagedus ja periood

Vibratsioonide arvu sekundis nimetatakse laine sagedus .

f = 1/T

Kus T – võnkeperiood. See on ajavahemik, mille jooksul toimub üks täielik võnkumine.

Mida pikem on periood, seda madalam on sagedus ja vastupidi.

Sageduse mõõtühik rahvusvahelises mõõtesüsteemis SI on hertsi (Hz). 1 Hz on üks võnkumine sekundis.

1 Hz = 1 s -1.

Näiteks sagedus 10 Hz tähendab 10 vibratsiooni sekundis.

1000 Hz = 1 kHz

Tooni kõrgus sõltub vibratsiooni sagedusest. Mida kõrgem on sagedus, seda kõrgem on heli kõrgus.

Inimese kõrv ei ole võimeline tajuma kõiki helilaineid, vaid ainult neid, mille sagedus on 16–20 000 Hz. Just neid laineid peetakse helideks. Laineid, mille sagedus on alla 16 Hz, nimetatakse infraheliks ja üle 20 000 Hz ultraheliks.

Inimene ei taju ei infra- ega ultrahelilaineid. Loomad ja linnud on aga võimelised ultraheli kuulma. Näiteks eristab harilik liblikas helisid sagedusega 8000 kuni 160 000 Hz. Delfiinide tajutav vahemik on veelgi laiem, see jääb vahemikku 40–200 tuhat Hz.

Lainepikkus

Lainepikkus nimetatakse kaugust harmoonilise laine kahe lähima punkti vahel, mis on samas faasis, näiteks kahe harja vahel. Tähistatakse kui ƛ .

Ühe perioodiga võrdse aja jooksul läbib laine selle pikkusega võrdse vahemaa.

Laine levimise kiirus

v = ƛ /T

Sest T = 1/f,

See v = ƛ f

Heli kiirus

Heli kiirust prooviti katsetega määrata juba 17. sajandi esimesel poolel. Inglise filosoof Francis Bacon pakkus oma teoses "New Organon" välja oma viisi selle probleemi lahendamiseks, mis põhineb valguse ja heli kiiruste erinevusel.

On teada, et valguse kiirus on palju suurem kui heli kiirus. Seetõttu näeme äikese ajal esmalt välgusähvatust ja alles siis kuuleme äikese mürinat. Teades valgus- ja heliallika kaugust vaatlejast ning valgussähvatuse ja heli vahelist aega, saab arvutada heli kiiruse.

Prantsuse teadlane Marin Marsenne kasutas Baconi ideed ära. Musketit tulistajast mõnel kaugusel asunud vaatleja registreeris aja, mis kulus valgussähvatusest lasu kõlamiseni. Seejärel jagati helikiiruse saamiseks vahemaa ajaga. Katse tulemuste järgi osutus kiiruseks 448 m/s. See oli ligikaudne hinnang.

19. sajandi alguses kordas rühm Pariisi Teaduste Akadeemia teadlasi seda katset. Nende arvutuste järgi oli valguse kiirus 350-390 m/s. Kuid ka see arv ei olnud täpne.

Teoreetiliselt püüdis Newton arvutada valguse kiirust. Ta tugines oma arvutustes Boyle-Mariotte'i seadusele, mis kirjeldas gaasi käitumist isotermiline protsess (konstantsel temperatuuril). Ja see juhtub siis, kui gaasi maht muutub väga aeglaselt, omades aega selles tekkiva soojuse ülekandmiseks keskkonda.

Newton eeldas, et kokkusurumise ja harvendamise piirkondade vahel ühtlustub temperatuur kiiresti. Kuid helilaines neid tingimusi ei eksisteeri. Õhk juhib soojust halvasti ning kokkusurumis- ja lagunemiskihtide vaheline kaugus on suur. Kompressioonkihi soojusel ei ole aega harvenduskihti liikuda. Ja nende vahel tekib temperatuuride erinevus. Seetõttu osutusid Newtoni arvutused valeks. Nad andsid näitajaks 280 m/s.

Prantsuse teadlane Laplace suutis selgitada, et Newtoni viga seisnes selles, et helilaine levib õhus adiabaatiline muutuvate temperatuuridega. Laplace’i arvutuste kohaselt on heli kiirus õhus temperatuuril 0 o C 331,5 m/s. Lisaks suureneb see temperatuuri tõustes. Ja kui temperatuur tõuseb 20 o C-ni, võrdub see juba 344 m/s.

Erinevates meediumites levivad helilained erineva kiirusega.

Gaaside ja vedelike puhul arvutatakse heli kiirus järgmise valemi abil:

Kus Koos -heli kiirus,

β - söötme adiabaatiline kokkusurutavus,

ρ - tihedus.

Nagu valemist näha, sõltub kiirus söötme tihedusest ja kokkusurutavusest. Õhus on seda vähem kui vedelikus. Näiteks vees temperatuuril 20 o C võrdub see 1484 m/s. Veelgi enam, mida kõrgem on vee soolsus, seda kiiremini liigub heli sellest läbi.

Heli kiirust vees mõõdeti esmakordselt aastal 1827. See katse meenutas mõneti Marin Marsenne'i valguse kiiruse mõõtmist. Ühe paadi küljelt lasti vette kelluke. Esimesest paadist enam kui 13 km kaugusel oli teine. Esimesel paadil löödi kella ja pandi samal ajal põlema püssirohi. Teisel paadil pandi kirja välguaeg ja seejärel kellahelina saabumise aeg. Vahemaa ajaga jagades saime helilaine kiiruse vees.

Heli kiirus on tahke kandja puhul suurim. Näiteks terases ulatub see üle 5000 m/s.

Heli on mehaanilised võnked, mis levivad elastses materjalikeskkonnas peamiselt pikisuunaliste lainetena.

Vaakumis heli ei levi, kuna heli edastamiseks on vaja materiaalset keskkonda ja mehaanilist kontakti materiaalse keskkonna osakeste vahel.

Meediumis liigub heli helilainetena. Helilained on mehaanilised vibratsioonid, mis edastatakse keskkonnas, kasutades selle tingimuslikke osakesi. Söötme tavapärased osakesed tähendavad selle mikromahtusid.

Akustilise laine peamised füüsikalised omadused:

1. Sagedus.

Sagedus helilaine on suurusjärk võrdne täielike võnkumiste arvuga ajaühikus. Näidatud sümboliga v (alasti) ja mõõdetud hertsides. 1 Hz = 1 loendus sekundis = [s -1].

Heli vibratsiooni skaala on jagatud järgmisteks sagedusvahemikeks:

· infraheli (0 kuni 16 Hz);

· kuuldav heli (16-16 000 Hz);

· ultraheli (üle 16 000 Hz).

Helilaine sagedus on tihedalt seotud selle pöördsuurusega – helilaine perioodiga. Periood Helilaine on keskkonna osakeste ühe täieliku võnkumise aeg. Määratud T ja seda mõõdetakse sekundites [s].

Helilainet kandva keskkonna osakeste vibratsiooni suuna järgi jagunevad helilained:

· pikisuunaline;

· põiki.

Pikilainete puhul ühtib keskkonna osakeste vibratsiooni suund helilaine levimissuunaga keskkonnas (joonis 1).

Ristlainete puhul on keskkonna osakeste vibratsioonisuunad risti helilaine levimissuunaga (joonis 2).

Riis. 1 Joon. 2

Pikilained levivad gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes. Põik - ainult tahketes ainetes.

3. Vibratsiooni kuju.

Vastavalt vibratsiooni vormile jagunevad helilained:

· lihtlained;

keerulised lained.

Lihtlaine graafik on siinuslaine.

Komplekslaine graafik on mis tahes perioodiline mittesinusoidne kõver .

4. Lainepikkus.

Lainepikkus on kogus võrdne vahemaaga, mille läbib helilaine ühe perioodiga võrdse aja jooksul. Seda tähistatakse λ (lambda) ja mõõdetakse meetrites (m), sentimeetrites (cm), millimeetrites (mm), mikromeetrites (µm).

Lainepikkus sõltub keskkonnast, milles heli liigub.

5. Helilaine kiirus.

Helilaine kiirus on heli levimise kiirus paigalseisva heliallikaga keskkonnas. Tähistatakse sümboliga v, mis arvutatakse järgmise valemiga:

Helilaine kiirus sõltub keskkonna tüübist ja temperatuurist. Heli kiirus on suurim tahketes elastsetes kehades, väiksem vedelikes ja madalaim gaasides.

õhk, normaalne atmosfäärirõhk, temperatuur - 20 kraadi, v = 342 m/s;

vesi, temperatuur 15-20 kraadi, v = 1500 m/s;

metallid, v = 5000-10000 m/s.

Heli kiirus õhus suureneb temperatuuri tõustes 10 kraadi võrra umbes 0,6 m/s.

18. veebruar 2016

Koduse meelelahutuse maailm on üsna kirju ja võib hõlmata: filmide vaatamist heas kodukinosüsteemis; põnev ja põnev mängimine või muusika kuulamine. Reeglina leiab igaüks selles vallas midagi oma või kombineerib kõike korraga. Kuid olenemata sellest, millised on inimese eesmärgid oma vaba aja korraldamisel ja millisesse äärmusse nad lähevad, ühendab kõiki neid seoseid kindlalt üks lihtne ja arusaadav sõna - "heli". Tõepoolest, kõigil ülalnimetatud juhtudel juhib meid heli käest. Kuid see küsimus pole nii lihtne ja triviaalne, eriti juhtudel, kui on soov saavutada ruumis või muudes tingimustes kvaliteetne heli. Selleks ei ole alati vaja osta kalleid hi-fi või hi-end komponente (kuigi sellest on palju kasu), vaid piisab heast füüsikateooria tundmisest, mis võib enamiku kõigi jaoks ettetulevatest probleemidest kõrvaldada kes soovib saada kvaliteetset häälnäitlemist.

Järgmisena käsitletakse heliteooriat ja akustikat füüsika seisukohalt. Sel juhul püüan teha selle võimalikult kättesaadavaks iga inimese jaoks, kes võib-olla pole kaugeltki füüsikaseaduste või valemite tundmisest, kuid unistab sellegipoolest kirglikult täiusliku akustilise süsteemi loomise unistuse elluviimisest. Ma ei väida, et kodus (või näiteks autos) sellel alal heade tulemuste saavutamiseks on vaja neid teooriaid põhjalikult tunda, kuid põhitõdede mõistmine võimaldab vältida paljusid rumalaid ja absurdseid vigu ja võimaldab teil saavutada ka süsteemist maksimaalse heliefekti mis tahes tasemel.

Üldine heliteooria ja muusikaterminoloogia

Mis see on heli? See on tunne, mida kuulmisorgan tajub "kõrv"(nähtus ise eksisteerib ilma “kõrva” protsessis osalemiseta, kuid sellest on lihtsam aru saada), mis tekib siis, kui kuulmekile on helilainega erutatud. Kõrv toimib sel juhul erineva sagedusega helilainete "vastuvõtjana".
Helilaine see on sisuliselt mitmesuguse sagedusega keskkonna (tavalistes tingimustes enamasti õhukeskkonna) tihenduste ja heidete järjestikune jada. Helilainete olemus on võnkuv, mida põhjustab ja tekitab mis tahes keha vibratsioon. Klassikalise helilaine tekkimine ja levimine on võimalik kolmes elastses keskkonnas: gaasilises, vedelas ja tahkes. Kui helilaine tekib ühes seda tüüpi ruumis, tekivad vältimatult mõned muutused keskkonnas endas, näiteks õhu tiheduse või rõhu muutus, õhumassi osakeste liikumine jne.

Kuna helilainel on võnkuv iseloom, on sellel selline omadus nagu sagedus. Sagedus mõõdetuna hertsides (saksa füüsiku Heinrich Rudolf Hertzi auks) ja tähistab võnkumiste arvu ajavahemikul, mis on võrdne ühe sekundiga. Need. näiteks sagedus 20 Hz näitab tsüklit, mis koosneb 20 võnkumisest ühes sekundis. Selle kõrguse subjektiivne mõiste sõltub ka heli sagedusest. Mida rohkem helivibratsioone sekundis esineb, seda “kõrgemaks” heli ilmub. Helilainel on ka teine ​​oluline omadus, millel on nimi – lainepikkus. Lainepikkus Tavapäraselt arvestatakse vahemaad, mille teatud sagedusega heli läbib ajavahemikus, mis võrdub ühe sekundiga. Näiteks inimese kuuldava vahemiku madalaima heli lainepikkus sagedusel 20 Hz on 16,5 meetrit ja kõrgeima heli lainepikkus 20 000 Hz juures 1,7 sentimeetrit.

Inimese kõrv on konstrueeritud nii, et see on võimeline tajuma laineid ainult piiratud vahemikus, ligikaudu 20 Hz - 20 000 Hz (olenevalt konkreetse inimese omadustest, mõned kuulevad veidi rohkem, mõned vähem) . Seega ei tähenda see, et nendest sagedustest madalamad või kõrgemad helid ei eksisteeriks, inimkõrv neid lihtsalt ei taju, väljudes kuulmisvahemikust. Heli, mis ületab kuuldava ulatuse, nimetatakse ultraheli, kutsutakse helivahemikku allapoole jäävat heli infraheli. Mõned loomad on võimelised tajuma ultra- ja infraheli, mõned kasutavad seda vahemikku isegi ruumis orienteerumiseks (nahkhiired, delfiinid). Kui heli läbib keskkonda, mis ei ole otseses kontaktis inimese kuulmisorganiga, siis sellist heli ei pruugita kuulda või see võib hiljem oluliselt nõrgeneda.

Heli muusikalises terminoloogias on sellised olulised nimetused nagu heli oktav, toon ja ülemtoon. Oktav tähendab intervalli, milles helide sagedussuhe on 1:2. Oktav on tavaliselt kõrva järgi väga eristatav, samas kui selle intervalli helid võivad üksteisega väga sarnased olla. Oktaaviks võib nimetada ka heli, mis vibreerib kaks korda rohkem kui teine ​​heli sama aja jooksul. Näiteks 800 Hz sagedus pole midagi muud kui 400 Hz kõrgem oktaav ja sagedus 400 Hz on omakorda järgmine heli oktaav sagedusega 200 Hz. Oktav omakorda koosneb toonidest ja ülemtoonidest. Sama sagedusega harmoonilise helilaine muutuvaid vibratsioone tajub inimkõrv nagu muusikaline toon. Kõrgsageduslikke vibratsioone saab tõlgendada kõrgete helidena, madala sagedusega vibratsiooni aga madalate helidena. Inimkõrv on võimeline selgelt eristama helisid ühe tooni erinevusega (vahemikus kuni 4000 Hz). Sellele vaatamata kasutatakse muusikas äärmiselt vähe toone. Seda seletatakse harmoonilise konsonantsi põhimõtte kaalutlustest, kõik põhineb oktaavi põhimõttel.

Vaatleme muusikaliste toonide teooriat teatud viisil venitatud keele näitel. Selline string, sõltuvalt pingejõust, "häälestatakse" ühele kindlale sagedusele. Kui see keel puutub kokku millelegi ühe kindla jõuga, mis paneb selle vibreerima, siis jälgitakse järjekindlalt ühte kindlat helitooni ja kuuleme soovitud häälestussagedust. Seda heli nimetatakse põhitooniks. Esimese oktavi noodi “A” sagedus on ametlikult tunnustatud muusikavälja põhitoonina, mis võrdub 440 Hz. Kuid enamik muusikainstrumente ei reprodutseeri kunagi puhtaid põhitoone üksi, neid saadavad paratamatult ülemhelid nn. ülemtoonid. Siinkohal on paslik meenutada olulist muusikaakustika määratlust, kõlatämbri mõistet. Tämber- see on muusikahelide omadus, mis annab muusikariistadele ja häältele nende ainulaadse, äratuntava helispetsiifilisuse, isegi kui võrrelda sama kõrguse ja helitugevusega helisid. Iga muusikainstrumendi tämber sõltub helienergia jaotusest ülemtoonide vahel heli ilmumise hetkel.

Ülemtoonid moodustavad põhitooni spetsiifilise värvingu, mille abil saame hõlpsasti tuvastada ja ära tunda konkreetse pilli, samuti eristada selgelt selle kõla teisest instrumendist. Ülemtoone on kahte tüüpi: harmoonilised ja mitteharmoonilised. Harmoonilised ülemtoonid definitsiooni järgi on põhisageduse kordsed. Vastupidi, kui ülemtoonid ei ole mitmekordsed ja kalduvad väärtustest märgatavalt kõrvale, siis neid kutsutakse mitteharmooniline. Muusikas on mitme ülemtooniga opereerimine praktiliselt välistatud, seega taandatakse see mõiste "ülemtooniks", mis tähendab harmoonilist. Mõne instrumendi, näiteks klaveri puhul ei jõua põhitoon isegi kujuneda, lühikese aja jooksul tõuseb ülemtoonide helienergia ja seejärel sama kiiresti väheneb. Paljud instrumendid loovad nn „üleminekutooni“ efekti, kus teatud ülemtoonide energia on teatud ajahetkel kõrgeim, tavaliselt päris alguses, kuid siis muutub järsult ja liigub edasi teistele ülemtoonidele. Iga instrumendi sagedusvahemikku saab käsitleda eraldi ja see piirdub tavaliselt põhisagedustega, mida see konkreetne instrument on võimeline tootma.

Heliteoorias on olemas ka selline mõiste nagu NOISE. Müra- see on mis tahes heli, mis tekib üksteisega vastuolus olevate allikate kombinatsioonist. Kõigile on tuttav puulehtede õõtsumine tuulest jne.

Mis määrab helitugevuse? Ilmselgelt sõltub selline nähtus otseselt helilaine poolt ülekantava energia hulgast. Helitugevuse kvantitatiivsete näitajate määramiseks on olemas mõiste - heli intensiivsus. Heli intensiivsus defineeritakse kui energiavoogu, mis läbib mõnda ruumipiirkonda (näiteks cm2) ajaühikus (näiteks sekundis). Tavalise vestluse ajal on intensiivsus ligikaudu 9 või 10 W/cm2. Inimkõrv on võimeline tajuma helisid üsna laias tundlikkusvahemikus, samas kui sageduste tundlikkus on helispektri piires heterogeenne. Nii on kõige paremini tajutav inimkõnet kõige laiemalt hõlmav sagedusvahemik 1000 Hz - 4000 Hz.

Kuna helide intensiivsus on väga erinev, on mugavam pidada seda logaritmiliseks suuruseks ja mõõta seda detsibellides (Šoti teadlase Alexander Graham Belli järgi). Inimkõrva alumine kuulmistundlikkuse lävi on 0 dB, ülemine 120 dB, mida nimetatakse ka “valuläveks”. Tundlikkuse ülemist piiri tajub ka inimkõrv mitte ühtemoodi, vaid sõltub konkreetsest sagedusest. Madala sagedusega helid peavad olema palju tugevamad kui kõrgsageduslikud helid, et vallandada valulävi. Näiteks valulävi madalal sagedusel 31,5 Hz tekib heli intensiivsuse tasemel 135 dB, kui sagedusel 2000 Hz tekib valutunne 112 dB. Samuti on olemas helirõhu mõiste, mis tegelikult laiendab tavapärast helilaine õhus levimise seletust. Helirõhk- see on muutuv ülerõhk, mis tekib elastses keskkonnas helilaine läbimise tagajärjel.

Heli laineline olemus

Helilainete genereerimise süsteemi paremaks mõistmiseks kujutage ette klassikalist kõlarit, mis asub õhuga täidetud torus. Kui kõlar teeb järsu liigutuse ettepoole, surutakse hajuti vahetus läheduses olev õhk hetkeks kokku. Seejärel õhk paisub, surudes suruõhupiirkonda mööda toru.
See laineline liikumine muutub seejärel heliliseks, kui see jõuab kuulmisorganisse ja "ergastab" kuulmekile. Kui gaasis tekib helilaine, tekib liigne rõhk ja liigne tihedus ning osakesed liiguvad ühtlase kiirusega. Helilainete puhul on oluline meeles pidada tõsiasja, et aine ei liigu helilainega kaasa, vaid tekib ainult ajutine õhumasside häirimine.

Kui kujutame ette vedrul vabas ruumis rippuvat kolvi, mis teeb korduvaid liigutusi "edasi-tagasi", siis nimetatakse selliseid võnkumisi harmoonilisteks või sinusoidaalseteks (kui kujutame lainet ette graafikuna, siis saame sel juhul puhta sinusoid koos korduvate languste ja tõustega). Kui kujutame ette torus olevat kõlarit (nagu ülalkirjeldatud näites) teostamas harmoonilisi võnkumisi, siis hetkel liigub kõlar “edasi” teada-tuntud õhu kokkusurumise efekt ning kõlari “tagasi” liikumisel on kõlar “taha”. ilmneb haruldase vastupidine efekt. Sel juhul levib läbi toru vahelduva kokkusurumise ja harvendamise laine. Nimetatakse kaugus piki toru külgnevate maksimumide või miinimumide (faaside) vahel lainepikkus. Kui osakesed võnguvad paralleelselt laine levimissuunaga, siis nimetatakse lainet pikisuunaline. Kui need võnguvad levimissuunaga risti, siis nimetatakse lainet põiki. Tavaliselt on helilained gaasides ja vedelikes pikisuunalised, kuid tahkistes võib esineda mõlemat tüüpi laineid. Põiklained tahketes ainetes tekivad tänu vastupanule kujumuutusele. Peamine erinevus nende kahe lainetüübi vahel seisneb selles, et põiklainel on polarisatsiooni omadus (võnkumine toimub teatud tasapinnas), pikisuunalisel lainel aga mitte.

Heli kiirus

Heli kiirus sõltub otseselt selle levimiskeskkonna omadustest. Selle määravad (sõltuvad) keskkonna kaks omadust: materjali elastsus ja tihedus. Heli kiirus tahketes ainetes sõltub otseselt materjali tüübist ja selle omadustest. Kiirus gaasilises keskkonnas sõltub ainult üht tüüpi keskkonna deformatsioonist: kokkusurumisest-haruldamisest. Rõhu muutus helilaines toimub ilma soojusvahetuseta ümbritsevate osakestega ja seda nimetatakse adiabaatiliseks.
Heli kiirus gaasis sõltub peamiselt temperatuurist – see suureneb temperatuuri tõustes ja väheneb temperatuuri langedes. Samuti sõltub heli kiirus gaasilises keskkonnas gaasimolekulide endi suurusest ja massist - mida väiksem on osakeste mass ja suurus, seda suurem on laine "juhtivus" ja vastavalt ka kiirus.

Vedelas ja tahkes keskkonnas on heli levimise põhimõte ja kiirus sarnane sellele, kuidas laine levib õhus: surve-tühjenemise teel. Kuid neis keskkondades on lisaks samale temperatuurisõltuvusele üsna oluline ka keskkonna tihedus ja selle koostis/struktuur. Mida väiksem on aine tihedus, seda suurem on heli kiirus ja vastupidi. Sõltuvus söötme koostisest on keerulisem ja määratakse igal konkreetsel juhul, võttes arvesse molekulide/aatomite paiknemist ja vastasmõju.

Heli kiirus õhus temperatuuril t, °C 20: 343 m/s
Heli kiirus destilleeritud vees temperatuuril t, °C 20: 1481 m/s
Helikiirus terases temperatuuril t, °C 20: 5000 m/s

Seisulained ja häired

Kui kõlar tekitab helilaineid kinnises ruumis, tekib paratamatult piiridelt peegelduvate lainete efekt. Selle tulemusena juhtub see kõige sagedamini häireefekt- kui kaks või enam helilainet kattuvad üksteisega. Häirenähtuste erijuhtudeks on: 1) Lööklainete või 2) Seisulainete teke. Laine lööb- seda juhul, kui toimub sarnaste sageduste ja amplituudidega lainete liitmine. Pilt löökide esinemisest: kui kaks sarnase sagedusega lainet kattuvad üksteisega. Mingil ajahetkel võivad sellise kattumise korral amplituudi tipud langeda kokku "faasis" ja langused võivad langeda kokku ka "antifaasis". Nii iseloomustatakse helibiite. Oluline on meeles pidada, et erinevalt seisulainest ei esine tippude faaside kokkulangevusi pidevalt, vaid teatud ajavahemike järel. Kõrva jaoks eristub see löökide muster üsna selgelt ja seda kuuleb vastavalt perioodilise helitugevuse suurenemise ja vähenemisena. Selle efekti ilmnemise mehhanism on äärmiselt lihtne: kui tipud langevad kokku, suureneb maht ja kui orud langevad kokku, siis maht väheneb.

Seisulained tekivad kahe sama amplituudi, faasi ja sagedusega laine superpositsioonil, kui selliste lainete "kohtumisel" liigub üks edasi ja teine ​​vastupidises suunas. Ruumipiirkonnas (kus tekkis seisulaine) ilmub pilt kahe sagedusamplituudi superpositsioonist, kus vahelduvad maksimumid (nn antisõlmed) ja miinimumid (nn sõlmed). Selle nähtuse ilmnemisel on peegelduskohas laine sagedus, faas ja sumbumiskoefitsient äärmiselt olulised. Erinevalt liikuvatest lainetest ei toimu seisval lainel energiaülekannet, kuna selle laine moodustavad edasi- ja tagasilained edastavad energiat võrdsetes kogustes nii edasi- kui ka vastassuunas. Seisulaine esinemise selgeks mõistmiseks kujutame ette näidet koduakustikast. Oletame, et meil on mõnes piiratud ruumis (ruumis) põrandal seisvad kõlarid. Kui nad mängivad midagi, kus on palju bassi, proovime muuta kuulaja asukohta ruumis. Seega tunneb kuulaja, kes satub seisvalaine miinimumi (lahutamise) tsooni, efekti, et bassi on väga vähe ja kui kuulaja satub sageduste maksimumi (liitumise) tsooni, siis vastupidi. saavutatakse bassipiirkonna olulise suurenemise efekt. Sel juhul täheldatakse efekti kõigis baassageduse oktaavides. Näiteks kui baassagedus on 440 Hz, siis "liitmise" või "lahutamise" nähtust täheldatakse ka sagedustel 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz jne.

Resonantsi nähtus

Enamikul tahketel ainetel on loomulik resonantssagedus. Seda efekti on üsna lihtne mõista tavalise toru näitel, mis on avatud ainult ühest otsast. Kujutagem ette olukorda, kus toru teise otsa on ühendatud kõlar, mis suudab mängida üht konstantset sagedust, mida saab ka hiljem muuta. Niisiis, torul on oma resonantssagedus, lihtsalt öeldes - see on sagedus, millega toru "resoneerib" või teeb oma heli. Kui kõlari sagedus (reguleerimise tulemusena) langeb kokku toru resonantssagedusega, tekib helitugevuse mitu korda suurendamise efekt. See juhtub seetõttu, et valjuhääldi ergutab torus oleva õhusamba vibratsiooni olulise amplituudiga, kuni leitakse sama "resonantssagedus" ja tekib liiteefekt. Saadud nähtust saab kirjeldada järgmiselt: selle näite toru "aitab" kõlarit, resoneerides kindlal sagedusel, nende jõupingutused liidetakse ja "tulemusena" on kuuldav valju efekt. Muusikariistade näitel on see nähtus hästi näha, kuna enamiku instrumentide disain sisaldab elemente, mida nimetatakse resonaatoriteks. Pole raske ära arvata, mis teatud sageduse või muusikalise tooni tugevdamise eesmärki täidab. Näiteks: kitarri korpus koos helitugevusega paarituva augu kujul oleva resonaatoriga; Flööditoru (ja üldiselt kõigi torude) konstruktsioon; Trumli korpuse silindriline kuju, mis ise on teatud sagedusega resonaator.

Heli sagedusspekter ja sageduskarakteristik

Kuna praktikas sama sagedusega laineid praktiliselt pole, on vaja kogu kuuldava vahemiku helispekter ülem- või harmoonilisteks lagundada. Nendel eesmärkidel on olemas graafikud, mis näitavad helivibratsioonide suhtelise energia sõltuvust sagedusest. Seda graafikut nimetatakse helisagedusspektri graafikuks. Heli sagedusspekter Neid on kahte tüüpi: diskreetne ja pidev. Diskreetse spektri diagrammil kuvatakse üksikud sagedused, mis on eraldatud tühikutega. Pidev spekter sisaldab korraga kõiki helisagedusi.
Muusika või akustika puhul kasutatakse kõige sagedamini tavalist graafikut Amplituud-sageduskarakteristikud(lühendatult "AFC"). See graafik näitab helivibratsioonide amplituudi sõltuvust sagedusest kogu sagedusspektri ulatuses (20 Hz - 20 kHz). Sellist graafikut vaadates on lihtne aru saada näiteks konkreetse kõlari või akustilise süsteemi kui terviku tugevatest või nõrkadest külgedest, energia väljundi tugevaimad piirkonnad, sageduse langused ja tõusud, sumbumine, samuti on võimalik jälgida järsust. langusest.

Helilainete levik, faas ja antifaas

Helilainete levimise protsess toimub allikast kõigis suundades. Lihtsaim näide selle nähtuse mõistmiseks on vette visatud kivike.
Alates kohast, kus kivi langes, hakkavad lained levima üle veepinna igas suunas. Kujutagem aga ette olukorda, kus kõlarit kasutatakse teatud helitugevusega, näiteks suletud kastiga, mis on ühendatud võimendiga ja mängib mingit muusikalist signaali. Lihtne on märgata (eriti kui rakendate võimsat madalsageduslikku signaali, näiteks bassitrummi), et kõlar teeb kiire liikumise "edasi" ja seejärel sama kiire liikumise "tagasi". Tuleb mõista, et kui kõlar liigub edasi, kiirgab see helilaine, mida kuuleme hiljem. Aga mis juhtub, kui kõlar liigub tahapoole? Ja paradoksaalsel kombel juhtub sama, kõlar teeb sama heli, ainult meie näites levib see täielikult kasti helitugevuse piires, väljumata selle piiridest (kast on suletud). Üldiselt võib ülaltoodud näites jälgida päris palju huvitavaid füüsikalisi nähtusi, millest olulisim on faasi mõiste.

Helilaine, mille kõlar helitugevuses olles kuulaja suunas kiirgab, on “faasis”. Pöördlaine, mis läheb kasti ruumalasse, on vastavalt antifaasiline. Jääb vaid aru saada, mida need mõisted tähendavad? Signaali faas– see on helirõhu tase praegusel ajahetkel mingil ruumipunktil. Lihtsaim viis faasist aru saada on muusikamaterjali reprodutseerimise näitel tavalise põrandal seisva koduse kõlarisüsteemi stereopaari abil. Kujutagem ette, et kaks sellist põrandakõlarit on paigaldatud kindlasse ruumi ja mängivad. Sel juhul taasesitavad mõlemad akustilised süsteemid muutuva helirõhuga sünkroonset signaali ja ühe kõlari helirõhk liidetakse teise kõlari helirõhule. Sarnane efekt ilmneb vastavalt vasakust ja paremast kõlarist lähtuva signaali taasesituse sünkroonsusest ehk teisisõnu langevad kokku vasaku ja parema kõlari kiirgavate lainete tipud ja sügavused.

Kujutagem nüüd ette, et helirõhud muutuvad ikka samamoodi (ei ole muutunud), kuid alles nüüd on need üksteisele vastandlikud. See võib juhtuda, kui ühendate ühe kõlarisüsteemi kahest vastupidise polaarsusega ("+" kaabel võimendist kõlarisüsteemi "-" klemmiga ja "-" kaabel võimendist "+" klemmiga. kõlarisüsteem). Sel juhul põhjustab vastupidine signaal rõhuerinevuse, mida saab numbritega esitada järgmiselt: vasak kõlar tekitab rõhu “1 Pa” ja parem kõlar rõhu “miinus 1 Pa”. Selle tulemusena on kogu helitugevus kuulaja asukohas null. Seda nähtust nimetatakse antifaasiks. Kui vaatame näidet mõistmiseks üksikasjalikumalt, selgub, et kaks "faasis" mängivat kõlarit loovad identsed õhu tihendamise ja harvendamise alad, aidates seeläbi üksteist. Idealiseeritud antifaasi korral kaasneb ühe kõlari tekitatud suruõhu alaga teise kõlari poolt tekitatud haruldase õhuruumi ala. See näeb välja umbes nagu lainete vastastikuse sünkroonse tühistamise nähtus. Tõsi, praktikas ei lange helitugevus nulli ning kuuleme tugevalt moonutatud ja nõrgenenud heli.

Kõige ligipääsetavam viis selle nähtuse kirjeldamiseks on järgmine: kaks signaali, millel on samad võnked (sagedused), kuid ajaliselt nihkunud. Seda silmas pidades on neid nihkenähtusi mugavam ette kujutada tavalise ümarkella näitel. Kujutagem ette, et seinal ripub mitu ühesugust ümmargust kella. Kui selle kella sekundiosutajad töötavad sünkroonselt, ühel kellal 30 sekundit ja teisel 30 sekundit, siis see on näide signaalist, mis on faasis. Kui sekundiosutajad liiguvad nihkega, aga kiirus on ikka sama, näiteks ühel kellal on see 30 sekundit, teisel aga 24 sekundit, siis see on klassikaline näide faasinihkest. Samamoodi mõõdetakse faasi kraadides virtuaalses ringis. Sel juhul, kui signaale nihutatakse üksteise suhtes 180 kraadi (pool perioodi), saadakse klassikaline antifaas. Sageli esineb praktikas väiksemaid faasinihkeid, mida saab määrata ka kraadides ja edukalt kõrvaldada.

Lained on tasased ja sfäärilised. Tasapinnaline lainefront levib ainult ühes suunas ja seda kohtab praktikas harva. Sfääriline lainefront on lihtsat tüüpi laine, mis pärineb ühest punktist ja liigub kõigis suundades. Helilainetel on omadus difraktsioon, st. võime takistustest ja objektidest mööda minna. Painde aste sõltub heli lainepikkuse ja takistuse või augu suuruse suhtest. Difraktsioon tekib ka siis, kui heli teel on mingi takistus. Sel juhul on võimalikud kaks stsenaariumi: 1) Kui takistuse suurus on palju suurem kui lainepikkus, siis heli peegeldub või neeldub (olenevalt materjali neeldumisastmest, takistuse paksusest jne). ) ja takistuse taha moodustub "akustilise varju" tsoon. 2) Kui takistuse suurus on võrreldav lainepikkusega või sellest isegi väiksem, siis heli difrakteerub mingil määral igas suunas. Kui helilaine, liikudes ühes keskkonnas, tabab liidest teise kandjaga (näiteks õhukeskkonnaga tahke kandjaga), võib toimuda kolm stsenaariumi: 1) laine peegeldub liideselt 2) laine võib minna teise keskkonda ilma suunda muutmata 3) laine võib minna teise keskkonda suunamuutusega piiril, seda nimetatakse “laine murdumiseks”.

Helilaine ülerõhu suhet võnkemahulise kiirusega nimetatakse lainetakistuseks. Lihtsate sõnadega, keskkonna lainetakistus võib nimetada võimeks helilaineid neelata või neile “vastu seista”. Peegeldus- ja ülekandetegurid sõltuvad otseselt kahe kandja lainetakistuste suhtest. Lainetakistus gaasilises keskkonnas on palju väiksem kui vees või tahketes ainetes. Seega, kui õhus olev helilaine tabab tahket objekti või sügava vee pinda, siis heli kas peegeldub pinnalt või neeldub suurel määral. See sõltub pinna paksusest (vesi või tahke aine), millele soovitud helilaine langeb. Kui tahke või vedela keskkonna paksus on madal, lähevad helilained peaaegu täielikult läbi ja vastupidi, kui keskkonna paksus on suur, peegelduvad lained sagedamini. Helilainete peegeldumise korral toimub see protsess tuntud füüsikalise seaduse järgi: "Kokkumisnurk on võrdne peegeldusnurgaga." Sel juhul, kui madalama tihedusega keskkonnast pärit laine tabab suurema tihedusega keskkonna piiri, ilmneb nähtus murdumine. See seisneb helilaine painutamises (murdumises) pärast takistusega "kohtumist" ja sellega kaasneb tingimata kiiruse muutus. Murdumine sõltub ka keskkonna temperatuurist, milles peegeldus toimub.

Helilainete levimise protsessis ruumis nende intensiivsus paratamatult väheneb, võib öelda, et lained sumbuvad ja heli nõrgeneb. Praktikas on sarnase efektiga kokku puutumine üsna lihtne: näiteks kui kaks inimest seisavad põllul mingil lähedasel kaugusel (meeter või lähemal) ja hakkavad üksteisele midagi rääkima. Kui suurendate hiljem inimestevahelist kaugust (kui nad hakkavad üksteisest eemalduma), muutub sama vestluse helitugevus üha vähem kuuldavaks. See näide demonstreerib selgelt helilainete intensiivsuse vähenemise nähtust. Miks see juhtub? Selle põhjuseks on erinevad soojusvahetuse protsessid, molekulaarne interaktsioon ja helilainete sisehõõrdumine. Kõige sagedamini muudetakse helienergia praktikas soojusenergiaks. Sellised protsessid tekivad vältimatult ükskõik millises kolmest helilevikandjast ja neid võib iseloomustada kui helilainete neeldumine.

Helilainete intensiivsus ja neeldumisaste sõltub paljudest teguritest, näiteks keskkonna rõhust ja temperatuurist. Neeldumine sõltub ka konkreetsest helisagedusest. Kui helilaine levib läbi vedelike või gaaside, tekib erinevate osakeste vahel hõõrdeefekt, mida nimetatakse viskoossuseks. Selle molekulaarsel tasemel hõõrdumise tulemusena toimub laine muundumine helist soojuseks. Teisisõnu, mida kõrgem on keskkonna soojusjuhtivus, seda madalam on laine neeldumisaste. Heli neeldumine gaasilises keskkonnas oleneb ka rõhust (atmosfäärirõhk muutub kõrguse suurenedes merepinna suhtes). Mis puutub neeldumisastme sõltuvusse heli sagedusest, siis võttes arvesse ülalmainitud viskoossuse ja soojusjuhtivuse sõltuvusi, siis mida kõrgem on heli sagedus, seda suurem on heli neeldumine. Näiteks normaalsel temperatuuril ja õhurõhul on 5000 Hz sagedusega laine neeldumine 3 dB/km ja 50 000 Hz sagedusega laine neeldumine 300 dB/m.

Tahkes keskkonnas säilivad kõik ülaltoodud sõltuvused (soojusjuhtivus ja viskoossus), kuid sellele lisandub veel mitu tingimust. Neid seostatakse tahkete materjalide molekulaarstruktuuriga, mis võib olla erinev ja millel on oma ebahomogeensus. Sõltuvalt sellest sisemisest tahkest molekulaarstruktuurist võib helilainete neeldumine sel juhul olla erinev ja sõltub konkreetse materjali tüübist. Kui heli läbib tahket keha, toimub laines mitmeid transformatsioone ja moonutusi, mis kõige sagedamini viib helienergia hajumise ja neeldumiseni. Molekulaarsel tasandil võib tekkida dislokatsiooniefekt, kui helilaine põhjustab aatomitasandite nihke, mis seejärel naasevad oma algsesse asendisse. Või põhjustab dislokatsioonide liikumine kokkupõrke nendega risti olevate dislokatsioonidega või kristallstruktuuri defektidega, mis põhjustab nende pärssimise ja selle tagajärjel helilaine mõningase neeldumise. Kuid helilaine võib ka nende defektidega resoneerida, mis põhjustab esialgse laine moonutamist. Helilaine energia interaktsiooni hetkel materjali molekulaarstruktuuri elementidega hajub sisemiste hõõrdeprotsesside tulemusena.

Selles artiklis püüan analüüsida inimese kuulmistaju tunnuseid ning mõningaid heli levimise nüansse ja omadusi.