Det som kalles lyd. Lyd, lydbølge, infralyd, ultralyd. Tillatte nivåer av infralyd i boliger

Når du lager musikk, kan det være veldig nyttig å ha en generell ide om hva lyd er og hvordan lyd tas opp på en datamaskin. Med denne kunnskapen blir det mye lettere å forstå hva for eksempel komprimering er, eller hvordan klipping skjer. I musikk, som i nesten alt annet, gjør det å kjenne det grunnleggende det lettere å gå videre.

Hva er lyd?

Lyd er de fysiske vibrasjonene til mediet som forplanter seg i form av bølger. Vi fanger opp disse vibrasjonene og oppfatter dem som lyd. Hvis vi prøver å avbilde en lydbølge grafisk, får vi overraskende nok bølge.

Sinusformet lydbølge

Ovenfor er en sinusbølgelyd som kan høres fra analoge synthesizere eller fra håndsett fasttelefon, hvis du fortsatt bruker den. Forresten, det høres på telefonen, snakker på et teknisk, ikke et musikalsk språk.

Lyd har tre viktige egenskaper, nemlig: lydstyrke, tonehøyde og klang. subjektive følelser, men de har sin refleksjon i den fysiske verden i formen fysiske egenskaper lydbølge.

Amplitude

Det vi oppfatter som lydstyrke er vibrasjonsstyrken eller lydtrykknivået, som måles i (dB).

Grafisk representert av bølger i forskjellige høyder:

Jo høyere amplitude (bølgehøyde på grafen), jo høyere oppfattes lyden, og omvendt, jo mindre amplitude, jo roligere lyd. Selvfølgelig påvirker lydens frekvens også oppfatningen av lydstyrke, men dette er egenskapene til vår oppfatning.

Eksempler på ulik lydstyrke, i desibel:

Lyd	Volum (dB)	Effekt
Landlig område vekk fra veier	25 dB	Nesten uhørlig
Hviske	30 dB	Veldig stille
Kontor i arbeidstiden	50-60 dB	Støynivået forblir behagelig opp til 60 dB
Støvsuger, hårføner	70 dB	importunate; gjør det vanskelig å snakke i telefon
Foodprosessor, blender	85-90 dB	Fra et volum på 85 dB med langvarig (8 timer) lytting begynner hørselsskader
Lastebil, betongblander, t-banevogn	95-100 dB	For lyder fra 90 til 100 dB anbefales eksponering på ikke mer enn 15 minutter for det ubeskyttede øret.
Motorsag, jackhammer	110 dB	Regelmessig eksponering for lyder høyere enn 110 dB i mer enn 1 minutt er i fare for permanent hørselstap
Rockekonsert	110-140 dB	Smerteterskel starter rundt 125 dB

Frekvens

Når vi sier at lyden er "høyere" eller "lavere", forstår vi hva vi snakker om, men grafisk vises dette ikke etter høyde, men etter avstand og frekvens:

Merk (lyd) tonehøyde - lydbølgefrekvens

jo mindre avstanden er mellom lydbølgene, jo høyere frekvens er lyden, eller rett og slett, jo høyere lyd.

Jeg tror alle vet det menneskelig øre er i stand til å oppfatte lyder med en frekvens på omtrent 20 Hz til 20 kHz (i unntakstilfeller - fra 16 Hz til 22 kHz), og musikalske lyder er i området fra 16.352 Hz ("til" subcontroctave) til 7.902 kHz ("si") " av den femte oktav).

Timbre

Og den siste viktige egenskapen for oss er klangen til klangen. Med ord er det slik lyden er "farget", og grafisk ser den ut som en annen kompleksitet, kompleksiteten til en lydbølge. Her er for eksempel en grafisk representasjon av lydbølgene til en fiolin og piano:

Lydens klang er kompleksiteten (kompleksiteten) til en lydbølge

Mer komplisert enn en sinusoid, er det ikke?

Det er flere måter å ta opp lyd på: musikalsk notasjon, analog notasjon og digital notasjon.

Musikalsk notasjon- dette er ganske enkelt data om frekvensen, varigheten og volumet til lyder som må spilles på et instrument. I dataverdenen er det en analog - MIDI-data. Men vurderingen av dette problemet ligger utenfor rammen av denne artikkelen, vi vil analysere det i detalj en annen gang.

analogt opptak- i hovedsak en oversikt over fysiske vibrasjoner slik de er på et hvilket som helst medium: en vinylplate eller magnetbånd. Dette bør starte med en gang. rikelig salivasjon for elskere av varm rørlyd, men vi er ikke en av dem som analoge enheter har en sterk feil og grunnleggende begrensninger, dette introduserer forvrengninger og forringer kvaliteten på opptaket, og fysiske medier slites ut over tid, noe som ytterligere reduserer kvaliteten på lydsporet, så analogt opptak er nå gått inn i fortiden.

Digital lydopptak– en teknologi som gjorde det mulig for hvem som helst å prøve seg som lydtekniker eller produsent. Så hvordan fungerer det? Tross alt kan en datamaskin bare registrere tall, og for å være presis, bare nuller og enere, der andre tall, bokstaver, bilder er kodet. Hvordan registrere så komplekse data som lyd i tall?

Løsningen er ganske enkel - kutt lydbølgen i små biter, det vil si konverter en kontinuerlig funksjon (lydbølge) til en diskret. Denne prosessen kalles diskretisering, ikke fra ordet "nerd", men fra ordet "diskrethet" (latin discretus - delt, intermitterende). Hver slik liten del av en lydbølge er allerede veldig lett å beskrive i tall (signalnivå på et bestemt tidspunkt), som når digitalt opptak og skjer. Denne prosessen kalles analog til digital konvertering(analog til digital konvertering), og konverteringsenheten (mikrokrets), henholdsvis av en analog-til-digital omformer (analog til digital omformer) eller ADC (ADC).

Her er et eksempel på et nesten fem millisekunder langt lydbølgesnutt fra en ridecymbal:

Ser du hvordan det er alle tenner? Dette er diskrete små biter som lydbølgen kuttes i, men om ønskelig kan det trekkes en kontinuerlig buet linje gjennom disse søylene, som vil være den originale lydbølgen. Når du spiller, skjer dette i en enhet (også en mikrokrets) som kalles en digital-til-analog-omformer (digital til analog-omformer) eller DAC (DAC). ADC og DAC er hoveddelene av lydgrensesnittet, og dets kvalitet og muligheter avhenger av kvaliteten.

Samplingshastighet og bitdybde

Jeg har nok allerede slitt selv de mest iherdige leserne, men fortvil ikke, dette er den delen av artikkelen den ble startet for.

Prosessen med å konvertere et analogt signal til digitalt (og omvendt) har to viktige egenskaper - samplingshastigheten (aka samplingshastigheten eller samplingshastigheten) og samplingsdybden (bitdybden).

Prøvetakingsfrekvens er frekvensen som lydsignalet kuttes i biter (samples). Ikke gjenta feilen min: samplingsfrekvensen er relatert til lydens frekvens bare gjennom Kotelnikov-teoremet, som sier: for å gjenopprette det opprinnelige signalet unikt, må samplingsfrekvensen være mer enn det dobbelte av den høyeste frekvensen i signalspekteret. Dermed dekker samplingsfrekvensen på 44,1 kHz brukt i CD- og musikkinnspilling
menneskelig hørbart frekvensområde.

Bithet er samplingsdybden, målt i biter, det vil si at det er antall biter som brukes til å registrere amplituden til signalet. Når du spiller inn en CD, brukes 16 bits, som er nok til 96 dB, det vil si at vi kan ta opp en lyd med en forskjell mellom de stilleste og høyeste delene av den er 96 dB, som nesten alltid er nok til å spille inn musikk. Studioer bruker vanligvis 24-bits dybde ved opptak, noe som gir et dynamisk område på 144 dB, men siden 99 % av enhetene som gjengir lyd (båndopptakere, spillere, lydkort som følger med datamaskinen din) bare kan behandle 16-bits lyd, må du fortsatt miste 48 dB (144 minus 96) dynamisk rekkevidde når du gjengir med 16-bits oppløsning.

Til slutt, la oss beregne bithastigheten til musikk på en lyd-CD:
16 bits x 44 100 samples per sekund x 2 kanaler = 1 411 200 bits per sekund = 1 411,2 kbps.

Dermed tar ett sekund med opptak på en lyd-CD 172 kilobyte eller 0,168 megabyte.

Det var alt jeg ville fortelle deg om lydopptak på en datamaskin.
Vel, nesten alt.

Siste del for hardcore lesere.

Dither

Når du gjengir prosjekter i lydredigerere, når du velger 44 100 kHz 16 bit-formatet, vises avmerkingsboksen Dither noen ganger. Hva det er?
Dette er blandingen av et pseudo-tilfeldig signal. Det er usannsynlig at du føler deg bedre av en slik formulering, men jeg skal forklare nå.

Under analog-til-digital konvertering avrundes amplituden. Det vil si at med en 16-bits samplingsdybde har vi 2 16 = 65 536 alternativer amplitudenivå. Men hvis amplituden til lyden i en av prøvene viste seg å være 34 heltall og 478 tusendeler, må vi runde den opp til 34.

For små nivåer av inngangssignalets amplitude har slik avrunding negative konsekvenser i form av forvrengninger, som den kjemper mot. ryste.

Nå er det helt sikkert. Takk for at du leste!

Ikke glem å skrive en kommentar og klikk på de vakre knappene sosiale nettverk nederst i artikkelen.

lydbølger eller rett og slett lyd kalt bølgene som oppfattes av det menneskelige øret. Lydfrekvensområdet er omtrent 20 Hz til 20 kHz. Bølger med en frekvens på mindre enn 20 Hz kalles infralyd , og med en frekvens på mer enn 20 kHz - ultralyd . Bølger i lydområdet kan forplante seg ikke bare i en gass, men også i en væske (langsgående bølger) og i et fast legeme (langsgående og tverrgående bølger). Imidlertid er bølger i et gassformig medium - vårt habitat - av spesiell interesse. Den grenen av fysikk som omhandler studiet av lydfenomener kalles akustikk .

Når lyd forplanter seg i en gass, svinger atomer og molekyler i bølgeretningen. Dette fører til endringer i den lokale tettheten ρ og trykk s. Lydbølger i en gass omtales ofte som tetthetsbølger eller trykkbølger.

I enkle harmoniske lydbølger som forplanter seg langs aksen OKSE, trykkendring s (x, t) avhenger av koordinaten x og tid t i lov

To tegn i cosinusargumentet tilsvarer to retninger for bølgeutbredelse. Sammenhenger mellom sirkulær frekvens ω, bølgetall k, bølgelengde λ, lydhastighet υ er de samme som for tverrgående bølger i en streng eller strikk (2.6):

En viktig egenskap ved lydbølger er hastigheten på spredningen deres . Det bestemmes av mediets inerte og elastiske egenskaper. Utbredelseshastigheten til langsgående bølger i ethvert uendelig homogent medium bestemmes av formelen

hvor B er modulen for jevn kompresjon, ρ er den gjennomsnittlige tettheten til mediet. Newton prøvde også å beregne lydhastigheten i luft. Han foreslo at elastisiteten til luft rett og slett er lik atmosfærisk trykk. s atm, da er lydhastigheten i luft mindre enn 300 m/s, mens den sanne lydhastigheten ved normale forhold (det vil si ved en temperatur på 0 ° C og et trykk på 1 atm) er 331,5 m / s, og lydhastigheten ved en temperatur på 20 ° C og et trykk på 1 atm er 343 m / s. Bare mer enn hundre år senere viste den franske forskeren Pierre Laplace at Newtons antakelse var ensbetydende med antakelsen om en rask utjevning av temperatur mellom sjeldne områder og kompresjonsområder. Denne forutsetningen er ikke oppfylt på grunn av luftens dårlige varmeledningsevne og den lille perioden med svingninger i lydbølgen. Faktisk oppstår en temperaturforskjell mellom områdene for sjeldne og kompresjon av gassen, noe som i betydelig grad påvirker de elastiske egenskapene. Laplace foreslo at kompresjon og sjeldnegjøring av gass i en lydbølge skjer iht adiabatisk lov, dvs. uten påvirkning av termisk ledningsevne. Laplaces formel (1816) har formen

hvor s- gjennomsnittlig trykk i gassen, ρ - gjennomsnittlig tetthet, γ - noe konstant avhengig av gassens egenskaper. For diatomiske gasser γ = 1,4. Beregningen av lydhastigheten ved hjelp av Laplace-formelen gir verdien υ = 332 m/s (under normale forhold).

I termodynamikk er det bevist at koeffisienten γ er lik forholdet mellom varmekapasiteter ved konstant trykk Cs og med konstant volum CV. Laplaces formel kan representeres i en annen form hvis vi bruker ideell gassligning av tilstand. Her er det endelige uttrykket:

hvor T - absolutt temperatur, M - molar masse , R\u003d 8,314 J / mol K - universell gasskonstant. Lydens hastighet er svært avhengig av gassens egenskaper. Jo lettere gassen er, jo større er lydhastigheten i den gassen. Så for eksempel i luften ( M\u003d 29 10 -3 kg / mol) under normale forhold υ \u003d 331,5 m / s, i helium ( M\u003d 4 10 -3 kg / mol) υ \u003d 970 m / s, i hydrogen ( M\u003d 2 10 -3 kg / mol) υ \u003d 1270 m / s.

I væsker og faste stoffer er hastigheten på lydbølgene enda større. I vann er for eksempel υ = 1480 m/s (ved 20 °C), i stål υ = 5-6 km/s.

Når det oppfatter ulike lyder, vurderer det menneskelige øret dem først og fremst etter nivå. volum, avhengig av energiflyten eller intensitet lydbølge. Effekten av en lydbølge på trommehinnen kommer an på lydtrykk, dvs. amplituder s 0 trykksvingninger i bølgen. Det menneskelige øret er en perfekt skapelse av naturen, i stand til å oppfatte lyder i et stort spekter av intensiteter: fra det svake knirket fra en mygg til brølet fra en vulkan. hørselsterskel tilsvarer verdien s 0 i størrelsesorden 10 -10 atm, dvs. 10 -5 Pa. Med en så svak lyd svinger luftmolekyler i en lydbølge med en amplitude på kun 10 -7 cm! smerteterskel tilsvarer verdien s 0 ordre 10 -4 atm eller 10 Pa. Dermed er det menneskelige øret i stand til å oppfatte bølger der lydtrykket endres en million ganger. Siden lydintensiteten er proporsjonal med kvadratet av lydtrykket, er intensitetsområdet i størrelsesorden 10 12 ! Det menneskelige øret, som er i stand til å oppfatte lyder i et så stort intensitetsområde, kan sammenlignes med et instrument som kan brukes til å måle både diameteren til et atom og størrelsen på en fotballbane.

Til sammenligning peker vi på at under vanlige samtaler med mennesker i et rom er lydintensiteten omtrent 10 6 ganger høyere enn terskelen for hørbarhet, og lydintensiteten på en rockekonsert nærmer seg smerteterskelen.

En annen egenskap ved lydbølger som definerer dem auditiv persepsjon, er tonehøyde . Oscillasjoner i en harmonisk lydbølge oppfattes av det menneskelige øre som musikalsk tone . svingninger høy frekvens oppfattes som lyder høy tone, lavfrekvente vibrasjonslignende lyder lav tone. Lydene laget av musikkinstrumenter, så vel som lydene til den menneskelige stemmen, kan variere sterkt i tonehøyde og frekvensområde. Så for eksempel rekkevidden til den laveste mannsstemmen er bass- strekker seg fra omtrent 80 til 400 Hz, og rekkevidden til en høy kvinnelig stemme - sopran- fra 250 til 1050 Hz.

Omfanget av lydvibrasjoner som tilsvarer en endring i frekvensen av vibrasjoner med en faktor på to kalles oktav. Stemmen til fiolinen, for eksempel, dekker omtrent tre og en halv oktaver (196-2340 Hz), og lydene til pianoet dekker mer enn syv oktaver (27,5-4186 Hz).

Når de snakker om frekvensen til lyden som sendes ut av strengene til et strengemusikkinstrument, er det som menes frekvensen f 1 hovedtone. Men strengvibrasjoner kan også inneholde harmoniske, frekvenser fn som tilfredsstiller forholdet:

fn = nf 1 , (n = 1, 2, 3...).

Derfor kan en klingende streng utstråle en helhet spektrum bølger med flere frekvenser. Amplituder ENn disse bølgene avhenger av metoden for eksitasjon av strengen (bue, hammer); de bestemmer den musikalske fargen på lyden eller klang . Det samme gjelder for blåsemusikkinstrumenter. Vindinstrumentrør er akustiske resonatorer, det vil si akustiske oscillerende systemer som er i stand til å bli eksitert (resonnere) fra lydbølger med visse frekvenser. Under visse forhold oppstår det stående lydbølger i luften inne i rørene. På fig. Figur 2.7.1 viser flere typer stående bølger (modes) i en orgelpipe lukket i den ene enden og åpen i den andre. Lydene som produseres av pipene til blåseinstrumenter består av et helt spekter av bølger med flere frekvenser.

Når du stiller musikkinstrumenter, kalles en enhet stemmegaffel. Den består av en akustisk treresonator og en metallplugg festet til den, innstilt til resonans. Når hammeren slår gaffelen, er hele systemet begeistret og avgir en ren musikalsk tone.

Sangerens strupehode er også en akustisk resonator. På fig. 2.7.2 viser spektra av lydbølger som sendes ut av en stemmegaffel, en pianostreng og en lav kvinnestemme (alt), som lyder på samme tone.

lydbølger, frekvensspektre som er vist i fig. 2.7.2, har samme tonehøyde, men forskjellige klangfarger.

La oss nå se på fenomenet som oppstår når to harmoniske lydbølger med nære, men likevel litt forskjellige frekvenser er overlagret. Dette fenomenet kalles beats . Det oppstår for eksempel når to stemmegafler eller to gitarstrenger er stemt til nesten samme frekvens samtidig. Beats oppfattes av øret som en harmonisk tone, hvis volumet endres med jevne mellomrom over tid. La lyden presse s 1 og s 2 som virker på øret, endre i henhold til lovene

s 1 = EN 0 cos ω 1 t og s 2 = EN 0 cos ω 2 t.

I samsvar med superposisjonsprinsipp det totale trykket forårsaket av begge bølgene i hvert øyeblikk er lik summen av lydtrykkene forårsaket i samme øyeblikk av hver bølge separat.

Den totale handlingen til begge bølgene ved bruk av trigonometriske transformasjoner kan representeres som

På fig. 2.7.3(1) viser trykkavhengighetene s 1 og s 2 av tid t. På tidspunktet t= 0, begge oscillasjonene er i fase, og deres amplituder summerer seg. Siden oscillasjonsfrekvensene er noe forskjellige fra hverandre, etter en stund t 1 svingninger vil være i motfase. I dette øyeblikket vil den totale amplituden snu til null (svingninger "slukker" hverandre). Innen t 2 = 2t 1, vil svingningene igjen være i fase osv. (Fig. 2.7.3 (2)).

Minimumsintervallet mellom to tidspunkter med maksimal (eller minimum) oscillasjonsamplitude kalles beat-periodeT b. Langsomt skiftende amplitude EN den resulterende fluktuasjonen er

Periode T b amplitudeendring er lik 2π / Δω. Dette kan vises på en annen måte, forutsatt at periodene med trykksvingninger i lydbølger T 1 og T 2 er slik at T 1 < T 2 (dvs. ω 1 > ω 2). For beatperioden T b noen tall skjer n hele sykluser av svingninger av den første bølgen og ( n- 1) sykluser av oscillasjoner av den andre bølgen.

Lyd er lydbølger som forårsaker vibrasjoner av de minste partiklene av luft, andre gasser, samt flytende og faste medier. Lyd kan bare oppstå der det er materie, uansett hvilken tilstand den er i. I et vakuum, hvor det ikke er noe medium, forplanter ikke lyd seg, fordi det ikke er partikler som fungerer som lydbølger. For eksempel i verdensrommet. Lyd kan modifiseres, modifiseres, bli til andre former for energi. Dermed kan lyd omdannet til radiobølger eller elektrisk energi overføres over avstander og registreres på informasjonsmedier.

Lydbølge

Bevegelsene til gjenstander og kropper forårsaker nesten alltid vibrasjoner i miljøet. Det spiller ingen rolle om det er vann eller luft. I prosessen med dette begynner også partiklene i mediet, som kroppens vibrasjoner overføres til, å svinge. Lydbølger genereres. Dessuten utføres bevegelsene i retningene fremover og bakover, og erstatter hverandre gradvis. Derfor er lydbølgen langsgående. Aldri i den er det ingen tverrgående bevegelse opp og ned.

Kjennetegn på lydbølger

Som ethvert fysisk fenomen har de sine egne verdier, som du kan beskrive egenskapene med. Hovedkarakteristikkene til en lydbølge er dens frekvens og amplitude. Den første verdien viser hvor mange bølger som dannes per sekund. Den andre bestemmer styrken på bølgen. Lavfrekvente lyder er lave priser frekvens og omvendt. Lydens frekvens måles i Hertz, og hvis den overstiger 20 000 Hz, oppstår ultralyd. Det er nok eksempler på lavfrekvente og høyfrekvente lyder i naturen og verden rundt oss. Kvitringen fra en nattergal, torden, bruset fra en fjellelv og andre er alle forskjellige lydfrekvenser. Verdien av amplituden til bølgen avhenger direkte av hvor høy lyden er. Volumet reduseres på sin side når du beveger deg bort fra lydkilden. Følgelig er amplituden jo mindre, jo lenger fra episenteret bølgen er. Med andre ord, amplituden til en lydbølge avtar med avstanden fra lydkilden.

Lydhastighet

Denne indikatoren for en lydbølge er direkte avhengig av naturen til mediet den forplanter seg i. Fuktighet og temperatur spiller også en vesentlig rolle her. I gjennomsnittlige værforhold er lydhastigheten omtrent 340 meter per sekund. I fysikk er det noe som heter supersonisk hastighet, som alltid er større i verdi enn lydens hastighet. Dette er hastigheten lydbølgene forplanter seg med når flyet beveger seg. Flyet reiser med supersoniske hastigheter og kjører til og med ut av lydbølgene som genereres av det. På grunn av at trykket gradvis øker bak flyet, dannes det en sjokklydbølge. En interessant og få mennesker kjenner måleenheten for en slik hastighet. Den heter Mach. Mach 1 er lik lydhastigheten. Hvis bølgen beveger seg ved Mach 2, beveger den seg dobbelt så raskt som lydens hastighet.

Lyder

Det er konstante lyder i hverdagen. Støynivået måles i desibel. Bevegelsen av biler, vinden, raslingen av løv, sammenvevingen av folks stemmer og andre lydstøy er våre daglige følgesvenner. Men til slike lyder auditiv analysator en person har evnen til å venne seg til. Imidlertid er det også slike fenomener som selv de adaptive evnene til det menneskelige øret ikke kan takle. For eksempel kan støy over 120 dB forårsake en følelse av smerte. Det mest høylytte dyret er blåhvalen. Når den lager lyder, kan den høres på mer enn 800 kilometers avstand.

Ekko

Hvordan oppstår et ekko? Alt er veldig enkelt her. Lydbølgen har evnen til å reflekteres fra ulike overflater: fra vann, fra steiner, fra vegger i et tomt rom. Denne bølgen vender tilbake til oss, så vi hører sekundærlyd. Den er ikke like tydelig som den opprinnelige, siden noe av energien til lydbølgen forsvinner når den beveger seg mot hindringen.

Ekkolokalisering

Lydrefleksjon brukes til ulike praktiske formål. For eksempel ekkolokalisering. Det er basert på det faktum at ultralydbølger det er mulig å bestemme avstanden til objektet som disse bølgene reflekteres fra. Beregninger utføres ved å måle tiden som ultralyden vil nå stedet og returnere tilbake. Mange dyr har evnen til å ekkolokalisere. For eksempel, flaggermus, delfiner bruker det til å søke etter mat. Echolocation har funnet en annen anvendelse innen medisin. Ved undersøkelse med ultralyd dannes et bilde Indre organer person. Denne metoden er basert på det faktum at ultralyd, som kommer inn i et annet medium enn luft, går tilbake og danner et bilde.

Lydbølger i musikk

Hvorfor lager musikkinstrumenter bestemte lyder? Gitarplukk, pianotoner, lave toner av trommer og trompeter, en sjarmerende tynn stemme av en fløyte. Alle disse og mange andre lyder skyldes vibrasjoner i luften, eller med andre ord, på grunn av utseendet til lydbølger. Men hvorfor er lyden til musikkinstrumenter så variert? Det viser seg at det avhenger av flere faktorer. Den første er formen på instrumentet, den andre er materialet det er laget av.

La oss ta en titt på eksemplet med strengeinstrumenter. De blir lydkilden når strengene berøres. Som et resultat begynner de å svinge og sende til miljø forskjellige lyder. Den lave lyden til et strengeinstrument skyldes den større tykkelsen og lengden på strengen, samt svakheten i spenningen. Omvendt, jo sterkere strengen er strukket, jo tynnere og kortere den er, jo høyere blir lyden som et resultat av å spille.

Mikrofonhandling

Den er basert på konvertering av lydbølgeenergi til elektrisk energi. I dette tilfellet er strømstyrken og lydens natur i direkte proporsjon. Inne i enhver mikrofon er det en tynn plate laget av metall. Når den utsettes for lyd, begynner den å gjøre oscillerende bevegelser. Spiralen som platen er koblet til vibrerer også, noe som resulterer i elektrisitet. Hvorfor dukker han opp? Dette er fordi mikrofonen også har innebygde magneter. Når spiralen vibrerer mellom polene, dannes det en elektrisk strøm, som går langs spiralen og videre - til lydsøylen (høyttaleren) eller til utstyret for opptak på et informasjonsmedium (på en kassett, disk, datamaskin). En lignende struktur har forresten en mikrofon i telefonen. Men hvordan fungerer mikrofoner på fasttelefoner og mobiltelefoner? Den innledende fasen er den samme for dem - lyden av en menneskelig stemme overfører vibrasjonene til mikrofonplaten, deretter følger alt scenariet beskrevet ovenfor: en spiral som lukker to poler når den beveger seg, en strøm skapes. Hva blir det neste? Med en fasttelefon er alt mer eller mindre klart – som i en mikrofon går lyden, omdannet til elektrisk strøm, gjennom ledningene. Men hva med en mobiltelefon eller for eksempel en walkie-talkie? I disse tilfellene blir lyden omdannet til radiobølgeenergi og treffer satellitten. Det er alt.

Resonansfenomen

Noen ganger skapes slike forhold når amplituden av svingninger fysisk kroppøker kraftig. Dette skyldes konvergensen av verdiene for frekvensen av tvangssvingninger og den naturlige frekvensen av oscillasjoner til objektet (kroppen). Resonans kan være både gunstig og skadelig. For eksempel, for å redde en bil fra et hull, startes og skyves den frem og tilbake for å forårsake resonans og gi bilen fart. Men det har vært tilfeller negative konsekvenser resonans. For eksempel, i St. Petersburg, for rundt hundre år siden, kollapset en bro under synkroniserte marsjerende soldater.

Lyd (lydbølge ) –er en elastisk bølge som oppfattes av menneskers og dyrs høreorgan. Med andre ord, lyd er forplantningen av tetthets- (eller trykk-) svingninger i et elastisk medium, som oppstår fra samspillet mellom partikler i mediet med hverandre.

Atmosfæren (luft) er et av de elastiske mediene. Forplantningen av lyd i luft overholder de generelle lovene for forplantning av akustiske bølger i ideelle gasser, og har også funksjoner på grunn av variasjonen av tetthet, trykk, temperatur og luftfuktighet. Lydens hastighet bestemmes av mediets egenskaper og beregnes ut fra formlene for hastigheten til en elastisk bølge.

Det er kunstige og naturlige kilder lyd. Kunstige emittere inkluderer:

Vibrasjoner av solide kropper (strenger og dekk av musikkinstrumenter, høyttalerdiffusorer, telefonmembraner, piezoelektriske plater);

Luftvibrasjoner i et begrenset volum (orgelpiper, fløyter);

Beat (pianotaster, bjelle);

Elektrisk strøm (elektroakustiske transdusere).

Naturlige kilder inkluderer:

Eksplosjon, kollaps;

Luftstrøm rundt hindringer (vind blåser hjørnet av en bygning, toppen av en havbølge).

Det er også kunstige og naturlige mottakere lyd:

Elektroakustiske transdusere (mikrofon i luft, hydrofon i vann, geofon i jordskorpen) og andre enheter;

Høreapparater til mennesker og dyr.

Under forplantningen av lydbølger er fenomener som er karakteristiske for bølger av enhver art mulig:

Refleksjon fra et hinder

Refraksjon på grensen til to medier,

interferens (tillegg),

Diffraksjon (unngåelse av hindringer),

Dispersjon (avhengighet av lydhastigheten i et stoff på lydens frekvens);

Absorpsjon (reduksjon i energien og intensiteten til lyd i mediet på grunn av den irreversible konverteringen av lydenergi til varme).

Objektive lydegenskaper

lydfrekvens

Frekvensen av lyden som er hørbar for en person ligger i området fra 16 Hz før 16 - 20 kHz . Elastiske bølger med frekvens under hørbar rekkevidde kalt infralyd (inkludert hjernerystelse), s høyere Frekvens – ultralyd , og de elastiske bølgene med høyest frekvens er hypersonisk .

Hele lydens frekvensområde kan deles inn i tre deler (tabell 1.).

Bråk har et kontinuerlig spektrum av frekvenser (eller bølgelengder) i området med lavfrekvent lyd (tabell 1, 2). Et kontinuerlig spektrum betyr at frekvensene kan ha hvilken som helst verdi fra det gitte intervallet.

Musikalsk , eller tonal , lyder har et linjefrekvensspektrum i området mellom mellomfrekvent og delvis høyfrekvent lyd. Resten av den høyfrekvente lyden er opptatt av en fløyte. Linjespekteret betyr at musikalske frekvenser kun har strengt definerte (diskrete) verdier fra det angitte intervallet.

I tillegg er intervallet til musikalske frekvenser delt inn i oktaver. Oktav er frekvensintervallet innelukket mellom to grenseverdier, hvor den øvre er dobbelt så stor(Tabell 3)

Vanlige oktavfrekvensbånd

Oktavband	 min , Hz	 maks , Hz	 ons , Hz

Eksempler på frekvensintervaller for lyd produsert av det menneskelige vokalapparatet og oppfattet av det menneskelige hørselsapparatet er vist i tabell 4.


kontralto, bratsj
mezzosopran

Koloratursopran

Eksempler på frekvensområdene til noen musikkinstrumenter er vist i tabell 5. De dekker ikke bare lydområdet, men også ultralydområdet.

Musikk Instrument	Frekvens Hz

Saksofon

Dyr, fugler og insekter skaper og oppfatter andres lyd frekvensbånd enn en person (tabell 6).

I musikk kalles hver sinusformet lydbølge enkel tone, eller tone. Tonehøyden avhenger av frekvensen: jo høyere frekvens, jo høyere tone. Hovedtone kompleks musikalsk lyd kalles tonen som tilsvarer laveste frekvens i sitt spektrum. Toner som tilsvarer andre frekvenser kalles overtoner. Hvis overtoner multipler frekvensen til grunntonen, så kalles overtonene harmonisk. Overtonen med den laveste frekvensen kalles den første harmoniske, med den neste - den andre, etc.

Musikklyder med samme grunntone kan variere klang. Klangen avhenger av sammensetningen av overtonene, deres frekvenser og amplituder, arten av deres stigning i begynnelsen av lyden og forfallet på slutten.

Lydhastighet

For lyd i ulike medier er generelle formler (22) - (25) gyldige. I dette tilfellet bør det tas i betraktning at formel (22) er anvendelig i tilfelle av tørr atmosfærisk luft, og under hensyntagen til numeriske verdier av Poissons forhold, molar masse og universell gasskonstant, kan skrives som :

Imidlertid har ekte atmosfærisk luft alltid fuktighet, noe som påvirker lydhastigheten. Dette er fordi Poissons forhold  avhenger av forholdet mellom partialtrykket til vanndamp ( s damp) til atmosfærisk trykk ( s). I fuktig luft bestemmes lydhastigheten av formelen:

Fra den siste ligningen kan man se at lydhastigheten i fuktig luft er litt større enn i tørr luft.

Numeriske estimater av lydens hastighet, tatt i betraktning påvirkningen av temperaturer og fuktighet i atmosfærisk luft, kan utføres ved å bruke den omtrentlige formelen:

Disse estimatene viser at når lyd forplanter seg langs horisontal retning ( 0 x) med en økning i temperatur med 1 0 C lydhastigheten øker med 0,6 m/s. Under påvirkning av vanndamp med et partialtrykk på ikke mer enn 10 Pa lydhastigheten øker med mindre enn 0,5 m/s. Men generelt, ved maksimalt mulig partialtrykk av vanndamp nær jordoverflaten, øker lydhastigheten med ikke mer enn 1 m/s.

Lydtrykk

I fravær av lyd er atmosfæren (luft) et uforstyrret medium og har en statisk Atmosfæretrykk (
).

Når lydbølger forplanter seg, legges et ekstra variabelt trykk til dette statiske trykket, på grunn av kondensering og sjeldne luft. Når det gjelder plane bølger, kan vi skrive:

hvor s sv, maks er lydtrykkamplituden,  - syklisk frekvens av lyd, k - bølgetall. Derfor blir det atmosfæriske trykket ved et fast punkt på et gitt tidspunkt lik summen av disse trykkene:

Lydtrykk - dette er et variabelt trykk lik forskjellen mellom det øyeblikkelige faktiske atmosfæriske trykket ved et gitt punkt under passering av en lydbølge og det statiske atmosfæriske trykket i fravær av lyd:

Lydtrykk i løpet av oscillasjonsperioden endrer verdi og fortegn.

Lydtrykket er nesten alltid mye mindre enn atmosfærisk trykk.

Den blir stor og står i forhold til atmosfærisk trykk når sjokkbølger oppstår under kraftige eksplosjoner eller når et jetfly passerer.

Lydtrykkenhetene er som følger:

- pascal i SI
,

- bar i GHS
,

- millimeter kvikksølv,

- atmosfære.

I praksis måler enheter ikke den øyeblikkelige verdien av lydtrykk, men den såkalte effektiv (eller strøm )lyd press . Det tilsvarer kvadratroten av gjennomsnittsverdien av kvadratet av det øyeblikkelige lydtrykket på et gitt punkt i rommet på et gitt tidspunkt

(44)

og derfor også kalt RMS lydtrykk . Ved å erstatte uttrykk (39) med formel (40), får vi:

. (45)

Lydimpedans

Lyd (akustisk) impedans kalt amplitudeforholdetlydtrykk og vibrasjonshastighet for partikler i mediet:

. (46)

Den fysiske betydningen av lydimpedans: det er numerisk lik lydtrykket, og forårsaker oscillasjoner av partiklene i mediet med en enhetshastighet:

Måleenheten for lydimpedans i SI er pascal sekund per meter:

I tilfelle av en plan bølge partikkeloscillasjonshastighet er lik

Deretter har formel (46) formen:

. (46*)

Det er også en annen definisjon av lydmotstand, som produktet av mediets tetthet og lydhastigheten i dette mediet:

. (47)

Da det fysisk mening er at den er numerisk lik tettheten til mediet der den elastiske bølgen forplanter seg med enhetshastighet:

I tillegg til akustisk motstand i akustikk, brukes konseptet mekanisk motstand (R m). Mekanisk motstand er forholdet mellom amplitudene til den periodiske kraften og oscillerende hastigheten til partiklene i mediet:

, (48)

hvor S er overflatearealet til lydgiveren. Mekanisk motstand måles i newton sekunder per meter:

Energi og kraft av lyd

En lydbølge kjennetegnes av de samme energimengdene som en elastisk bølge.

Hvert luftvolum som lydbølger forplanter seg i har en energi som består av den kinetiske energien til oscillerende partikler og den potensielle energien til elastisk deformasjon av mediet (se formel (29)).

Lydintensitet kalleslydkraft . Hun er likestilt

. (49)

Derfor den fysiske betydningen av lydkraft ligner på betydningen av energiflukstettheten: numerisk lik gjennomsnittsverdien av energien som overføres av en bølge per tidsenhet gjennom den tverrgående overflaten av en enhetsareal.

Enheten for lydintensitet er watt per kvadratmeter:

Lydeffekten er proporsjonal med kvadratet av det effektive lydtrykket og omvendt proporsjonalt med lydtrykket (akustisk):

, (50)

eller, tatt i betraktning uttrykk (45),

, (51)

hvor R ak – akustisk impedans.

Lyd kan også preges av lydkraft. Lydkraft er den totale mengden lydenergi som sendes ut av en kilde i en viss tid gjennom en lukket overflate som omgir lydkilden:

, (52)

eller, tatt i betraktning formel (49),

. (52*)

Lydstyrke, som alle andre, måles i watt:

Forekommer i gassformige, flytende og faste medier, som, når de når de menneskelige hørselsorganene, oppfattes av dem som lyd. Frekvensen til disse bølgene ligger i området fra 20 til 20 000 svingninger per sekund. Vi gir formler for en lydbølge og vurderer dens egenskaper mer detaljert.

Hvorfor vises en lydbølge?

Mange lurer på hva en lydbølge er. Lydens natur ligger i forekomsten av forstyrrelser i et elastisk medium. For eksempel, når en trykkforstyrrelse i form av kompresjon oppstår i et visst volum luft, har dette området en tendens til å spre seg i rommet. Denne prosessen fører til komprimering av luft i områder ved siden av kilden, som også har en tendens til å utvide seg. Denne prosessen dekker mer og mer av plassen til den når en eller annen mottaker, for eksempel det menneskelige øret.

Generelle egenskaper ved lydbølger

Vurder spørsmålene om hva en lydbølge er og hvordan den oppfattes av det menneskelige øret. Lydbølgen er langsgående; når den kommer inn i øreskallet, får den trommehinnen til å vibrere med en viss frekvens og amplitude. Du kan også representere disse svingningene som periodiske endringer i trykk i mikrovolumet av luft ved siden av membranen. Først øker det i forhold til normalt atmosfærisk trykk, og avtar deretter, i samsvar med de matematiske lovene for harmonisk bevegelse. Amplituden av endringer i luftkompresjon, det vil si forskjellen mellom maksimalt eller minimumstrykk skapt av en lydbølge, med atmosfærisk trykk er proporsjonal med amplituden til selve lydbølgen.

Mange fysiske eksperimenter har vist det maksimale trykk, som kan oppfattes av det menneskelige øret uten å skade det, er 2800 μN/cm 2 . Til sammenligning, la oss si at det atmosfæriske trykket nær jordoverflaten er 10 millioner µN/cm 2 . Med tanke på proporsjonaliteten til trykk og amplitude av svingninger, kan vi si at sistnevnte verdi er ubetydelig selv for de sterkeste bølgene. Hvis vi snakker om lengden på en lydbølge, vil den for en frekvens på 1000 vibrasjoner per sekund være en tusendels centimeter.

De svakeste lydene skaper trykksvingninger i størrelsesorden 0,001 μN / cm 2, den tilsvarende amplituden av bølgesvingninger for en frekvens på 1000 Hz er 10 -9 cm, mens den gjennomsnittlige diameteren til luftmolekyler er 10 -8 cm, dvs. det menneskelige øret er et ekstremt følsomt organ.

Konseptet med intensiteten til lydbølger

Fra et geometrisk synspunkt er en lydbølge en vibrasjon av en viss form, men fra et fysisk synspunkt er hovedegenskapen til lydbølger deres evne til å overføre energi. Det viktigste eksemplet på overføring av bølgeenergi er solen, hvis utstrålte elektromagnetiske bølger gir energi til hele planeten vår.

Intensiteten til en lydbølge i fysikk er definert som mengden energi som bæres av en bølge gjennom en enhetsoverflate, som er vinkelrett på bølgens utbredelse, og per tidsenhet. Kort sagt, intensiteten til en bølge er dens kraft som overføres gjennom en enhetsareal.

Styrken til lydbølger måles vanligvis i desibel, som er basert på en logaritmisk skala, praktisk for praktisk analyse av resultatene.

Intensitet av ulike lyder

Følgende desibelskala gir en ide om betydningen av de forskjellige og følelsene den forårsaker:

terskelen for ubehagelige og ubehagelige opplevelser starter ved 120 desibel (dB);
klinkehammeren lager en lyd på 95 dB;
høyhastighetstog - 90 dB;
gate med stor trafikk - 70 dB;
volumet av en vanlig samtale mellom mennesker - 65 dB;
en moderne bil som beveger seg i moderate hastigheter produserer en støy på 50 dB;
det gjennomsnittlige volumet til radioen - 40 dB;
stille samtale - 20 dB;
støy fra tre løvverk - 10 dB;
minimumsterskelen for menneskelig lydfølsomhet er nær 0 dB.

Følsomheten til det menneskelige øret avhenger av lydens frekvens og er maksimalverdien for lydbølger med en frekvens på 2000-3000 Hz. For lyd i dette frekvensområdet er den nedre terskelen for menneskelig følsomhet 10 -5 dB. Høyere og lavere frekvenser enn det spesifiserte intervallet fører til en økning i den nedre følsomhetsterskelen på en slik måte at en person hører frekvenser nær 20 Hz og 20 000 Hz bare ved deres intensitet på flere titalls dB.

Når det gjelder den øvre terskelen for intensitet, hvoretter lyden begynner å forårsake ulempe for en person og til og med smerte, så skal det sies at det er praktisk talt uavhengig av frekvens og ligger i området 110-130 dB.

Geometriske egenskaper til en lydbølge

En ekte lydbølge er en kompleks oscillerende pakke av langsgående bølger, som kan dekomponeres til enkle harmoniske oscillasjoner. Hver slik oscillasjon er beskrevet fra et geometrisk synspunkt av følgende egenskaper:

Amplitude - det maksimale avviket for hver del av bølgen fra likevekt. Denne verdien er betegnet A.
Periode. Dette er tiden det tar for en enkel bølge å fullføre sin fullstendige svingning. Etter denne tiden begynner hvert punkt i bølgen å gjenta sin oscillerende prosess. Perioden er vanligvis betegnet med bokstaven T og måles i sekunder i SI-systemet.
Frekvens. Dette er en fysisk størrelse som viser hvor mange svingninger en gitt bølge gjør per sekund. Det vil si at det i sin betydning er en verdi omvendt til perioden. Det er betegnet f. For frekvensen til en lydbølge er formelen for å bestemme den i form av en periode som følger: f = 1/T.
Bølgelengden er avstanden den tilbakelegger i en periode med svingninger. Geometrisk er bølgelengden avstanden mellom to nærmeste maksima eller to nærmeste minima på en sinusformet kurve. Oscillasjonslengden til en lydbølge er avstanden mellom de nærmeste områdene med luftkompresjon eller de nærmeste stedene for dens sjeldne i rommet der bølgen beveger seg. Det er vanligvis betegnet med den greske bokstaven λ.
Forplantningshastigheten til en lydbølge er avstanden som kompresjonsregionen eller bølgens forplantningsregion forplanter seg per tidsenhet. Denne verdien er angitt med bokstaven v. For hastigheten til en lydbølge er formelen: v = λ*f.

Geometrien til en ren lydbølge, det vil si en bølge med konstant renhet, adlyder en sinusformet lov. I det generelle tilfellet er lydbølgeformelen: y = A*sin(ωt), hvor y er verdien av koordinaten til et gitt punkt på bølgen, t er tid, ω = 2*pi*f er den sykliske oscillasjonsfrekvens.

aperiodisk lyd

Mange lydkilder kan betraktes som periodiske, for eksempel lyden av musikkinstrumenter som gitar, piano, fløyte, men det er også et stort nummer av lyder i naturen som er aperiodiske, det vil si at lydvibrasjoner endrer frekvens og form i rommet. Teknisk sett kalles denne typen lyd støy. Levende eksempler på aperiodisk lyd er urban støy, lyden av havet, lyder fra perkusjonsinstrumenter, for eksempel fra en tromme, og andre.

Lydforplantningsmedium

I motsetning til elektromagnetisk stråling, hvis fotoner ikke trenger noe materiell medium for deres utbredelse, er lydens natur slik at et bestemt medium er nødvendig for forplantningen, det vil si at i henhold til fysikkens lover kan ikke lydbølger forplante seg i et vakuum.

Lyd kan forplante seg i gasser, væsker og faste stoffer. Hovedkarakteristikkene til en lydbølge som forplanter seg i et medium er som følger:

bølgen forplanter seg lineært;
den forplanter seg likt i alle retninger i et homogent medium, det vil si at lyd divergerer fra kilden og danner en ideell sfærisk overflate.
uavhengig av lydens amplitude og frekvens, forplanter bølgene seg med samme hastighet i et gitt medium.

Hastigheten til lydbølger i ulike medier

Hastigheten på lydutbredelsen avhenger av to hovedfaktorer: mediet som bølgen beveger seg i og temperaturen. Generelt fungerer det neste regel: Jo tettere mediet er, og jo høyere temperaturen er, desto raskere går lyden i det.

For eksempel er forplantningshastigheten til en lydbølge i luften nær jordoverflaten ved en temperatur på 20 ℃ og en luftfuktighet på 50 % 1235 km/t eller 343 m/s. I vann, ved en gitt temperatur, beveger lyd seg 4,5 ganger raskere, det vil si omtrent 5735 km/t eller 1600 m/s. Når det gjelder avhengigheten av lydhastigheten av temperaturen i luften, øker den med 0,6 m / s med en økning i temperaturen for hver grad Celsius.

Timbre og tone

Hvis en streng eller metallplate får vibrere fritt, vil den produsere lyder. annen frekvens. Det er svært sjelden å finne en kropp som sender ut en lyd av en bestemt frekvens, vanligvis har lyden til et objekt et sett med frekvenser i et visst intervall.

Klangen til en lyd bestemmes av antall harmoniske som er tilstede i den og deres respektive intensiteter. Timbre er subjektiv verdi, det vil si at dette er oppfatningen av et klingende objekt av en bestemt person. Timbre er vanligvis preget av følgende adjektiv: høy, briljant, klangfull, melodisk og så videre.

Tone er en lydsensasjon som gjør at den kan klassifiseres som høy eller lav. Denne verdien er også subjektiv og kan ikke måles med noe instrument. Tone er assosiert med en objektiv størrelse - frekvensen til en lydbølge, men det er ingen entydig sammenheng mellom dem. For eksempel, for en enkeltfrekvenslyd med konstant intensitet, stiger tonen når frekvensen øker. Hvis frekvensen til lyden forblir konstant, og dens intensitet øker, blir tonen lavere.

Form på lydkilder

I samsvar med formen på kroppen som utfører mekaniske vibrasjoner og dermed genererer bølger, er det tre hovedtyper:

punktkilde. Den produserer lydbølger som er sfæriske i form og avtar raskt med avstand fra kilden (ca. 6 dB hvis avstanden fra kilden dobles).
linjekilde. Det skaper sylindriske bølger, hvis intensitet avtar saktere enn fra en punktkilde (for hver dobling av avstanden fra kilden reduseres intensiteten med 3 dB).
Flat eller todimensjonal kilde. Det genererer bølger bare i en bestemt retning. Et eksempel på en slik kilde vil være et stempel som beveger seg i en sylinder.

Elektroniske lydkilder

For å lage en lydbølge bruker elektroniske kilder en spesiell membran (høyttaler), som utfører mekaniske vibrasjoner på grunn av fenomenet elektromagnetisk induksjon. Slike kilder inkluderer følgende:

spillere av forskjellige plater (CD, DVD og andre);
kassettopptakere;
radiomottakere;
TV-er og noen andre.