Unsere Wahrnehmung der Tonhöhe eines Tons und seiner anderen Eigenschaften wird durch die Eigenschaften der akustischen Welle bestimmt. Dies sind die gleichen Eigenschaften, die jeder mechanischen Welle innewohnen, nämlich die Periode, Frequenz und Amplitude von Schwingungen. Die subjektiven Schallempfindungen hängen nicht von der Länge und Geschwindigkeit der Welle ab. In dem Artikel werden wir die Physik des Schalls analysieren. Tonhöhe und Klangfarbe – wie werden sie bestimmt? Warum nehmen wir manche Geräusche als laut und andere als leise wahr? Die Antworten auf diese und andere Fragen werden im Artikel gegeben.
Pitch
Was bestimmt die Höhe? Um dies zu verstehen, machen wir ein einfaches Experiment. Nehmen wir ein flexibles langes Lineal, am besten aus Aluminium.
Lass es uns auf den Tisch drücken, die Kante stark drücken. Lassen Sie uns mit dem Finger auf die freie Kante des Lineals schlagen - es wird zittern, aber seine Bewegung wird stumm sein. Lassen Sie uns nun das Lineal näher an uns heranrücken, sodass sein kleinerer Teil über den Rand der Arbeitsplatte hinausragt. Schlagen wir noch einmal zuHerrscher. Seine Kante vibriert viel schneller und mit einer kleineren Amplitude, und wir hören einen charakteristischen Ton. Wir schließen daraus, dass die Schwingungsfrequenz mindestens einen bestimmten Wert haben muss, damit Schall entstehen kann. Die Untergrenze des Tonfrequenzbereichs liegt bei 20 Hz, die Obergrenze bei 20.000 Hz.
Setzen wir das Experiment fort. Kürzen Sie die freie Kante des Lineals noch weiter, setzen Sie es erneut in Bewegung. Auffällig ist, dass sich der Klang verändert hat, er ist höher geworden. Was zeigt das Experiment? Er beweist die Abhängigkeit der Tonhöhe von der Frequenz und Amplitude der Schwingungen seiner Quelle.
Lautstärke
Um die Lautstärke zu untersuchen, verwenden wir eine Stimmgabel - ein spezielles Werkzeug zur Untersuchung der Eigenschaften von Schall. Es gibt Stimmgabeln mit unterschiedlichen Schenkellängen. Sie vibrieren, wenn sie mit einem Hammer angeschlagen werden. Große Stimmgabeln schwingen langsamer und erzeugen einen tiefen Ton. Die kleinen vibrieren häufig und unterscheiden sich in der Tonhöhe.
Lass uns die Stimmgabel anschlagen und zuhören. Der Ton wird mit der Zeit schwächer. Warum passiert dies? Die Lautstärke des Tons wird aufgrund einer Abnahme der Amplitude der Schwingung der Beine des Geräts gedämpft. Sie schwingen nicht so stark, was bedeutet, dass auch die Schwingungsamplitude der Luftmoleküle abnimmt. Je niedriger es ist, desto leiser wird der Ton sein. Diese Aussage gilt für Töne gleicher Frequenz. Es stellt sich heraus, dass sowohl die Tonhöhe als auch die Lautstärke des Tons von der Amplitude der Welle abhängen.
Wahrnehmung von Geräuschen unterschiedlicher Lautstärke
Von oben scheint es, dass wir umso klarer sind, je lauter der Ton istwir hören, desto subtilere Veränderungen können wir wahrnehmen. Es ist nicht so. Wenn der Körper mit einer sehr großen Amplitude, aber einer niedrigen Frequenz zum Schwingen gebracht wird, ist ein solches Geräusch schlecht unterscheidbar. Tatsache ist, dass unser Ohr im gesamten Hörbereich (20-20.000 Hz) Töne um 1 kHz am besten unterscheidet. Das menschliche Gehör ist für diese Frequenzen am empfindlichsten. Solche Geräusche erscheinen uns am lautesten. Warnsignale, Sirenen werden genau auf 1 kHz abgestimmt.
Lautstärke verschiedener Töne
Die Tabelle zeigt gängige Geräusche und ihre Lautstärke in Dezibel.
| Art des Geräusches | Lautstärke, dB |
| Ruhe Atmung | 0 |
| Flüstern, Blätterrauschen | 10 |
| Ticken einer 1 m entfernten Uhr | 30 |
| Regelmäßige Unterh altung | 45 |
| Lärm im Laden, Gespräch im Büro | 55 |
| Straßengeräusch | 60 |
| Lautes Gespräch | 65 |
| Lärm in der Druckerei | 74 |
| Auto | 77 |
| Bus | 80 |
| Werkzeugmaschinenbau | 80 |
| Lauter Schrei | 85 |
| Motorrad mit Schalldämpfer | 85 |
| Drehmaschine | 90 |
| Hüttenwerk | 99 |
| Orchester, U-Bahnwagen | 100 |
| Kompressorstation | 100 |
| Kettensäge | 105 |
| Hubschrauber | 110 |
| Donner | 120 |
| Düsentriebwerk | 120 |
| Nieten, Schneiden von Stahl (dieses Volumen entspricht der Schmerzgrenze) | 130 |
| Flugzeug beim Start | 130 |
| Raketenstart (verursacht Granatenschock) | 145 |
| Geräusch einer Schrotflinte mittleren Kalibers in der Nähe der Mündung (verursacht Verletzungen) | 150 |
| Überschallflugzeug (diese Lautstärke führt zu Verletzungen und Schmerzschock) | 160 |
Timbre
Die Tonhöhe und Lautstärke des Tons werden, wie wir herausgefunden haben, durch die Frequenz und Amplitude der Welle bestimmt. Die Klangfarbe ist unabhängig von diesen Eigenschaften. Nehmen wir zwei Klangquellen mit derselben Tonhöhe, um zu verstehen, warum sie eine unterschiedliche Klangfarbe haben.
Das erste Instrument ist eine Stimmgabel mit einer Frequenz von 440 Hz (dies ist die Note für die erste Oktave), das zweite - eine Flöte, das dritte - eine Gitarre. Mit Musikinstrumenten geben wir denselben Ton wieder, auf dem die Stimmgabel erklingt. Alle drei haben die gleiche Tonhöhe, klingen aber dennoch unterschiedlich, unterscheiden sich in der Klangfarbe. Was ist der Grund? Es dreht sich alles um die Schwingungen der Schallwelle. Die Bewegung, die eine akustische Welle aus komplexen Klängen macht, wird als nichtharmonische Schwingung bezeichnet. Die Welle in verschiedenen Bereichen schwingt mit unterschiedlicher Stärke und Frequenz. Diese zusätzlichen Obertöne, die sich in Lautstärke und Tonhöhe unterscheiden, nennt man Obertöne.
Verwechsle Tonhöhe und Klangfarbe nicht. Die Physik des Klangs ist so, dass wenn„mischt“man dem Hauptklang weitere, höhere hinzu, erhält man eine sogenannte Klangfarbe. Sie wird durch die Lautstärke und die Anzahl der Obertöne bestimmt. Die Frequenz der Obertöne ist ein Vielfaches der Frequenz des tiefsten Tons, d.h. sie ist eine ganze Zahl größer - 2, 3, 4 usw. Der tiefste Ton wird Hauptton genannt, er bestimmt die Tonhöhe, und die Obertöne beeinflussen die Klangfarbe.
Es gibt Klänge, die überhaupt keine Obertöne enth alten, wie zum Beispiel eine Stimmgabel. Wenn Sie die Bewegung seiner Schallwelle in einem Diagramm darstellen, erh alten Sie eine Sinuswelle. Solche Schwingungen werden harmonisch genannt. Die Stimmgabel gibt nur den Grundton ab. Dieser Klang wird oft als langweilig, farblos bezeichnet.
Wenn ein Ton viele hochfrequente Obertöne hat, wird er schroff. Tiefe Obertöne verleihen dem Klang Weichheit, Samtigkeit. Jedes Musikinstrument, jede Stimme hat ihre eigenen Obertöne. Es ist die Kombination aus Grundton und Obertönen, die einen einzigartigen Klang ergibt, dem Klang eine bestimmte Klangfarbe verleiht.
