Главная / Физика / Реферат. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Реферат. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 22









РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ


ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ





ИСПОЛНИТЕЛЬ: ПУШТАЕВ АЛЕКСЕЙ, 10 «А» класс

РУКОВОДИТЕЛЬ: Учитель физики и информатики ГОРЕВ А.В.








г. ОРЕХОВО-ЗУЕВО

2009 г.

План

1. Ведение стр. 2

2. Общие сведения о звуке стр. 4

3. Особенности звука гитары стр. 8

4. Особенности звуков речи стр. 16

5. Заключение стр. 19

6. Литература стр. 21

















Введение

Звук – это раздражитель, имеющий физическую природу, который человек ощущает слухом. В частности, жестко закрепленная натянутая струна при её возмущении совершает гармонические затухающие колебания. Струна, толкая воздух, смещает его частицы из исходных положений. Таким образом, от частицы к частице окружающий струну воздух приводится в колебательное состояние, другими словами, происходят звуковые колебания и мы можем их слышать.

Человек всегда жил в мире звуков и шума. Звуком называют механические колебания внешней среды в диапазоне частот от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Колебания большей частоты называют ультразвуком, меньшей - инфразвуком. Шум - громкие звуки, слившиеся в нестройное звучание. 

Для всех живых организмов, в том числе и человека, звук является одним из воздействий окружающей среды. В природе громкие звуки редки, шум относительно слаб и непродолжителен. Сочетание звуковых раздражителей дает время животным и человеку, необходимое для оценки их характера и формирования ответной реакции. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение. 

Тихий шелест листвы, журчание ручья, птичьи голоса, легкий плеск воды и шум прибоя всегда приятны человеку. Они успокаивают его, снимают стрессы. Но естественные звучания голосов природы становятся все более редкими, исчезают совсем или заглушаются промышленными транспортными и другими шумами. Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Как показали исследования, шум оказывает повреждающее воздействие не только на орган слуха, но и на другие органы и системы человека. Воздействие шумового фактора вызывает, прежде всего, функциональные расстройства центральной нервной системы, и, даже повреждения нервных структур. Подобное воздействие шума установлено и на другие системы: сердечно-сосудистую, органы дыхания, пищеварения, иммунную, кроветворения. Эти данные позволили сформулировать понятие о шумовой болезни, как самостоятельной форме профессиональной патологии.

 Влиянием музыки на состояние здоровья человека люди интересовались с древних времен. Тогда же выявили и самый действенный с точки зрения лечебного эффекта компонент музыки (он же и самый старый) - ритм.
Серьезные исследования о влиянии музыки на здоровье человека начали проводиться в ХХ веке после Второй мировой войны. Музыкальная терапия выделилась в самостоятельное направление в 1950 г., когда в США были созданы Национальная ассоциация музыкальной терапии, затем Американская ассоциация музыкальной терапии (в 1974 г.). 1 января 1998 г. они объединились в одну организацию - Американскую ассоциацию музыкальной терапии.
Сегодня музыкальная терапия используется для уменьшения боли, страха, напряжения, повышения тонуса организма, лечения депрессии, для медицинской реабилитации и для сопровождения физических занятий.

Целью данной работы является исследование с помощью современных компьютерных технологий звуковых колебаний струн гитары и речи человека.

Общие сведения о звуке

Возможность теоретического изучения колебаний (в том числе звуковых) с точки зрения механики появилась с открытием законов Ньютона (1687) и разработкой анализа бесконечно малых, интегрального и дифференциального исчислений. Однако, экспериментальные исследования велись до этого момента Галилеем, Мерсенном, Декартом, Гюйгенсом и др. В 1625 году Мерсенном была обнаружена зависимость между частотой ν, натяжением T, площадью поперечного сечения A и длиной l струны, выражающаяся в пропорциональности

hello_html_m4d9ce229.gif

Закон Мерсена был выведен из математических соображений Тейлором почти через столетие, в 1713 году. В его работе исследуется отклонение струны от начального положения, выраженное в виде функции y = y(x).

Тейлор полагал, что в любой фиксированный момент времени струна должна иметь форму синусоиды y = asin(kπx/l) (что на самом деле оказывается простейшей формой колеблющейся струны), амплитуда которой зависит от времени, и что при любом начальном условии струна стремится перейти в такое «основное» состояние (что, как оказалось, не соответствует действительности). Этот подход, иногда называемый «методом стоячих волн», был продолжен Д. Бернулли, однако получил строгое обоснование лишь в работах Фурье.

Догадка Бернулли заключалась в том, что произвольное колебание может быть представлено как «наложение» или сумма нескольких чистых колебаний, что соответствовало наблюдением за струной: издаваемый ею звук состоит из основного тона и множества обертонов. Бернулли нашёл решение уравнения колебания в виде суммы тригонометрического ряда и утверждал, исходя из физических соображений, что произвольная функция может быть выражена таким рядом.

Общеизвестно, что обычный человек способен воспринимать органами слуха изменение звукового давления при частотах от нескольких герц до примерно 20 кГц. Объективно, т.е. вне зависимости от нашего сознания, звук обладает своеобразными характеристиками. Наряду с этим, мы субъективно оцениваем звук, т.е. воспринимаем его ощущение и при этом характеризуем его такими понятиями, как высота, громкость и тембр. Мы еще называем эти характеристики физическими свойствами звука.

Высота звука

Итак, высота звука является субъективной мерой оценки его восприятия. Объективно же раздражение слуха происходит по частотному диапазону, т.е. по частоте звукового колебания. Почему же все мы характеризуя звук говорим не о его частоте, а о высоте? Если быть точнее, то о высоте тона.

Слух человека остается сложной и не до конца изученной системой. Однако общеизвестно то, что мы воспринимаем звук и затем он анализируется в головном мозге. Степень точности, с которой человек воспринимает высоту звука, зависит только от тренированности и музыкальности, которая напрямую связана с характером анализа звуковых раздражений в головном мозге. Другими словами, слух (в смысле музыкальный) - это приобретенное умение человека.

Тон - сложный сигнал определенной высоты с дискретным спектром. Чтобы более подробно уяснить, что это такое рассмотрим один простой пример. Если звук представить функцией от времени, то он будет иметь приблизительно такой характер.

Подпись: Звуковое давление

В простейшем случае тон это колебание, которое описывается законом синуса. Такой тон, в свою очередь, называется чистым тоном. Сложный музыкальный звук представляет собой результат наложения множества чистых тонов, имеющих разнообразные частоты и амплитуды из которых складывается его спектр. На слух же воспринимается частота основного тона, которую мы связываем с высотой.

Оказывается, не все комбинации звуков приятны для слушателя. Так называемая благозвучность достигается, если частоты колебаний звуков находятся в простых отношениях (2:1, 3:2, 4:3 и т.д.). В акустике оперируют такой единицей интервала как октава. Она представляет собой интервал, при котором расстояние между двумя соседними звуками воспринимается как точное соответствие. В тоже время октава отражает взаимосвязь субъективных и объективных характеристик звука, и является интервалом высоты, которому соответствует изменение частоты в два раза (отношение частот равно f 1 / f 2 = 2).

Как же на практике воспроизводят различные по высоте звуки? Одним из простейших путей является изменение длины натянутой с определенным усилием струны. Если обратиться к физике процесса, то колебание струны можно представить в виде суммы ее собственных колебаний. Частоты этих колебаний находятся в зависимости от таких физических величин как: длина струны l , ее диаметр d , натяжение P и плотность материала, из которого она изготовлена. Поставив струны на гитару и закрепив их между двумя неподвижными опорами (порожком и струнодержателем) натянем. Рассматривая отдельную струну, получим простейшую колебательную систему.

Для такой системы частота колебания основного тона звука будет равна:

hello_html_31bcd0b7.gif




Руководствуясь данной зависимостью можно сделать следующие выводы:

•  если длина струны уменьшается, то частота повышается. Другими словами самую высокую ноту на гитаре можно извлечь, прижимая первую струну на последнем ладу, а самую низкую, ударив открытую последнюю (самую толстую басовую струну).

•  массивные струны колеблются более медленно, так как частота колебаний обратно пропорциональна корню квадратному из плотности струны.

•  струны гитары имеют различную толщину. Толщина первой струны составляет порядка десятых долей миллиметра, а последняя басовая может достигать толщины нескольких миллиметров. При этом существует множество различных калибров струн.

•  нагрузка на каждую струну различная. Так если опущенная струна при ее возмущении не звучит вовсе то, по мере того как мы увеличиваем ее натяжение, высота звука становится больше. Следовательно, изменяется и частота колебаний. Фактически частота изменяется пропорционально корню квадратному от натяжения струны.

Таким образом, на высоту звука влияют множество характеристик. Для извлечения различных звуков удобнее всего варьировать значениями натяжения и длины, что и используется в струнных инструментах. Однако от материала, линейных размеров зависит, например окраска, удобство игры и много других характеристик, изменение которых является «грубым» регулированием высоты звука.

Тембр звука

Тембр звука отображает сложность его звучания, окраску, другими словами его качество. Наряду с этим тембр не возможно описать количественно. Его, как правило, характеризуют абстрактными терминами. Например, мягкий, сочный, яркий, певучий, плотный и т.п. Тембр звука зависит от спектра звука, т.е. от его составляющих.

Выше уже говорилось о чистом тоне и музыкальном звуке. Общеизвестно, что сложный музыкальный звук подобно практически любой функции можно разложить в тригонометрический ряд.

http://www.masters.donntu.edu.ua/2007/fgtu/beelyk/ind/image003.gif

Таким образом, можно получить большое количество синусоид (чистых тонов) с различными амплитудами, частотами и начальными фазами из которых состоит музыкальный звук. Если теперь сравнивать чистый тон с музыкальным звуком, то видно, что последний состоит из множества музыкальных звуков, которые присутствуют в нем наряду с основным тоном. Эти звуки, как правило, имеют меньшие амплитуды и большие частоты, чем основной тон. Такие звуки получили названия обертонов или призвуков (Obertone – нем, верхний тон). В случае если частоты обертонов кратны основному тону, то их называют гармоническими обертонами или просто гармониками. Можно сказать, что тембр – это окраска звука, которая придается ему обертонами.

Громкость

Несмотря на все свои недостатки человек во многом совершеннее даже самых точных приборов. В частности, это относится и к его слуху. Барабанная перепонка способна воспринимать перепады давления в миллиарды раз меньше 1 Па. Между тем, сильный звук может привести к болевым ощущениям. Это не удивительно, так как разница между едва слышимым звуком и предельно сильным составляет несколько триллионов раз. Т.е. полная тишина и шум трудносоизмеримы между собой. Диаграмму громкости строят следующим путем. За условный нулевой уровень принимают звук такой силы, который не слышит человек. Определяя, во сколько раз энергия (кинетическая энергия движения частиц воздуха) звука больше величины, принятой за нулевой уровень. Находя десятичный логарифм из этого отношения, получим меру громкости – бел.

Громкость зависит не только от уровня звукового давления, но и от длительности воздействия и частоты звука. Т.е. при одних и тех же частотах звук может отличаться по громкости. Следует отметить так же, что у всех источников звука, в том числе и музыкальных, тембр звука изменяется в зависимости от уровня громкости.


Особенности звука гитары

Гита́раструнный музыкальный инструмент, один из самых распространенных в мире. Применяется в качестве аккомпанирующего инструмента во многих музыкальных стилях, а так же как сольный классический инструмент. Является основным инструментом в таких стилях музыки как блюз, кантри, фламенко, рок-музыка и многих формах популярной музыки. Изобретенная в XX веке электрическая гитара оказала сильное воздействие на массовую культуру. Самые ранние сохранившиеся свидетельства о струнных инструментах с резонирующим корпусом и шейкой, предках современной гитары, относятся к III тысячелетию до н. э. Изображения киннора (шумеро-вавилонский струнный инструмент, упоминается в библейских сказаниях) найдены на глиняных барельефах при археологических раскопках в Месопотамии. В древнем Египте и Индии также были известны похожие инструменты: набла, нефер, цитра в Египте, вина и ситар в Индии. В древней Греции и Риме был популярен инструмент кифара.

Предшественники гитары имели продолговатый округлый пустотелый резонирующий корпус и длинную шейку с натянутыми на ней струнами. Корпус изготавливался цельным — из высушенной тыквы, панциря черепахи, либо выдолбленный из цельного куска дерева. В III-IV веках н. э. в Китае появляются инструменты юань и юкин, у которых деревянный корпус собирался из верхней и нижней деки и соединяющей их обечайки. В Европе это вызвало появление латинской и мавританской гитар около VI века. Позже, в XVXVI веках появился инструмент виуэла, также оказавший влияние на формирование конструкции современной гитары.

Электрогитара

В XX веке в связи с появлением технологии электрического усиления и обработки звука появился новый тип гитары — электрическая гитара. В 1936 году Жоржем Бошамом и Адольфом Рикенбекером, основателями компании «Рикенбекер», запатентована первая электрогитара, с магнитными звукоснимателями и металлическим корпусом (т.н. «сковородка»). В начале 1950-х американские инженер и предприниматель Лео Фендер и инженер и музыкант Лес Пол независимо друг от друга изобретают электрическую гитару со сплошным деревянным корпусом, конструкция которой сохранилась без изменений до настоящего времени. Наиболее влиятельным исполнителем на электрогитаре считается (по версии журнала Роллинг Стоун) живший в середине XX века американский гитарист Джими Хендрикс.

Устройство гитары

Гитара представляет собой корпус с длинной плоской шейкой, называемой «гриф». Лицевая, рабочая сторона грифа — плоская либо слегка выпуклая. Вдоль нее натянуты струны, закрепленные одним концом на корпусе, другим на окончании грифа, которое называется «голова» или «головка» грифа.

На корпусе струны крепятся неподвижно посредством подставки, на головке грифа с помощью колкового механизма, позволяющего регулировать натяжение струн.

Струна лежит на двух порожках, нижнем и верхнем, расстояние между ними, определяющее длину рабочей части струны, является мензурой гитары.

Верхний порожек находится в верхней части грифа, около головки. Нижний устанавливается на подставке на корпусе гитары. В качестве нижнего порожка могут использоваться т. н. «седла» — простые механизмы, позволяющие регулировать длину каждой струны.

Лады

Источником звука в гитаре являются колебания натянутых струн. Высота извлекаемого звука определяется силой натяжения струны, длиной колеблющейся части и толщиной самой струны. Зависимость здесь такая — чем тоньше струна, чем короче и чем сильнее натянута — тем выше она звучит.

Основной способ управления высотой звука при игре на гитаре — это изменение длины колеблющейся части струны. Гитарист прижимает струну к грифу, вызывая сокращение рабочей части струны и повышение издаваемого струной тона (рабочей частью струны в данном случае будет являться часть струны от нижнего порожка до пальца гитариста). Сокращение длины струны вдвое вызывает повышение тона на октаву.

В современной западной музыке используется равномерно темперированный звукоряд. Для облегчения игры в таком звукоряде в гитаре используются т. н. «лады». Лад — это отрезок грифа с длиной, вызывающей повышение звука струны на один полутон. На границе ладов в грифе укрепляются металлические ладовые порожки. При наличии ладовых порожков изменение длины струны и, соответственно, высоты звука, становится возможным только дискретным образом.

Струны

В современных гитарах используются металлические либо нейлоновые струны. Струны обозначаются номерами в порядке увеличения толщины струны (и понижения тона), самая тонкая струна имеет номер 1.

В гитаре используется комплект струн — набор струн разной толщины, подобраных таким образом, чтобы при одном натяжении каждая струна давала звук определённой высоты. Струны устанавливаются на гитару в порядке толщины — толстые струны, дающие более низкий звук — сверху, тонкие — снизу. Для гитаристов - левшей порядок струн меняется на обратный.

Соответствие номера струны и музыкальной ноты, издаваемой этой струной, называется «строй гитары» (настройка гитары). Существует множество вариантов строев, подходящих для разных типов гитар, разных жанров музыки и разных техник исполнения. Наболее известным и распространенным является так называемый «стандартный строй» (стандартная настройка), подходящий для 6-струнной гитары. В этом строе струны настраиваются следующим образом:


* 1-я струна — нота «
ми» первой октавы (e1)
* 2-я струна — нота «
си» малой октавы (h)
* 3-я струна — нота «
соль» малой октавы (g)
* 4-я струна — нота «
ре» малой октавы (d)
* 5-я струна — нота «
ля» большой октавы (A)
* 6-я струна — нота «
ми» большой октавы (E).


Для практического изучения колебаний струн была использована электрогитара, компьютер и осциллографическая приставка с программным обеспечением.

PICT1128PICT0602


Первая серия опытов была посвящена изучению колебаний 6-ой струны электрогитары. Осциллографическая приставка и программное обеспечение позволяют получать осциллограммы, спектрограммы и сохранять их в формате BMP.


6стр1


Хорошо видно, что колебания являются:

  • периодическими;

  • затухающими;

  • негармоническими.

По мере развития колебательного процесса, вероятно, из-за несохранения плоскости колебаний, форма колебаний меняется. Меняется и амплитуда из-за затухания.


6стр2


Данные осциллограммы соответствуют колебаниям 6-ой струны при их возбуждении посредине струны (на 12-ом ладу). Спектральный анализ, проведённый с помощью приставки-осциллографа, позволяет судить о наличии и амплитуде гармоник и определять с достаточной степенью точности их частоту и амплитуду.

6стр6


Чётко выделяются три гармоники с кратными частотами 90 Гц, 180 Гц и 270 Гц, причём первая имеет наибольшую амплитуду. Иначе выглядит спектр колебаний струны при её возбуждениях на 3, 5, 7, 9 ладу и возле нижнего порожка. Спектрограммы представлены ниже.

6стр7




6стр8


6стр9



6стр10




6стр11


Проведённый ряд экспериментов доказывает, что звучание струн зависит от места возбуждения колебаний.

Значительно более сложными для анализа являются многоголосные звуки - звуки нескольких струн. Рассмотрим в качестве примера многоголосный звук - гитарный аккорд «ре».

ре

После внимательного рассмотрения, видно что, это звук периодический, он может быть разложен на гармонические составляющие, но спектр будет весьма сложным.

ре1


Объяснить наличие той или иной гармоники достаточно сложно из-за сильного влияния резонансных эффектов: резонируют струны и даже отдельные части струн, резонирует корпус гитары. Однако, в этом, казалось бы, хаосе частот, человек слышит гармонию звука.

Резонансные явления в природе и технике далеко не редкость, их используют и с ними борются. Общепризнано, что резонатор музыкального инструмента – его важнейшая часть. Но есть и примеры нежелательного резонанса и связанных с ним повышенных вибраций. Вот как описывают своё путешествие на пароходе «Нормандия» И.Ильф и Е.Петров: «Все задрожало на корме, где мы помещались. Дрожали палубы, стены, иллюминаторы, шезлонги, стаканы над умывальником, сам умывальник. Вибрация парохода была столь сильной, что начали издавать звуки даже такие предметы, от которых никак этого нельзя было ожидать. Впервые в жизни мы слышали, как звучит полотенце, мыло, ковер на полу, бумага на столе, занавески, воротничок, брошенный на кровать. Звучало и гремело все, что находилось в каюте. Достаточно было пассажиру на секунду задуматься и ослабить мускулы лица, как у него начинали стучать зубы. Всю ночь казалось, что кто-то ломится в двери, стучит в окна, тяжко хохочет. Мы насчитали сотню различных звуков, которые издавала наша каюта.

«Нормандия» делала свой десятый рейс между Европой и Америкой. После одиннадцатого рейса она пойдет в док, ее корму разберут, и конструктивные недостатки, вызывающие вибрацию, будут устранены».

Музыкальный строй.

Музыканты знают, что есть комбинации нот, которые вместе звучат приятно, воспринимаются как один звук. Это как раз и есть те три (обычно) ноты, четные гармоники которых не мешают друг другу, не проходят слишком близко друг от друга, чтобы не вызывать неудовлетворенность слушателя, в то же время другие гармоники дополняют друг друга приятным для слуха образом, создавая эффект единичного, стройного тембра. При этом воспринимается только базовый тон аккорда - так называемая тоника, нота, по которой построен аккорд, остальные ноты, так или иначе, включаются в гармоническое дополнение к ней.

Строй музыкальных инструментов имеет свою сложную историю. Музыкальным строем называется соотношение высот звуков музыкальной системы. В свою очередь музыкальная система представляет собой ряд звуков, находящихся между собой в определенных высотных взаимоотношениях. Современный музыкальный строй разработан органистом Андреасом Веркмейстером. Веркмейстер разбил октаву на двенадцать абсолютно равных полутонов. Такой звукоряд был назван темперированным. Слово темперация (от лат. temperatio — правильное соотношение, соразмерность) в музыке означает выравнивание интервальных отношений между ступенями звуковысотной системы. Сущность темперации состоит в небольших изменениях величины интервалов по сравнению с их акустически точной величиной.

Особенности речевых звуков

Звуки речи, как и всякие другие звуки, являются результатом воздействия колебательных движений воздушной среды на слуховой аппарат человека. При образовании звуков речи в качестве источников звука выступают определенные участки речевого тракта при их работе во время речи. Диапазон речевых частот, т. е. тех колебаний, которые могут быть обнаружены при анализе акустических свойств звуков речи, — от 50 до 10 000 Гц, что составляет лишь часть диапазона звуков, слышимых человеческим ухом

Колебания голосовых связок представляют собой сложные колебательные процессы, где самой низкой частотой и самой большой интенсивностью характеризуется основной тон или основная частота, а интенсивность гармоник тем меньше, чем выше их частота.

Роль артикуляционного аппарата в образовании акустических характеристик звуков

Речевой аппарат человека является системой, приспособленной к порождению акустических колебаний для образования звуковых последовательностей. Условно можно говорить о том, что некоторые участки речевого тракта обеспечивают возникновение источников звука, а другие — резонансную систему.

Существует три вида источников звука при речеобразовании: голосовой и два шумовых — турбулентный и импульсный. Голосовой источник возникает при колебании голосовых связок, и его работа обеспечивается как дыхательной системой, так и гортанью. Звук, возникающий в результате колебания голосовых связок, содержит основную частоту и гармоники. Голосовым источником образуются все гласные, сонанты и звонкие шумные согласные.

Турбулентный источник шума возникает при сужении в каком-либо месте речевого тракта при прохождении по нему воздушной струи. В результате этого сужения воздух, проходящий по относительно широкому проходу, в месте сужения создает вихревые потоки, соприкосновение которых с краями сужения речевого тракта создает специфический шум. С турбулентным источником шума образуются все шумные щелевые согласные.

Импульсный источник шума возникает при резком раскрытии смычки произносительных органов. Во время смычки в полости рта создается избыточное воздушное давление, поскольку воздушная струя не находит выхода из речевого тракта. При раскрытии смычки происходит выравнивание давления за местом смычки и атмосферного — и в результате возникает короткий и резкий щелчок — импульсный шум, характеризующий образование взрывных согласных.

Акустические свойства звуков речи обеспечиваются участием одного, двух (или даже трех) источников: при производстве гласных источник голосовой, при глухих шумных щелевых — турбулентный, глухих взрывных — импульсный; звонкие щелевые образуются при участии двух источников — голосового и турбулентного, звонкие взрывные — голосового и импульсного.

Источник звука вызывает колебательные движения воздуха в резонаторах — в надгортанных полостях. Ротовая, носовая полости глотки образуют целую систему резонаторов, собственные частотные характеристики которых могут очень существенно изменяться в зависимости от положения губ, языка, мягкого неба, т. е. в зависимости от того, какой звук артикулируется. Те усиления в спектре звука, которые зависят от конфигурации речевого тракта, называют формантами звука, поскольку именно они и формируют акустический образ произносимого звука. Число формант, которое необходимо учитывать при характеристике каждого звука, разными учеными определяется по-разному. Наиболее распространенной является точка зрения, в соответствии с которой достаточно четырех формант, при этом первая и вторая форманты имеют большее значение, чем третья и четвертая. Количество формант, существенных для акустических характеристик звука, сопоставимо с количеством резонансных полостей речевого тракта, однако было бы неверно думать, что каждая форманта связана с определенным резонатором.

Способы получения спектров

Акустический анализ звука предполагает, что мы получаем представление о том, какие именно частоты характерны для этого звука и какова их интенсивность по отношению друг к другу. Трудности изучения акустических характеристик речи были долгие годы связаны с тем, что для такого анализа акустические колебания обладают слишком малыми энергиями, так что, зафиксировать их и проанализировать без предварительного значительного усиления было практически невозможно. Первые акустические описания звуков речи сделаны на основе слухового анализа их — ясно, что для этого необходим очень тонкий слух и что точные измерения при этом все равно невозможны.

Ситуация существенно изменилась, когда были созданы приборы, позволяющие преобразовывать акустические колебания в какие-то другие — электрические, магнитные, оптические — и затем усиливать их.

Получить спектр какого-либо звука — это значит измерить совокупность значений амплитуд всех частотных составляющих. Для получения спектров еще сравнительно недавно использовались специальные приборы — анализаторы спектров.

Звуки речи на осциллограмме и спектрограмме

С акустической точки зрения гласные представляют собой периодические колебания, вызванные действием голосовых связок и осложненные резонансными частотами речевого тракта. На осциллограмме гласные отображаются как последовательность более или менее одинаковых по рисунку участков, каждый из которых соответствует одному периоду основного тона. По общему виду осциллографической кривой можно судить об акустических особенностях гласных. Ниже приведены полученные в ходе выполнения работы осциллограммы и спектрограммы гласных звуков «а» и «и»,

аа1

ии1

а также согласных звуков «с» и «х».

сс1

хх1

Отличие между гласными и согласными звуками очевидно: гласные звуки – периодические колебания с небольшим числом гармоник, согласные звуки - это шум, в спектре которого огромное число гармоник.


Заключение

Музыкальные звуки можно возбуждать и изменять разными способами, в связи с чем музыкальные инструменты отличаются разнообразием форм. Инструменты большей частью создавались и совершенствовались самими музыкантами и искусными мастерами, не прибегавшими к научной теории. Поэтому акустическая наука не может объяснить, например, почему гитара имеет такую форму. Однако вполне возможно описать свойства звука гитары, исходя из общих принципов игры на ней и ее конструкции.

Под частотным диапазоном инструмента обычно понимают диапазон частот его основных тонов. Человеческий голос перекрывает примерно две октавы, а музыкальный инструмент – не менее трех (большой орган – десять). В большинстве случаев обертоны простираются до самой границы диапазона слышимого звука.

У музыкальных инструментов имеются три основные части: колеблющийся элемент, механизм для его возбуждения и вспомогательный резонатор (рупор или дека) для акустической связи между колеблющимся элементом и окружающим воздухом.

Музыкальный звук периодичен во времени, а периодические звуки состоят из ряда гармоник. Поскольку собственные частоты колебаний струн и воздушных столбов фиксированной длины гармонически связаны между собой, во многих инструментах основными колеблющимися элементами служат струны и воздушные столбы. За небольшим исключением (флейта – одно из них) на инструментах нельзя взять одночастотного звука. При возбуждении основного вибратора возникает звук, содержащий обертоны. У некоторых вибраторов резонансные частоты не являются гармоническими составляющими. Инструменты такого рода (например, барабаны и тарелки) используются в оркестровой музыке для особой выразительности и подчеркивания ритма, но не для мелодического развития.

Сама по себе колеблющаяся струна – плохой излучатель звука, а поэтому у струнного инструмента должен быть дополнительный резонатор для возбуждения звука заметной интенсивности. Это может быть замкнутый объем воздуха, дека или комбинация того и другого. Характер звучания инструмента определяется также способом возбуждения струн.

hello_html_m179a4678.gifРанее мы видели, что основная частота колебаний закрепленной струны длины L дается выражением:




где Т – сила натяжения струны, а ρ масса единицы длины струны. Следовательно, мы можем изменять частоту тремя способами: изменяя длину, натяжение или массу. Во многих инструментах используется небольшое число струн одинаковой длины, основные частоты которых определяются надлежащим выбором натяжения и массы. Прочие частоты получаются путем укорачивания длины струны пальцами.

Возбуждение струнного инструмента может осуществляться щипком (например, на арфе или банджо), ударом (на фортепиано), либо при помощи смычка (в случае музыкальных инструментов семейства скрипок). Было показано, что число гармоник и их амплитуда зависят от способа возбуждения струны.

В результате проведённых с помощью современных компьютерных технологий исследований было подтверждено, что колебания гитарных струн не могут быть точно описаны простейшими гармоническими функциями. Они представляют собой значительно более сложный периодический процесс, который может быть подвергнут гармоническому анализу.

Анализируя осциллограммы и спектрограммы звуков речи человека, было подтверждено наглядно, что гласные звуки – периодические колебания, представимые в виде гармонического ряда, а согласные – шум.


Литература

Бондарко Л. В. Осциллографический анализ речи. Л., 1965.

Высоцкий И. Р., Компьютер в образовании, //Информатика и образование,2000,№ 1,с. 86

Гимадеев Р. Р., Методика применения компьютера на уроках физики. // Студенческая наука — в действии. 1998,№ 2

Деркач М. Ф., Гумецкий Р. Я. и др. Динамические спектры речевых сигналов. Львов, 1983.

Кавтрев А. Ф., Опыт использования компьютерных моделей на уроках физики в школе. «Дипломат», Сб. РГПУ им. А. И. Герцена «Физика в школе и вузе», Санкт-Петербург, Образование, 1998, с. 102—105.

Кавтрев А. Ф., Компьютерные модели в школьном курсе физики. Журнал «Компьютерные инструменты в образовании», № 2, Санкт-Петербург, Информатизация образования, 1998, с. 41—47.

Львовский М. Б., Львовская Г. Ф. Преподавание физики с использованием компьютера. // Информатика и образование —  М.1999, № 5.

Музыченко Е., Программные анализаторы спектра : Радиохобби №6,1998, стр.32. Радиохобби №1, 1999, стр. 38 .

Музыченко Е., Программные генераторы звуковых сигналов : Радиохобби №5, 1998, стр. 32.

Сапожков М. А., Михайлов В. Г. Вокодерная связь. М., 1983.

Сапожков М. А., Речевой сигнал в кибернетике и связи. М., 1963.

Сапожков М. А., Электроакустика. М., 1978.

Фланаган Дж. Анализ, синтез и восприятие речи. М., 1968.

Шоломий К. М., Психология и компьютер, //Информатика и образование,1999, № 6,с. 91


Реферат. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
  • Физика
Описание:

Для всех живых организмов, в том числе и человека, звук является одним из воздействий окружающей среды. В природе громкие звуки редки, шум относительно слаб и непродолжителен. Сочетание звуковых раздражителей дает время животным и человеку, необходимое для оценки их характера и формирования ответной реакции. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение.

Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Как показали исследования, шум оказывает повреждающее воздействие не только на орган слуха, но и на другие органы и системы человека. Воздействие шумового фактора вызывает, прежде всего, функциональные расстройства центральной нервной системы, и, даже повреждения нервных структур. Подобное воздействие шума установлено и на другие системы: сердечно-сосудистую, органы дыхания, пищеварения, иммунную, кроветворения. Эти данные позволили сформулировать понятие о шумовой болезни, как самостоятельной форме профессиональной патологии.

Автор Горев Алексей Викторович
Дата добавления 07.01.2015
Раздел Физика
Подраздел
Просмотров 1098
Номер материала 42114
Скачать свидетельство о публикации

Оставьте свой комментарий:

Введите символы, которые изображены на картинке:

Получить новый код
* Обязательные для заполнения.


Комментарии:

↓ Показать еще коментарии ↓




Похожие материалы