A hang magasságáról és egyéb tulajdonságairól alkotott érzékelésünket az akusztikus hullám jellemzői határozzák meg. Ezek ugyanazok a jellemzők, amelyek minden mechanikai hullámban rejlenek, nevezetesen a rezgések periódusa, frekvenciája, amplitúdója. A szubjektív hangérzet nem függ a hullám hosszától és sebességétől. A cikkben a hang fizikáját elemezzük. Hangmagasság és hangszín – hogyan határozzák meg? Miért érzékelünk egyes hangokat hangosnak, másokat pedig halknak? Ezekre és más kérdésekre a válaszokat a cikk tartalmazza.
Pitch
Mi határozza meg a magasságot? Ennek megértéséhez végezzünk egy egyszerű kísérletet. Vegyünk egy rugalmas hosszú vonalzót, lehetőleg alumíniumot.
Nyomjuk az asztalhoz, erősen nyomjuk a szélét. Üssük meg ujjunkkal a vonalzó szabad szélét – remegni fog, de a mozgása néma lesz. Most tegyük közelebb magunkhoz a vonalzót, hogy a kisebbik része túlnyúljon a pult szélén. Üssük újravonalzó. Éle sokkal gyorsabban és kisebb amplitúdóval fog rezegni, és jellegzetes hangot fogunk hallani. Arra a következtetésre jutunk, hogy a hang létrejöttéhez az oszcillációs frekvenciának legalább egy bizonyos értéknek kell lennie. A hangfrekvencia-tartomány alsó határa 20 Hz, a felső határa 20 000 Hz.
Folytassuk a kísérletet. A vonalzó szabad élét még jobban lerövidítjük, majd ismét mozgásba hozzuk. Észrevehető, hogy a hang megváltozott, magasabb lett. Mit mutat a kísérlet? Bebizonyítja, hogy a hang magassága függ a forrás rezgésének frekvenciájától és amplitúdójától.
Hangerő
A hangerő tanulmányozásához hangvillát használunk – egy speciális eszközt a hang tulajdonságainak tanulmányozására. Léteznek különböző lábhosszúságú hangvillák. Rezegnek, ha kalapáccsal ütik. A nagy hangvillák lassabban rezegnek és halk hangot adnak ki. A kicsik gyakran rezegnek, és hangmagasságuk különbözik.
Nyomjuk meg a hangvillát és hallgassunk. A hang idővel gyengül. Miért történik ez? A hang hangereje a készülék lábai lengési amplitúdójának csökkenése miatt csillapodik. Nem rezegnek olyan erősen, ami azt jelenti, hogy a levegőmolekulák rezgésének amplitúdója is csökken. Minél alacsonyabb, annál halkabb lesz a hang. Ez az állítás az azonos frekvenciájú hangokra igaz. Kiderült, hogy a hang magassága és hangereje is függ a hullám amplitúdójától.
Különböző hangerősségű hangok érzékelése
A fentiekből úgy tűnik, hogy minél hangosabb a hang, annál tisztábbak vagyunkhalljuk, annál finomabb változásokat tudunk észlelni. Ez nem igaz. Ha a testet nagyon nagy amplitúdóval, de alacsony frekvenciával oszcillálják, akkor egy ilyen hang rosszul lesz megkülönböztethető. Az tény, hogy a teljes hallhatósági tartományban (20-20 ezer Hz) a fülünk az 1 kHz körüli hangokat különbözteti meg a legjobban. Az emberi hallás a legérzékenyebb ezekre a frekvenciákra. Az ilyen hangok tűnnek számunkra a leghangosabbnak. Figyelmeztető jelek, szirénák pontosan 1 kHz-re vannak hangolva.
Különböző hangok hangereje
A táblázat a gyakori hangokat és azok hangerejét mutatja decibelben.
| Zajtípus | Hangerőszint, dB |
| Nyugodt légzés | 0 |
| Suttogás, lombsuhogás | 10 |
| Óra ketyegése 1 m-re | 30 |
| Rendszeres beszélgetés | 45 |
| Zaj az üzletben, beszélgetés az irodában | 55 |
| Az utca hangja | 60 |
| Hangos beszéd | 65 |
| Nyomdazaj | 74 |
| Autó | 77 |
| Busz | 80 |
| Műszaki szerszámgép | 80 |
| Hangos sikoly | 85 |
| Motorkerékpár hangtompítóval | 85 |
| Eszterga | 90 |
| Kohászati üzem | 99 |
| Zenekar, metrókocsi | 100 |
| Kompresszorállomás | 100 |
| Láncfűrész | 105 |
| Helikopter | 110 |
| Thunder | 120 |
| Repülőgép | 120 |
| Acél szegecselés, vágás (ez a térfogat megegyezik a fájdalomküszöbértékkel) | 130 |
| Repülőgép induláskor | 130 |
| Rakétakilövés (shell sokkot okoz) | 145 |
| Közepes kaliberű vadászpuska hangja a csőtorkolat közelében (sérülést okoz) | 150 |
| Szuperszonikus repülőgép (ez a mennyiség sérülésekhez és fájdalomsokkokhoz vezet) | 160 |
Hangszín
A hang magasságát és hangerejét, mint megtudtuk, a hullám frekvenciája és amplitúdója határozza meg. A hangszín független ezektől a jellemzőktől. Vegyünk két azonos hangmagasságú hangforrást, hogy megértsük, miért más a hangszínük.
Az első hangszer egy hangvilla lesz, amely 440 Hz-es frekvencián szólal meg (ez az első oktáv hangja), a második egy fuvola, a harmadik egy gitár. Hangszerekkel ugyanazt a hangot reprodukáljuk, amelyen a hangvilla szól. Mindháromnak ugyanaz a hangmagassága, de mégis más a hangzása, hangszíne különbözik. Mi az ok? Minden a hanghullám rezgéseiről szól. Az összetett hangok akusztikus hulláma által keltett mozgást nem-harmonikus rezgésnek nevezzük. A hullám a különböző területeken eltérő erősséggel és frekvenciával rezeg. Ezeket a hangerőben és hangmagasságban eltérő további felhangokat felhangoknak nevezzük.
Ne keverje össze a hangmagasságot és a hangszínt. A hang fizikája olyan, hogy ha„keverjünk” további, magasabb hangokat a főhanghoz, így megkapjuk az úgynevezett hangszínt. A hangerő és a felhangok száma határozza meg. A felhangok frekvenciája a legalacsonyabb hang frekvenciájának többszöröse, azaz egész számmal nagyobb - 2, 3, 4 stb. A legalacsonyabb hangot főhangnak nevezzük, ez határozza meg a hangmagasságot., és a felhangok befolyásolják a hangszínt.
Vannak olyan hangok, amelyek egyáltalán nem tartalmaznak felhangokat, például a hangvilla. Ha grafikonon ábrázolja hanghullámának mozgását, akkor szinuszhullámot kap. Az ilyen rezgéseket harmonikusnak nevezzük. A hangvilla csak az alaphangot adja ki. Ezt a hangot gyakran unalmasnak, színtelennek nevezik.
Ha egy hangnak sok magas frekvenciájú felhangja van, akkor durvává válik. Az alacsony felhangok lágyságot, bársonyosságot adnak a hangzásnak. Minden hangszernek, hangnak megvan a maga felhangkészlete. Az alaphang és a felhangok kombinációja az, amely egyedi hangzást ad, bizonyos hangszínnel ruházza fel a hangzást.
