§ 37. Высота и тембр звука. Громкость звука

В предыдущих разделах уже отмечалось, что линейка, закреплённая в тисках, издаёт слышимые колебания лишь тогда, когда её свободный конец вибрирует с частотой не ниже шестнадцати герц. Если зажать инструмент глубже, уменьшив длину выступающей части, и отпустить её, мы заметим сразу два изменения. Короткий участок будет совершать колебания быстрее, а воспринимаемый нами тон заметно поднимется. Продолжая систематически укорачивать рабочую зону линейки, мы убедимся в прямой связи: чем стремительнее движется край инструмента, тем выше становится издаваемый им звук. Этот простой эксперимент наглядно демонстрирует, как геометрические параметры тела напрямую влияют на его акустические характеристики.

Подобный эффект легко проверить с помощью другого прибора. Возьмём зубчатый диск и запустим его вращение, после чего прижмём к краю тонкую картонку. Зубцы будут постоянно подталкивать пластину, заставляя её совершать вынужденные колебания, которые мы сразу услышим. Если усилить крутящий момент и ускорить вращение, картонка начнёт отклоняться чаще, а тон станет выше. Из таких наблюдений следует однозначный вывод: высота тона напрямую связана с частотой источника. Увеличение числа колебаний в секунду всегда приводит к подъёму звука. Важно отметить, что в данном случае частота вынужденных колебаний полностью синхронизирована с частотой ударов зубьев, что исключает влияние упругих свойств материала на основной параметр. Эта зависимость показана на рис. 1: у верхней синей волны колебания редкие — такой звук мы слышим как низкий, а у нижней красной за то же время их укладывается вдвое больше, и звук получается высоким.

Ветви обычного камертона совершают простейшие гармонические колебания, которые характеризуются строго одной частотой. Звук, издаваемый таким прибором, принято называть чистым тоном. Под чистым тоном понимают сигнал источника, колеблющегося по синусоидальному закону с фиксированной частотой.