• Laboratorium fizyki CMF PŁ

• Dzień 08.01.07 r. godzina 10¹⁵ grupa

Wydział Elektrotechniki

semestr I rok akademicki 2007/08

ocena _____

Wstęp teoretyczny:

Fala akustyczna

Kiedy pobudzimy dowolny obiekt sprężysty do drgania zacznie on powodować okresowe drgania cząsteczek gazu, które go otaczają. Te cząsteczki z kolei pobudzą kolejne sąsiadujące itd. Takie okresowe „zagęszczenia” i „rozrzedzenia” gazu nazywać możemy falą akustyczną. Jej częstotliwość jest równa częstotliwości drgającego ciała.

Dźwięk

Ciało pobudzone do drgań najczęściej wykonuje jednocześnie drgania o różnych amplitudach, wytwarzając w ten sposób różne fale akustyczne. Nałożenie tych fal na siebie nazywamy dźwiękiem. Fala ta jest na ogół okresowa o przebiegu niesinusoidalnym.

Ton

Źródło wykonujące drgania harmoniczne jednej częstotliwości wytwarza dźwięk określany mianem tonu. Źródło wykonujące wiele drgań wydaje dźwięk złożony z wielu tonów. Składową o najniższej częstotliwości nazywamy tonem podstawowym lub pierwszą harmoniczną dźwięku, dalej druga trzecia itd.

Analiza harmoniczna dźwięku

Polega na ustaleniu, jakie są częstotliwości i amplitudy drgań harmonicznych składających się na dany dźwięk.

Cechy dźwięku

Wrażenie jakie wywołuje na nas dźwięk zależy od amplitud i częstotliwości fal składowych. Dźwięki można scharakteryzować poprzez podanie głośności, wysokości oraz barwy. Odczucia te zależą właśnie od amplitudy i częstotliwości ale SA one bardzo subiektywne, ponieważ ludzki zmysł słuchu jest bardzo złożony. Przybliżone zależności pomiędzy amplitudą, częstotliwości a barwą, głośnością i wysokością dźwięku.

Parametr fali akustycznej	Cecha dźwięku
Amplituda	Głośność
Częstotliwość	Wysokość
Amplitudy i częstotliwości fal składowych	Barwa

Głośność

Jest prawie zawsze proporcjonalna do amplitudy.

Wysokość

Dźwięki o małych częstotliwościach są zwyczajowo nazywane „niskimi” zaś te o wysokich „wysokimi”

Barwa

Barwa jest cechą odróżniającą od siebie dźwięki o takich samych amplitudach oraz częstotliwościach. Pozwala np. odróżnić dźwięk gitary od dźwięku trąbki. Barwa zależy od częstotliwości i amplitudy fal składających się na dany dźwięk.

Porównanie widma akustycznego:

Poniższe wykresy reprezentują widma akustyczne wypowiadanych samogłosek i spółgłosek.

Samogłoska „a”

Wykres A i B są widmami tej samej samogłoski wypowiadanej przez różnych ludzi. Maksima i minima są w podobnych miejscach, zatem widmo nie zależy od osoby je wypowiadającej.

Charakterystyczne maksima: Charakterystyczne minima:

Amplituda [Hz]	Głośność
200	-25
750	-26
1300	-21

Samogłoska „e”

Porównując wykres samogłosek, „e” oraz „a” możemy dojść do wniosku, że mają 2 maksima w zbliżonych miejscach, różnią się jedynie ostatnim maksimum. Samogłoski te są, zatem podobne w brzmieniu.

Amplituda [Hz]	Głośność
100	-20
600	-22
1550	-23

Amplituda [Hz]	Głośność
90	-58
550	-55
900	-55

Charakterystyczne maksima: Charakterystyczne minima:

Samogłoska „i”

Dla samogłoski „i” dość charakterystyczną cechą jest niewielki zakres częstotliwości zajmowanych przez nią, przez co można stwierdzić, ze jest to samogłoska o „wysokim” brzmieniu.

Amplituda [Hz]	Głośność
120	-24
250	-19

Charakterystyczne maksima:

Samogłoska „u”

Samogłoska „u” „rozciąga” swoje pasmo na cała częstotliwość, rozpoczyna się maksimum następnie maleje jednostajnie. Szerokie pasmo częstotliwości zajmowane przez nią wskazuje, że składową litery „u” SA fale akustyczne z przedziału 0-5000Hz

Amplituda [Hz]	Głośność
10	-15

Charakterystyczne maksimum:

Samogłoska „y”

Maksimum występuje zaraz na początku, po czym stale maleje. Samogłoska „y” nie zawiera się w całej skali częstotliwości.

Charakterystyczne maksima: Charakterystyczne minima:

Amplituda [Hz]	Głośność
250	-19
1600	-40
2400	-43

Amplituda [Hz]	Głośność
1200	-55
2000	-59

Spółgłoska „f”

Litera „f” ma charakter zbliżony do samogłoski „u” jednak w tym przypadku występuje wyraźne maksimum, które gwałtownie maleje. Szerokie pasmo częstotliwości zajmowane przez tę literę wskazuje, ze na jej dźwięk składają się fale akustyczne z zakresu 0-4800 Hz

Charakterystyczne maksima:

Amplituda [Hz]	Głośność
30	-14
100	-20

Spółgłoska „r”

Ta spółgłoska zajmuje również szeroki pas częstotliwości. To oznacza, że składa się na nią wiele fal akustycznych.

Amplituda [Hz]	Głośność
10	-24
320	-27
1000	-38

Charakterystyczne maksima: Charakterystyczne minima:

Metalowa rurka uderzona w połowie długości (rys. A) oraz na końcu długości (rys. B)

Jak widać wyraźnie obserwując charakterystykę widma akustycznego dźwięk rurki nie zależy od punktu w którym została przyłożona siła pobudzająca ją do wykonywania drgań.

Amplituda [Hz]	Głośność
65	-25
2400	-22
2600	-21

Charakterystyczne maksima Charakterystyczne minima

Amplituda [Hz]	Głośność
2450	-54

Jak wynika z obserwacji charakterystycznych częstotliwości „zajmowanych” przez dźwięk mamy do czynienia z dźwiękiem o wysokim tonie i składającym się z niewielu fal akustycznych.

Wnioski końcowe:

Obserwując charakterystykę wykresów samogłosek i spółgłosek można zauważyć, ze spółgłoski zajmują szersze pasmo częstotliwości. Ich wykresy nie są „pocięte” inaczej mówią nie wyglądają jak „szpilki” przypominają bardziej zęby piły do cięcia drewna. Poniższe wykresy, bardzo ładnie w sposób graficzny ilustrują pasma częstotliwości zajmowane przez poszczególne litery, im ciemniejszy kolor tym większa amplitudę mają fale akustyczne danej częstotliwości.

Widzimy, że samogłoski w niektórych fragmentach niczym się nie różnią. Litera „a” zajmuje najszersze pasmo częstotliwości, przez co jest najniższą z samogłosek, najwyższą zaś jest „i”. Spółgłoska „r” rozciąga się przez całe możliwe pasmo i jest w nim „jednolita” oprócz dwóch miejsc widocznych na czarno. Litera „f” natomiast swoim wykresem przypomina bardzo głośny szum.

Kod ćwiczenia	Tytuł ćwiczenia
M6	Badanie widma akustycznego naturalnych źródeł dźwięku

---