Механикалық толқындарды оқыту әдістемесі

 

 

 

 

                                    2.3. Акустикалық резонанс

 

                                     

 

                       

 

 Қарапайым мысал қарастырайық. Меншікті тербеліс жиіліктері бірдей екі камертон алып, оларды бір-біріне жақынырақ қояйық та, олардың бірін тербелтейік (110-сурет). Сәл уақыттан кейін оның тербелісін қолымызбен басып тоқтатсақ, екінші камертонның дыбыс шығарып тұрғанын естиміз. Ал екінші камертонды ешкім тербеліске келтірмегендіктен, "оның тербелуіне бірінші камертоннан ауа арқылы берілген тербеліс ықпал етті" деген қорытындыға келеміз.

     Енді екінші камертонды меншікті тербеліс жиілігі бірінші камертондыкінен өзгеше камертонмен алмастырып, тәжірибені қайталайық. Бұл кезде екінші камертонның дыбыс шығармайтынын байқауға болады. Бірінші жағдайда камертондардың меншікті тербеліс жиіліктері сәйкес келгендіктен, резонанс құбылысы байқалды. Екінші жағдайда камертондардың меншікті тербеліс жиіліктері сәйкес келмегендіктен, резонанс туындаған жоқ. Бірінші жағдайда қарастырылған құбылыс акустикалық резонанс деп аталады.    

    Осы акустикалық резонанс құбылысын пайдаланып, тербелетін денеден шығатын дыбысты күшейтуге болады. Сондықтан камертондар арнайы жәшіктерге орнатылады. Жәшіктің меншікті тербеліс жиілігі камертонның шығаратын дыбыс жиілігіне үндестіріледі.

     Мұндай үндестік унисон, яғни бірдей жиілікпен тербелу деп, ал резонанс тудыра алатын жәшіктер резонаторлар деп аталады

     Адам өміріне дыбыс толқындарының, сондай-ақ, оларды зерттейтін ғылым – акустиканың атқаратын рөлі орасан зор. Дыбыстың барлық сипаттамаларын зерттеу ақпарат берудің (жеткізудің) жетілген жүйелерін жасауға, сигналдау жүйесін дамытуға, жетілдірілген музыкалық аспаптарды жасауға мүмкіндік береді. Дыбыс толқындары су асты байланысында, навигацияда, локацияда қолданылады. Төменгі жиілікті дыбыс жер қыртысын зерттеудің негізгі бір әдісі болып есептеледі. Ультрадыбыстың практикада қолданылуы қазіргі техниканың тұтас бір саласы – ультрадыбыс техникасының пайда болуына ықпал етті. Қазіргі кезде жоғары жиілікті дыбыс толқындары, әсіресе гипердыбыс, қатты дене физикасында зерттеулер жүргізудің аса маңызды құралы болып отыр.

Адам өміріне дыбыс толқындарының, сондай-ақ, оларды зерттейтін ғылым – акустиканың атқаратын рөлі орасан зор. Дыбыстың барлық сипаттамаларын зерттеу ақпарат берудің (жеткізудің) жетілген жүйелерін жасауға, сигналдау жүйесін дамытуға, жетілдірілген музыкалық аспаптарды жасауға мүмкіндік береді. Дыбыс толқындары су асты байланысында, навигацияда, локацияда қолданылады. Төменгі жиілікті дыбыс жер қыртысын зерттеудің негізгі бір әдісі болып есептеледі. Ультрадыбыстың практикада қолданылуы қазіргі техниканың тұтас бір саласы – ультрадыбыс техникасының пайда болуына ықпал етті. Қазіргі кезде жоғары жиілікті дыбыс толқындары, әсіресе гипердыбыс, қатты дене физикасында зерттеулер жүргізудің аса маңызды құралы болып отыр.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

                   2.4 Дыбыстың шағылуы, жаңғырық

          

 

  Дыбыс көзінен шыққан дыбыс толқындары барлық бағытта тарайтыны өздеріңе жақсы таныс. Ал осы дыбыс толқындары тарала отырып, өзінің жолында қандай да бір бөгетті кезіктірсе, онда олар шағылады. Дыбыс толқындарының таралуы материялық бөлшектердің қозғалысына ұқсас болғандықтан, оның шағылуы серпімді соққыдан (мысалы, қабырғаға соғылған доптың кері серпілуінен) онша ерекшеленбейді. Қарапайым бақылау дыбыстың шағылуы кезінде а түсу бұрышы оның в шағылу бұрышына тең болатынын көрсетеді.

  Жаңғырық

 

 

Тауда естілетін жаңғырық та дыбыстың бөгеттен шағылу нәтижесі болып табылады. 

       Жаңғырық — қандай да бір кедергіден шағылған және бастапқы таралған орнына қайта оралған дыбыс толқындары.

Дыбыс кедергілерден шағыла отырып, бақылаушыға сәл кідіріп жетеді. Шағылған дыбысты біз дыбыс көзі мен кедергі арасындағы қашықтықты дыбыс толқындары екі рет (дыбыс көзінен кедергіге жетуі және қайтып оралуы) жүріп өткен кезде естиміз. Шағылған дыбыстың барлығын біз жаңғырық ретінде қабылдай бермейді екенбіз. Адам құлағы алғашқы дыбыс пен шағылған дыбысты жеке-жеке қабылдаған кезде ғана жаңғырық пайда болады. Бұл екі дыбыстың қабылдану уақытының арасы 0 , 1 с-тан кем болмаған кезде ғана дыбыстар жеке-жеке қабылданады екен. Бұдан біз жаңғырықты дыбыс кезі мен бөгеттің арасы едәуір алыс болған кезде ғана ести алатынымыз байқалады.Егер ауада дыбыс жылдамдығы 340 м/с болса, онда дыбыс 0,1 с аралығында бөгетке дейін және одан қайтып оралғанша 2s-ке тең жол жүреді. Онда бұл қашықтық шамамен

s = vt/2 ; s = (340м/с * 0,1с) /2 = 17 м.

Дыбыс жақын аралықтағы кедергілерден шағылған кезде, ол алғашқы дыбыспен қосылады да, оны күшейтеді. Сондықтан үйдің ішіндегі дыбыс сырттағы дыбыстан қаттырақ болып естіледі.

     Тыңдаушылар аз жиналған кең залда баяндамашының сөзі жаңғырып, түсініксіз болады. Қабырғалардан, орындықтардан шағылған дыбыс тындаушыларға бір мезгілде жетпейді. Осының нәтижесінде, алғашқы дыбысқа қарағанда тыңдаушыларға естілетін дыбыс ұзағырақ болып естіледі.

   Дыбыстың әр түрлі кедергілерден шағылуы барысында естілу ұзақтығының артуы реверберация деп аталады.

    Жұмсақ жиһаздары бар, кілем төселген және адам көп жиналған бөлмелер дыбыс толқындарын жақсы жұтады, мұндай орындардың реверберациясы аз болады. Сонымен қатар реверберация уақытын өте азайтып жіберуге де болмайды. Өйткені ол кезде дыбыс тез өшеді, олардың жеткілікті дәрежедегі қаттылығы мен айқындығы болмайды. Әншілер мен музыканттар жұмсақ жиһаздарға толы шағын бөлмелерде өлең айтудың, аспапта ойнаудың қолайсыздығын жақсы біледі.

 

 

 

                                             2.5 Ультрадыбыс

    

 

         Тербеліс жиілігі 16 Гц-тен төмен дыбыс толқындары инфрадыбыстар, ал 20 000 Гц-тен жоғарысы ультрадыбыстар деп аталады. Бұл дыбыстарды адам құлағы қабылдамайды, бірақ олар белгілі бір дәрежеде адам организміне әсер етеді. Мысалы, 5 Гц-тен 9 Гц-ке дейінгі жиілік аралығында инфрадыбыстар бауырдың, асқазанның, көкбауырдың тербеліс амплитудаларын арттырады, көкірек қуысында ауыртпалық туғызады, ал 12—14 Гц жиіліктерде құлақта шуыл пайда болады. Инфрадыбыстардың адам организміне кері әсері болғандықтан, олар техникада кеңінен қолданыс таппаған. Алайда инфрадыбыстардың бірнеше жүздеген километрге таралу мүмкіндігі оның әскери мақсатта, балық аулау кәсібінде пайдаланылуына жол ашты. Теңізде туындайтын инфрадыбыстарды медуза, су шаяны тәріздес теңіз жәндіктері жақсы қабылдайды

      Медицинада ультрадыбыс адам денесін ультрадыбыстық тексеру (сканерлеу) үшін пайдаланылады. Сүйек, май және бұлшық еттер ультрадыбысты түрліше шағылдырады. Электр импульстеріне түрлендірілген бұл шағылған толқындар экранда кескін береді.

     Ультрадыбыстық тексеру жолымен сырқат адамның денесіндегі әртүрлі ауытқулар — қатерлі ісіктер, дене мүшелері пішінінің өзгерулері анықталады.

      Ультрадыбыстың көмегімен тастар ұнтакталады, металдарды және аса қатты материалдарды кесу және дәнекерлеу жүзеге асырылады. Алайда ультрадыбысты адамның ұзақ уақыт бойы қабылдауы нерв жүйесіне әсер етеді, қанның құрамының, сапасының және қысымының өзгеруін, бас ауруын тудырады, құлақ та естімей қалуы мүмкін.

     Ультрадыбыстарды дельфиндер, иттер, жарқанаттар және басқа да тіршілік иелері шығарады. Мысалы, жарқанаттың ультрадыбыстық гидролокаторлары адам жасаған ең күшті деп есептелетін радио және гидролокаторлармен салыстырғанда мүлтіксіз жетілген

Дыбыстың қаттылығы неге байланысты болатынын анықтау үшін камертонды пайдаланамыз. Камертон — доға тәрізді қысқа сапталған металл таяқша, оның көмегімен музыкалық дыбыс алуға болады.

 

Камертондардың немесе басқа гармоникалық тербеліс жасайтын денелердің шығаратын дыбыстары музыкалық дыбыстар деп аталады.

 

Камертонның бір тармағын таяқшамен ұрсақ, белгілі бір дыбыс естиміз. Камертонның екі тармағы да тербеліп, қоршаған ауада дыбыс толқынын тудырады. Енді оның тармақтарының біріне инені бекітейік, осыдан кейін оның ине бекітілген тармағын қарайтылған әйнек үстімен жүргізсек, дыбыс шығарып тұрған камертонның гармоникалық (синусоидалық) тербелісінің графигін аламыз. Гармоникалық тербеліс —тербелістердің ең қарапайым түрі болып табылады, сондықтан камертонның гармоникалық дыбысын да қарапайым дыбыс деп санаймыз. Әдетте, мектеп камертондары бірінші октаваның "ля" нотасына сәйкес келетін дыбыс шығарады.

 

Камертонды таяқшамен неғұрлым қаттырақ ұрсақ, ол соғұрлым қаттырақ дыбыс шығарады және камертонның тармақтары едәуір үлкендеу амплитудамен тербелетін болады. Камертонды ақырын ұру — амплитудасы кіші тербеліс тудырады, бұл кезде бәсең дыбыс шығады.

 

Демек, дыбыс қаттылығы дыбыс шығаратын дененің тербелістер амплитудасымен анықталады.

[өңдеу]

Тербелістер амплитудасы

 

Дыбыс көзінің шығаратын энергиясы дененің тербелістер амплитудасымен анықталады. Демек, дыбыс қаттылығы да тербеліс энергиясына байланысты болады. Алайда біз дыбыс туралы айтқанда, оларды энергия шамасымен бағалауымыз өте қолайсыз. Біздің құлақ жарғағымызға жететін ең қатты дыбыстардың (құлақты ауыртатын) энергиясы адам қабылдай алатын ең бәсең дыбыстардың энергиясынан он триллион есе артық болады.

 

Оның үстіне, дыбыс қаттылығы мен тербеліс энергиясы арасында тура пропорционалды байланыс жоқ. Өйткені адам құлағы әртүрлі жиіліктегі дыбыстарды бірдей қабылдамайды. Дыбыстардың тербеліс энергиясы бірдей болған жағдайда, біз жиілігі 1000—5000 Гц аралығындағы дыбыстарды жақсырақ қабылдайды екенбіз. Сонымен қатар әр адам дыбыстарды түрліше қабылдайды. Мысалы, қандай да бір дыбысты бір адам қатты, ал екінші адам ақырын деп қабылдауы мүмкін. Құлақ ішіндегі дабыл жарғағының дыбысты сезу қабілеттілігі жастың ұлғаюымен де кеми түседі. Бұл кезде есту диапазонының төменгі шегі жоғарылап, жоғарғысы кемиді. Демек, қаттылық дыбыстың субьективті сипаттамасы болып табылады.

 

Дыбыс қаттылығының деңгейін өлшеу үшін логарифмдік шкала бекітілген. 16 Гц-тен 20 000 Гц-ке дейінгі адамдар қабылдайтын дыбыстар диапазоны 0-ден 140 дБ-ге дейінгі шектегі логарифмдік шкалада қамтылып беріледі. Децибел (дБ) — 1847—1922 жылдары өмір сүрген, телефонды ойлап тапқан американдық өнертапқыш А. Бельдің құрметіне бел (Б) деп аталған қаттылық бірлігінің ондық үлесі, яғни 1 бел 10 децибелге тең.

 

Осылай, мысалы, ұшақ қозғалтқышы гуілінің энергиясы жапырақ сыбдырыныкінен 1012 есе көп, ал дыбыс қаттылығы бойынша ұшақ қозғалтқышы гуілінікі 120 дБ, жапырақ 118 сыбдырыныкі 10 дБ шамасында болады. 180дБ-ден артық болатын дыбыс құлақ жарғағын зақымдауы мүмкін. 2-кестеде кейбір дыбыстардың каттылық деңгейінің мәндері децибелмен берілген.

Дыбыстың биіктігі неге тәуелді болатынын анықтау үшін екі камертон алып, оларды дыбыс шығаруға мәжбүр етеді. Егер олардың тербеліс графиктерін салса, онда кішірек камертонның тербеліс жиілігі үлкенірек камертондыкінен көп болатынын байқауға болады. Демек, дыбыс биіктігі тербеліс жиілігімен анықталады.

Бұл қорытындыны дыбыс генераторынан (1), дыбыс зорайтқыштан (2) және осциллографтан тұратын құрылғының көмегімен де тексеруге болады. Дыбыс генераторындағы айнымалы кернеудің жиілігін, яғни оған сәйкес дыбыс зорайтқыш шығаратын дыбыс толқынының жиілігін өзгерту арқылы әртүрлі биіктіктегі дыбысты естуге болады. Белгілі бір жиіліктегі дыбыс толқының басқаша тон деп атайды. Сондықтан көбінесе дыбыс биіктігін дыбыс тоны деп айтады. Біз еститін дыбыстар тон биіктігімен ерекшеленетін болады. Жиілігі аз дыбысқа төмен тон (107, а-сурет), ал жиілігі жоғары дыбысқа (107, ә-сурет) биігірек тон сәйкес келеді.

 

 

 

Сонымен, тон биіктігі тербеліс жиілігімен анықталады, яғни тербеліс жиілігі үлкен болса, тон да биігірек болады.

Адам дауысын тон биіктігі бойынша бірнеше диапазонға бөледі: бас (80—150 Гц), баритон (110—149Гц), тенор (130—520Гц), дискант (260—1050 Гц), колоратуралық сопрано (1400 Гц-ке дейін).

Дыбыстың тағы да бір маңызды сипаттамасы — оның бояуы немесе музыканттардың айтуынша, оның тембірі болып табылады.

 

Тембр — адамның дауысына немесе аспаптың үніне өзіндік бояу беретін дыбыстың сапасы.

 

Дыбыстың тембрі бойынша біз кімнің сөйлеп жатқанын немесе қандай аспапта ойнап жатқанын анықтай аламыз, яғни дыбыс тембрі бойынша дыбыс көзі анықталады. Мысалы, қаттылығы да, жиілігі де бірдей дыбыстардың әртүрлі музыкалық аспаптардағы үні түрліше шығады, бірдей нота түрліше орындалады.

 

Денелердің гармоникалық тербелістері синусоидалық толқындар деп аталатын толқындарды туғызады. Алайда нақты дыбыстың белгілі бір жиілігі бар тербеліс жасауы өте сирек кездеседі.

 

Әдетте, дыбыс көзінің тербелісі кезінде пайда болатын толқындардың пішіні күрделі болып келеді.

 

 

 

Бұл суретте көрсетілген микрофоннан (1), дыбыс зорайтқыштан (2) және осциллографтан (3) тұратын қондырғының көмегімен әр-түрлі дыбыстардың осциллограммасын алуға болады. Егер микрофонның алдында тұрып, қандай да бір әуенді айтсақ, осцилло-графтың экранында күрделі, бірақ периодты қисықты байқауға болады (108 а, ә-сурет). Мұндай күрделі музыкалық дыбыс әр-түрлі жиіліктегі гармоникалық тербелістердің қосындысы түрінде қарастырылады.

 

Осындай күрделі дыбыстың ең төменгі жиілігі негізгі жиілік, ал оған сәйкес келетін белгілі бір биіктіктегі дыбыс негізгі тон деп аталады. Күрделі дыбыстың биіктігі дәл осы негізгі тонның биіктігімен анықталады. Осы тон бойынша адамдардың даусы, аспаптардың дыбыстары жоғары немесе төмен болады.

 

Әдетте, негізгі тонға обвртондар немесе гармоникалар деп аталатын қосымша жиіліктер ілесе жүреді. Обертондардың жиілігі негізгі жиіліктен екі, үш және т.с.с. есе артық болады.

 

Жиілігі мен амплитудасы әртүрлі қосымша толқындардың негізгі тонмен ілесе жүруі әрбір музыкалық аспаптың ерекшелігін анықтайды. 109-суретте әртүрлі екі аспапта орындалған бір нотаның тербелістері көрсетілген.

 

Негізгі тонға обертондар неғұрлым көбірек қосылған болса, әрбір обертонның күшіне байланысты дыбыс тембрі де соғұрлым әр алуан болып келеді. Әсіресе әншілердің даусы, скрипка үні обертондарға бай.

 

Әртүрлі шулардың музыкалық дыбыстардан ерекшелігі сол — оларға қандай да бір белгілі тербеліс жиілігі сәйкес келмейді.

 

Шу—әр түрлі жиіліктегі дыбыстардың ретсіз қабаттасуы болып табылады.