Простой (чистый) тон — гармоническое колебание

§ 54. Речевые звуки представляют собой комплексные колебания, то есть сложнейшие сочетания простых или чистых тонов и/или шумов.

Простой тон — это периодическое колебание, которое имеет только одну частоту колебания. Иначе простое периодическое колебание называется гармоническим.

Звуков такого рода в природе не существует, хотя имеются звуки, очень близкие чистому тону. К ним относится, например, звук, издаваемый камертоном. Если ударить по ножке камертона, то его усы (рожки) начинают смещаться из нейтрального положения, затем возвращаются в исходное положение под воздействием силы эластичности, затем, вследствие инерции, продолжают движение через точку покоя, затем обратно и т. д. (рис. 11, 12). Силы инерции и эластичности противонаправленны и действуют в любой момент движения, при этом то одна сильнее, то другая.

Движение камертона вызывает движение окружающих его молекул воздуха, которое можно сравнить с колебанием обыкновенных качелей (рис. 13). Движущиеся молекулы вызывают движение соседних молекул (как бы «подталкивают» их (рис. 14)), в результате образуются последовательные сгущения и разрежения воздуха — звуковые волны. Звуковые волны распространяются концентрическими кругами, как волны от камня, брошенного в воду:

Рис. 11. Схематическое изображение смещения усов камертона за полтора колебательных цикла:

• 1 — состояние покоя; 2 — смещение внутрь под действием внешней силы, действие силы эластичности; 3 — возвращение в состояние покоя, действие силы эластичности уменьшается, а силы инерции — увеличивается;
• 4 — смещение наружу, действие силы эластичности увеличивается, а силы инерции — уменьшается; 5 — возвращение в состояние покоя, действие силы эластичности уменьшается, а силы инерции — увеличивается (конец первого колебательного цикла); 6 — смещение внутрь, действие силы эластичности увеличивается, а силы инерции — уменьшается; 7 — возвращение в состояние покоя, действие силы эластичности уменьшается, а силы инерции — увеличивается

Рис. 12. Схематическое изображение изменений воздушного давления, вызванных вибрацией камертона:

• 1 — камертон; 2 — распространяющаяся волна сжатия/разрежения;
• 3 — частицы воздуха, до которых еще не дошла звуковая волна;
• 4: АВ — максимальная величина звукового давления;
• 5: CD — полный цикл колебания

сжатия и разрежения воздушной среды чередуются (рис. 15). Эти чередования давления во времени (в одной и той же точке) могут быть представлены в виде графика (осциллограммы)^[1], на котором время откладывается по горизонтальной оси, а давление — по вертикальной (рис. 16). Графиком простого периодического (гармонического) колебания является синусоида.

Рис. 13. Распространение звуковых волн:

каждая линия показывает положение 13 частиц воздуха в момент времени несколько более поздний, чем линия сверху от данной; неподвижные частицы изображены черточками, а движущиеся — стрелочками (чем жирнее стрелка, тем выше скорость движения)

Рис. 14. Схематическое изображение десяти частиц воздуха в 14 разных моментов времени:

источник звука находится слева, звуковые волны распространяются слева направо, время изменяется сверху вниз. Заметьте, что хотя звуковые волны (отражающиеся в виде сближения трех частиц) смещаются слева направо, сами частицы почти не изменяют своего положения

Рис. 15. Звуковые волны, распространяющиеся от источника звука:

зоны сгущения и разрежения воздуха окружают источник звука в виде сфер, что невозможно показать на двухмерном рисунке

Рис. 16. Осциллограмма:

сверху звук изображен в виде движений частичек воздуха, вызванных источником звука с частотой колебаний 350 Гц. На диаграмме внизу видно, что пики воздушного давления расположены в метре друг от друга, то есть на пространство в 350 метров (которое звук проходит за одну секунду — см. § 53) приходится 350 пиков

Вследствие действия силы трения точки наибольшего смещения частиц воздуха все больше приближаются к точке покоя: амплитуда колебания уменьшается, происходит затухание колебания (damping (рис. 17)), однако частота колебаний (количество полных циклов в единицу времени) остается постоянной.

Гармонические колебания могут различаться по частоте, амплитуде и фазе (рис. 18, 19).

Рис. 17. Осциллограмма затухающего колебания

Рис. 18. Результаты взаимодействия двух гармоник (сигнал 1 и сигнал 2):

гармоники совпадают по частоте, но различаются по амплитуде (а) или фазе (Ь, с). Во всех случаях исходная частота остается прежней; изменяется амплитуда (а) или фаза (Ь). Результатом наложения двух гармоник, находящихся в противофазе, является отсутствие сигнала (с)

Одна и та же среда может передавать множество звуков одновременно. При этом колебания (например, при наличии нескольких источников) могут взаимодействовать друг с другом. Если их частота совпадает, то амплитуда просто суммируется (и это по-прежнему простой тон)^[2] (см. рис. 18, а).

Рис. 19. Сложные периодические колебания как результат сложения простых колебаний:

а, б, в — простые колебания с частотами 100, 200, 300 Гц и разными амплитудами и начальными фазами; г — суммарные колебания.

• [1] Осциллограмма получается следующим образом: при помощи микрофоназвуковые колебания преобразуются в электрические, а при помощи осциллографаили специальной компьютерной программы (после оцифровки) они регистрируются и представляются в графической форме.
• [2] Впрочем, результат зависит еще и от фазы колебаний (синфазные тоныодной частоты и амплитуды воспринимаются как единый звук с удвоенной громкостью, а находящиеся в противофазе (сдвиг по фазе 180) подавляют друг друга —см. рис. 18, Ь; 18, с).