Meie tajumise heli kõrgusest ja selle muudest omadustest määravad akustilise laine omadused. Need on samad omadused, mis on omased igale mehaanilisele lainele, nimelt võnkumiste periood, sagedus, amplituud. Heli subjektiivsed aistingud ei sõltu laine pikkusest ja kiirusest. Artiklis analüüsime heli füüsikat. Helikõrgus ja tämber – kuidas need määratakse? Miks me tajume mõnda heli valjuna ja teisi vaiksena? Vastused neile ja teistele küsimustele leiate artiklist.
Pitch
Mis määrab kõrguse? Selle mõistmiseks teeme lihtsa katse. Võtame painduva pika joonlaua, eelistatav alt alumiiniumist.
Vajutame selle lauale, surudes tugevasti serva. Lööme näpuga vastu joonlaua vaba serva – see väriseb, aga liikumine jääb vaikseks. Nüüd liigutagem joonlauda endale lähemale, nii et selle väiksem osa ulatuks tööpinna servast välja. Lööme uuestijoonlaud. Selle serv hakkab vibreerima palju kiiremini ja väiksema amplituudiga ning kuuleme iseloomulikku heli. Järeldame, et heli tekkimiseks peab võnkesagedus olema vähem alt teatud väärtuses. Heli sagedusvahemiku alumine piir on 20 Hz ja ülempiir 20 000 Hz.
Jätkame katset. Lühendage joonlaua vaba serva veelgi, pange see uuesti liikuma. On märgata, et heli on muutunud, see on muutunud kõrgemaks. Mida eksperiment näitab? Ta tõestab heli kõrguse sõltuvust selle allika võnkumiste sagedusest ja amplituudist.
Heli helitugevus
Valjuduse uurimiseks kasutame häälestusharki – spetsiaalset vahendit heli omaduste uurimiseks. Seal on erineva jalapikkusega häälekahvleid. Need vibreerivad, kui haamriga lüüa. Suured häälekahvlid võnguvad aeglasem alt ja tekitavad madalat heli. Väikesed vibreerivad sageli ja nende helikõrgus on erinev.
Tabame hääletushargi ja kuulame. Heli nõrgeneb aja jooksul. Miks see juhtub? Heli helitugevus on nõrgenenud seadme jalgade võnke amplituudi vähenemise tõttu. Need ei vibreeri nii tugev alt, mis tähendab, et ka õhumolekulide vibratsiooni amplituud väheneb. Mida madalam see on, seda vaiksem on heli. See väide kehtib sama sagedusega helide kohta. Selgub, et nii heli kõrgus kui ka helitugevus sõltuvad laine amplituudist.
Erineva helitugevusega helide tajumine
Eeltoodust lähtudes tundub, et mida valjem on heli, seda selgem me olemekuuleme, seda peenemaid muutusi suudame tajuda. See ei ole tõsi. Kui keha panna võnkuma väga suure amplituudiga, kuid madala sagedusega, siis on selline heli halvasti eristatav. Fakt on see, et kogu kuuldavuse vahemikus (20-20 tuhat Hz) eristab meie kõrv kõige paremini umbes 1 kHz helisid. Inimese kuulmine on nende sageduste suhtes kõige tundlikum. Sellised helid tunduvad meile kõige valjemad. Hoiatussignaalid, sireenid on häälestatud täpselt 1 kHz peale.
Erinevate helide helitugevus
Tabel näitab levinumaid helisid ja nende tugevust detsibellides.
| Müra tüüp | Helitugevus, dB |
| Rahulik hingamine | 0 |
| Sosin, lehestiku sahin | 10 |
| Kella tiksumine 1 m kaugusel | 30 |
| Tavaline vestlus | 45 |
| Müra poes, vestlus kontoris | 55 |
| Tänavaheli | 60 |
| Valju jutt | 65 |
| Trükipoe müra | 74 |
| Auto | 77 |
| Buss | 80 |
| Inseneritööpink | 80 |
| Valju karje | 85 |
| Summutiga mootorratas | 85 |
| Treipink | 90 |
| Metallurgiatehas | 99 |
| Orkester, metroovagun | 100 |
| Kompressorijaam | 100 |
| Mootorsaag | 105 |
| Helikopter | 110 |
| Äike | 120 |
| Reaktiivmootor | 120 |
| Neetimine, terase lõikamine (see maht võrdub valulävega) | 130 |
| Lennuk käivitamisel | 130 |
| Raketi start (põhjustab kesta lööki) | 145 |
| Keskmise kaliibriga jahipüssi heli koonu lähedal (põhjustab vigastusi) | 150 |
| Ülehelikiirusega lennuk (see maht põhjustab vigastusi ja valušokki) | 160 |
Tämber
Heli kõrgus ja tugevus määratakse, nagu saime teada, laine sageduse ja amplituudi järgi. Tämber on nendest omadustest sõltumatu. Võtame kaks sama kõrgusega heliallikat, et mõista, miks neil on erinev tämber.
Esimene instrument on häälehark, mis kõlab sagedusega 440 Hz (see on esimese oktaavi noot), teine on flööt ja kolmas kitarr. Muusikariistadega reprodutseerime sama nooti, millel kõlab häälehark. Kõigil kolmel on sama helikõrgus, kuid kõlavad siiski erinevad, erinevad tämbri poolest. Mis on põhjus? See kõik on seotud helilaine vibratsioonidega. Liikumist, mida keeruliste helide akustiline laine teeb, nimetatakse mitteharmooniliseks võnkumiseks. Laine erinevates piirkondades võngub erineva tugevuse ja sagedusega. Neid täiendavaid ülemtoone, mis erinevad helitugevuse ja kõrguse poolest, nimetatakse ülemtoonideks.
Ärge ajage helikõrgust ja tämbrit segamini. Heli füüsika on selline, et kui“segada” põhihelisse täiendavaid, kõrgemaid, saame nn tämbri. Selle määrab helitugevus ja ülemtoonide arv. Ülemtoonide sagedus on madalaima tooni sageduse kordne, st see on täisarv korda suurem - 2, 3, 4 jne. Madalaimat tooni nimetatakse põhitooniks, see määrab helikõrguse, ja ülemtoonid mõjutavad tämbrit.
On helisid, mis ei sisalda üldse ülemtoone, näiteks häälestus. Kui kujutate selle helilaine liikumist graafikul, saate siinuslaine. Selliseid vibratsioone nimetatakse harmoonilisteks. Häälestus annab välja ainult põhitooni. Seda heli nimetatakse sageli igavaks, värvituks.
Kui helil on palju kõrgsageduslikke ülemtoone, muutub see karmiks. Madalad ülemtoonid annavad helile pehmuse, sametise. Igal muusikariistal, häälel on oma ülemtoonide komplekt. See on põhitooni ja ülemtoonide kombinatsioon, mis annab ainulaadse kõla, annab helile teatud tämbri.
