Analiza e zërit. Dridhjet e thjeshta dhe komplekse të zërit Metodat diskrete të analizës harmonike

Kur diskutonim çështjen e natyrës së valëve të zërit, ne kishim parasysh dridhje të tilla tingujsh që i binden ligjit sinusoidal. Këto janë dridhje të thjeshta të zërit. Ata quhen tinguj të pastër, ose tone. Por në kushte natyrore tinguj të tillë praktikisht nuk ndodhin kurrë. Zhurma e gjetheve, murmuritja e një përroi, gjëmimi i bubullimave, zërat e zogjve dhe kafshëve janë tinguj komplekse. Sidoqoftë, çdo tingull kompleks mund të përfaqësohet si një grup tonesh me frekuencë dhe amplitudë të ndryshme. Kjo arrihet duke kryer analizën spektrale të zërit. Një paraqitje grafike e rezultatit të analizës së një tingulli kompleks nga përbërësit e tij quhet spektri amplitudë-frekuencë. Në spektër, amplituda shprehet në dy njësi të ndryshme: logaritmike (në decibel) dhe lineare (në përqindje). Nëse përdoret një shprehje përqindjeje, atëherë numërimi kryhet më shpesh në lidhje me amplituda e komponentit më të theksuar të spektrit. Në këtë rast, merret si zero decibel, dhe ulja e amplitudës së përbërësve të mbetur spektralë matet në njësi negative. Ndonjëherë, veçanërisht kur llogaritni mesatarisht disa spektra, është më e përshtatshme të merret amplituda e të gjithë tingullit të analizuar si bazë referimi. Cilësia e zërit, ose timbri i tij, varet ndjeshëm nga numri i përbërësve sinusoidë që e përbëjnë atë, si dhe nga shkalla e shprehjes së secilit prej tyre, domethënë nga amplituda e toneve që e përbëjnë atë. Mund ta verifikoni lehtësisht këtë duke dëgjuar të njëjtën notë të luajtur në instrumente të ndryshme muzikore. Në të gjitha rastet, frekuenca themelore e tingullit të kësaj note - për instrumentet me tela, për shembull, që korrespondon me frekuencën e dridhjes së telit - është e njëjtë. Vini re, megjithatë, se çdo instrument karakterizohet nga forma e tij e spektrit amplitudë-frekuencë.

1. Spektrat amplitudë-frekuencë të notës “C” të oktavës së parë, të luajtura në instrumente të ndryshme muzikore. Amplituda e lëkundjeve të harmonikës së parë, e quajtur frekuencë themelore (është e shënuar me një shigjetë), merret si 100 për qind. E veçanta e tingullit të një klarinete në krahasim me tingullin e një piano manifestohet në një raport të ndryshëm të amplitudave të përbërësve spektralë, domethënë harmonikë; Përveç kësaj, spektrit të tingullit të klarinetës i mungon harmonia e dytë dhe e katërt.

Gjithçka që u tha më sipër për tingujt e instrumenteve muzikore është e vërtetë edhe për tingujt vokal. Pjesa më e madhe e tingujve vokale - në këtë rast zakonisht quhet frekuenca e lartësisë - korrespondon me frekuencën e dridhjeve të kordave vokale. Tingulli që del nga aparati vokal, përveç tonit kryesor, përfshin edhe tone të shumta shoqëruese. Toni kryesor dhe këto tone shtesë përbëjnë një tingull kompleks. Nëse frekuenca e toneve shoqëruese tejkalon frekuencën e tonit kryesor me një numër të plotë herë, atëherë një tingull i tillë quhet harmonik. Vetë tonet shoqëruese dhe përbërësit përkatës spektral në spektrin amplitudë-frekuencë të tingullit quhen harmonikë. Distancat në shkallën e frekuencës midis harmonikave ngjitur korrespondojnë me frekuencën e tonit themelor, domethënë frekuencën e dridhjeve të kordave vokale.

2. Spektrat amplitudë-frekuencë të tingullit të prodhuar nga kordat vokale të një personi kur ai shqipton ndonjë zanore (foto në të majtë) dhe tingullin e zanores "i" të krijuar nga trakti vokal (foto në të djathtë). Harmonikët përshkruhen nga segmente vertikale; distanca midis tyre në shkallën e frekuencës korrespondon me frekuencën e tonit themelor të zërit. Ndryshimi (ulja) e amplitudës së harmonikës shprehet në decibel në raport me amplitudën e harmonikës më të madhe. Të ashtuquajturat frekuenca formant (F 1, F 2, F 3) u shfaqën në mbështjellësin e spektrit të tingullit "dhe", të cilat janë përbërësit harmonikë me amplituda më e madhe.

Si shembull, merrni parasysh procesin e formimit të tingujve të të folurit. Gjatë shqiptimit të çdo zanoreje, kordat vokale vibruese krijojnë një tingull kompleks, spektri i të cilit përbëhet nga një sërë harmonish me amplitudë që zvogëlohet gradualisht. Për të gjitha zanoret, spektri i tingullit të prodhuar nga kordat vokale është i njëjtë. Dallimi në tingullin e zanoreve arrihet për shkak të ndryshimeve në konfigurimin dhe madhësinë e zgavrave të ajrit të traktit vokal. Kështu, për shembull, kur shqiptojmë tingullin "dhe", qiellza e butë bllokon hyrjen e ajrit në zgavrën e hundës dhe pjesa e përparme e pjesës së pasme të gjuhës ngrihet në qiellzë, si rezultat i së cilës zgavra me gojë fiton disa veçori rezonante, duke modifikuar spektrin origjinal të tingullit të krijuar nga kordat vokale. Në këtë spektër, shfaqen një numër majash në amplituda e komponentëve spektralë, të quajtura maksimum spektrale, specifike për një tingull të caktuar zanor. Në këtë rast, ata flasin për një ndryshim në mbështjelljen e spektrit të tingullit. Maksimat spektrale më të theksuara nga ana energjike, për shkak të funksionimit të traktit vokal si rezonator dhe filtër, quhen formant. Formantet përcaktohen me numra serialë, me formantin e parë që është ai menjëherë pas frekuencës së zërit.

Në formën e një shume vibracionesh harmonike, mund të imagjinohet jo vetëm tingujt vokalë, por edhe zhurmat e ndryshme të bëra nga kafshët: nuhatje, gërhitje, trokitje dhe goditje. Meqenëse spektri i tingujve të zhurmës përbëhet nga shumë tone afër njëri-tjetrit, është e pamundur të identifikohen harmonikë individualë në to. Në mënyrë tipike, tingujt e zhurmës karakterizohen nga një gamë mjaft e gjerë frekuencash.

Në bioakustikë, si në shkencat teknike, të gjithë tingujt zakonisht quhen sinjale akustike ose zanore. Nëse spektri i një sinjali audio mbulon një brez të gjerë frekuencash, vetë sinjali dhe spektri i tij quhen brez i gjerë, dhe nëse është i ngushtë, atëherë quhet brez i ngushtë.

Duke përdorur grupe rezonatorësh akustikë, mund të përcaktoni se cilat tone janë pjesë e një tingulli të caktuar dhe me çfarë amplituda janë të pranishme në këtë tingull. Ky vendosje e spektrit harmonik të një tingulli kompleks quhet analiza e tij harmonike. Më parë, një analizë e tillë në fakt bëhej duke përdorur grupe rezonatorësh, veçanërisht rezonatorë Helmholtz, të cilët janë sfera të zbrazëta të madhësive të ndryshme, të pajisura me një proces të futur në vesh dhe që kanë një hapje në anën e kundërt (Fig. 43). Veprimin e një rezonatori të tillë, si dhe veprimin e kutisë rezonante të një piruni akordues, do ta shpjegojmë më poshtë (§51). Për analizën e zërit, është thelbësore që sa herë që tingulli i analizuar përmban një ton me frekuencën e rezonatorit, ky i fundit të fillojë të tingëllojë me zë të lartë në këtë ton.

Oriz. 43. Rezonatori i Helmholcit

Megjithatë, metoda të tilla analize janë shumë të pasakta dhe të mundimshme. Aktualisht, ato po zëvendësohen me metoda elektroakustike shumë më të avancuara, të sakta dhe të shpejta. Thelbi i tyre bazohet në faktin se një vibrim akustik fillimisht shndërrohet në një dridhje elektrike, duke ruajtur të njëjtën formë, dhe për rrjedhojë duke pasur të njëjtin spektër (§ 17); atëherë ky lëkundje elektrike analizohet me metoda elektrike.

Le të tregojmë një rezultat domethënës të analizës harmonike në lidhje me tingujt e të folurit tonë. Ne mund ta njohim zërin e një personi nga timbri. Por si ndryshojnë dridhjet e zërit kur i njëjti person këndon zanore të ndryshme në të njëjtën notë: a, i, o, u, e? Me fjalë të tjera, si ndryshojnë dridhjet periodike të ajrit të shkaktuara nga aparati vokal në këto raste me pozicione të ndryshme të buzëve dhe gjuhës dhe ndryshime në formën e zgavrave të gojës dhe të fytit? Natyrisht, në spektrat e zanoreve duhet të ketë disa veçori karakteristike për çdo tingull zanor, përveç atyre tipareve që krijojnë timbrin e zërit të një personi të caktuar. Analiza harmonike e zanoreve konfirmon këtë supozim, domethënë, tingujt e zanoreve karakterizohen nga prania në spektrat e tyre të zonave mbitonike me amplitudë të madhe, dhe këto zona shtrihen gjithmonë në të njëjtat frekuenca për secilën zanore, pavarësisht nga lartësia e tingullit të zanores së kënduar. Këto zona me ngjyrime të forta quhen formant. Çdo zanore ka dy formante karakteristike për të. Në Fig. 44 tregon pozicionin e formantëve të zanoreve u, o, a, e, i.

Natyrisht, nëse riprodhojmë artificialisht spektrin e një tingulli të caktuar, në veçanti spektrin e një zanoreje, atëherë veshi ynë do të marrë përshtypjen e këtij tingulli, edhe nëse "burimi i tij natyror" mungon. Është veçanërisht e lehtë për të kryer një sintezë të tillë të tingujve (dhe sintezën e zanoreve) duke përdorur pajisje elektroakustike. Instrumentet muzikore elektrike e bëjnë shumë të lehtë ndryshimin e spektrit të tingullit, pra ndryshimin e timbrit të tij.

Artefaktet e analizës spektrale dhe parimi i pasigurisë së Heisenberg

Në leksionin e mëparshëm, ne shqyrtuam problemin e zbërthimit të çdo sinjali zanor në sinjale elementare harmonike (komponentë), të cilët në të ardhmen do t'i quajmë elemente të informacionit atomik të zërit. Le të përsërisim përfundimet kryesore dhe të prezantojmë një shënim të ri.

Ne do të shënojmë sinjalin zanor në studim në të njëjtën mënyrë si në leksionin e fundit, .

Spektri kompleks i këtij sinjali gjendet duke përdorur transformimin Fourier si më poshtë:

. (12.1)

Ky spektër na lejon të përcaktojmë se në cilat sinjale elementare harmonike të frekuencave të ndryshme zbërthehet sinjali ynë zanor i studiuar. Me fjalë të tjera, spektri përshkruan grupin e plotë të harmonikave në të cilat zbërthehet sinjali në studim.

Për lehtësinë e përshkrimit, në vend të formulës (12.1), shpesh përdoret shënimi i mëposhtëm më shprehës:

, (12.2)

duke theksuar kështu që një funksion kohor i jepet hyrjes së transformimit Furier, dhe dalja është një funksion që nuk varet nga koha, por nga frekuenca.

Për të theksuar kompleksitetin e spektrit që rezulton, ai zakonisht paraqitet në një nga format e mëposhtme:

ku është spektri i amplitudës së harmonikave, (12.4)

A është spektri fazor i harmonikave. (12.5)

Nëse marrim anën e djathtë të ekuacionit (12.3) në mënyrë logaritmike, marrim shprehjen e mëposhtme:

Rezulton se pjesa reale e logaritmit të spektrit kompleks është e barabartë me spektrin e amplitudës në një shkallë logaritmike (e cila përkon me ligjin Weber-Fechner), dhe pjesa imagjinare e logaritmit të spektrit kompleks është e barabartë me spektri fazor i harmonikëve, vlerat e të cilave (vlerat e fazës) nuk ndihen nga veshi ynë. Një rastësi kaq interesante mund të jetë shqetësuese në fillim, por ne nuk do t'i kushtojmë vëmendje. Por le të theksojmë një fakt që është thelbësisht i rëndësishëm për ne tani - transformimi Furier transferon çdo sinjal nga fusha e përkohshme e sinjalit fizik në hapësirën e frekuencës së informacionit, në të cilën frekuencat e harmonikave në të cilat zbërthehet sinjali audio janë të pandryshueshme.

Le të shënojmë elementin e informacionit atomik të zërit (harmonik) si më poshtë:

Le të përdorim një imazh grafik që pasqyron diapazonin e dëgjueshmërisë së harmonikëve me frekuenca dhe amplituda të ndryshme, marrë nga libri i mrekullueshëm i E. Zwicker dhe H. Fastl "Psychoacoustics: fakte dhe models" (Botimi i dytë, Springer, 1999) në faqen 17 ( shih Fig. 12.1) .

Nëse një sinjal i caktuar zanor përbëhet nga dy harmonikë:

atëherë pozicioni i tyre në hapësirën e informacionit dëgjimor mund të ketë, për shembull, formën e treguar në Fig. 12.2.

Duke parë këto shifra, është më e lehtë të kuptohet pse ne i quajtëm sinjale harmonike individuale elemente informacioni atomik të zërit. E gjithë hapësira e informacionit dëgjimor (Fig. 12.1) kufizohet nga poshtë nga kurba e pragut të dëgjimit, dhe nga lart nga kurba e pragut të dhimbjes së harmonikëve tingëllues të frekuencave dhe amplitudave të ndryshme. Kjo hapësirë ka skica disi të parregullta, por disi të kujton në formën e një hapësire tjetër informacioni që ekziston në syrin tonë - retinës. Në retinë, objektet e informacionit atomik janë shufra dhe kone. Analogu i tyre në teknologjinë e informacionit dixhital është piskels. Kjo analogji nuk është plotësisht e saktë, pasi në një imazh të gjithë pikselët (në hapësirën dydimensionale) luajnë rolin e tyre. Në hapësirën tonë të informacionit të shëndoshë, dy pika nuk mund të jenë në të njëjtën vertikale. Dhe për këtë arsye, çdo tingull reflektohet në këtë hapësirë, në rastin më të mirë, vetëm në formën e një linje të lakuar (spektri i amplitudës), duke filluar nga e majta në frekuenca të ulëta (rreth 20 Hz) dhe duke përfunduar në të djathtë në frekuenca të larta (rreth 20 kHz).

Një arsyetim i tillë duket mjaft i bukur dhe bindës, nëse nuk merrni parasysh ligjet reale të natyrës. Fakti është se, edhe nëse sinjali origjinal i zërit përbëhet nga vetëm një harmonik i vetëm (me një frekuencë dhe amplitudë të caktuar), atëherë në realitet sistemi ynë dëgjimor "nuk do ta shohë" atë si një pikë në hapësirën e informacionit dëgjimor. Në realitet, kjo pikë do të turbullohet disi. Pse? Po, sepse të gjitha këto argumente janë të vlefshme për spektrat e sinjaleve harmonike pafundësisht të gjata. Por sistemi ynë i vërtetë i dëgjimit analizon tingujt në intervale kohore relativisht të shkurtra. Gjatësia e këtij intervali varion nga 30 deri në 50 ms. Rezulton se sistemi ynë i dëgjimit, i cili, si i gjithë mekanizmi nervor i trurit, funksionon në mënyrë diskrete me një shpejtësi kuadri prej 20-33 korniza në sekondë. Prandaj, analiza spektrale duhet të kryhet kornizë për kornizë. Dhe kjo çon në disa efekte të pakëndshme.

Në fazat e para të kërkimit dhe analizës së sinjaleve të zërit duke përdorur teknologjitë e informacionit dixhital, zhvilluesit thjesht e prenë sinjalin në korniza të veçanta, siç tregohet, për shembull, në Fig. 12.3.

Nëse një pjesë e këtij sinjali harmonik në një kornizë dërgohet në transformimin Furier, atëherë nuk do të marrim një vijë të vetme spektrale, siç tregohet për shembull në Fig. 12.1. Dhe do të merrni një grafik të spektrit të amplitudës (logarithmik) të paraqitur në Fig. 12.4.

Në Fig. 12.4 tregon me të kuqe vlerën e vërtetë të frekuencës dhe amplitudës së sinjalit harmonik (12.7). Por vija e hollë spektrale (e kuqe) është turbulluar ndjeshëm. Dhe, më e keqja, janë shfaqur shumë artefakte që në fakt e zvogëlojnë dobinë e analizës spektrale. Në të vërtetë, nëse çdo komponent harmonik i sinjalit të zërit prezanton artefaktet e veta të ngjashme, atëherë nuk do të jetë e mundur të dallohen gjurmët e vërteta të zërit nga artefaktet.

Në këtë drejtim, në vitet '60 të shekullit të kaluar, shumë shkencëtarë bënë përpjekje intensive për të përmirësuar cilësinë e spektrit të marrë nga kornizat individuale të sinjalit audio. Doli që nëse korniza nuk është prerë përafërsisht ("gërshërë të drejtë"), por vetë sinjali i zërit shumëzohet me një funksion të qetë, atëherë artefaktet mund të shtypen ndjeshëm.

Për shembull, në Fig. Figura 12.5 tregon një shembull të prerjes së një pjese (kornize) të një sinjali duke përdorur një periudhë të funksionit kosinus (kjo dritare nganjëherë quhet dritarja Hanning). Spektri logaritmik i një sinjali të vetëm harmonik të prerë në këtë mënyrë është paraqitur në Fig. 12.6. Figura tregon qartë se artefaktet e analizës spektrale janë zhdukur kryesisht, por ende mbeten.

Në të njëjtat vite, studiuesi i famshëm Hamming propozoi një kombinim të dy llojeve të dritareve - drejtkëndore dhe kosinus - dhe llogariti raportin e tyre në atë mënyrë që madhësia e objekteve të ishte minimale. Por edhe ky kombinim më i mirë i dritareve më të thjeshta doli të ishte, në fakt, jo më i miri në parim. Dritarja Gaussian doli të ishte më e mira në të gjitha aspektet e dritares.

Për të krahasuar artefaktet e paraqitura nga të gjitha llojet e dritareve kohore në Fig. Figura 12.7 tregon rezultatet e përdorimit të këtyre dritareve duke përdorur shembullin e marrjes së spektrit të amplitudës të një sinjali të vetëm harmonik (12.7). Dhe në Fig. Figura 12.8 tregon spektrin e tingullit zanor "o".

Nga figurat shihet qartë se dritarja kohore Gaussian nuk krijon artefakte. Por ajo që duhet theksuar veçanërisht është një veti e jashtëzakonshme e spektrit të amplitudës që rezulton (jo në një shkallë logaritmike, por në një shkallë lineare) të të njëjtit sinjal të vetëm harmonik. Rezulton se vetë grafiku i spektrit që rezulton duket si një funksion Gaussian (shih Fig. 12.9). Për më tepër, gjysma e gjerësisë së dritares kohore Gaussian lidhet me gjysmën e gjerësisë së spektrit që rezulton nga relacioni i thjeshtë vijues:

Kjo marrëdhënie pasqyron parimin e pasigurisë së Heisenberg. Na tregoni për vetë Heisenberg. Jepni shembuj të manifestimit të parimit të pasigurisë së Heisenberg-ut në fizikën bërthamore, në analizën spektrale, në statistikat matematikore (T-testi i studentit), në psikologji dhe në dukuritë sociale.

Parimi i pasigurisë së Heisenberg-ut jep përgjigje për shumë pyetje që lidhen me atë se pse gjurmët e disa komponentëve harmonikë të një sinjali nuk ndryshojnë në spektër. Përgjigja e përgjithshme për këtë pyetje mund të formulohet si më poshtë. Nëse ndërtojmë një film spektral me shpejtësi kornizë, atëherë nuk do të jemi në gjendje të dallojmë harmonikat që ndryshojnë në frekuencë me më pak se , gjurmët e tyre në spektër do të bashkohen.

Le ta shqyrtojmë këtë deklaratë duke përdorur shembullin e mëposhtëm.

Në Fig. Figura 12.10 tregon një sinjal për të cilin dimë vetëm se përbëhet nga disa harmonikë të frekuencave të ndryshme.

Duke prerë një kornizë të këtij sinjali kompleks duke përdorur një dritare kohore Gaussian me gjerësi të vogël (d.m.th., relativisht e vogël), marrim spektrin e amplitudës të paraqitur në Fig. 12.11. Për shkak të faktit se është shumë i vogël, gjysma e gjerësisë së spektrit të amplitudës nga çdo harmonik do të jetë aq e madhe sa lobet spektrale nga frekuencat e të gjitha harmonikave do të bashkohen dhe do të mbivendosen me njëri-tjetrin (shih Fig. 12.11).

Duke rritur pak gjerësinë e dritares së kohës Gaussian, marrim një spektër tjetër, të paraqitur në Fig. 12.12. Bazuar në këtë spektër, tashmë mund të supozohet se sinjali në studim përmban të paktën dy komponentë harmonikë.

Duke vazhduar të rrisim gjerësinë e dritares së kohës, marrim spektrin e treguar në Fig. 12.13. Pastaj - spektrat në Fig. 12.14 dhe 12.15. Duke parë figurën e fundit, mund të themi me një shkallë të lartë besimi se sinjali në Fig. 12.10 përbëhet nga tre komponentë të veçantë. Pas ilustrimeve të tilla në shkallë të gjerë, le të kthehemi te çështja e kërkimit të komponentëve harmonikë në sinjalet reale të të folurit.

Këtu duhet theksuar se nuk ka komponentë të pastër harmonikë në një sinjal të vërtetë të të folurit. Me fjalë të tjera, ne nuk prodhojmë komponentë harmonikë të tipit (12.7). Por, megjithatë, përbërësit pothuajse harmonikë janë ende të pranishëm në të folur.

Komponentët e vetëm kuazi-harmonikë në sinjalin e të folurit janë harmonikat e amortizuara që ndodhin në rezonator (traktin vokal) pas përplasjes së kordave vokale. Rregullimi relativ i frekuencave të këtyre harmonikave të amortizuara përcakton strukturën formant të sinjalit të të folurit. Një shembull i sintetizuar i një sinjali harmonik të amortizuar është paraqitur në Fig. 12.16. Nëse preni një fragment të vogël nga ky sinjal duke përdorur dritaren e kohës Gaussian dhe e dërgoni atë në transformimin Fourier, do të merrni spektrin e amplitudës (në një shkallë logaritmike) të paraqitur në Fig. 12.17.

Nëse shkëputim nga një sinjal i vërtetë i të folurit një periudhë midis dy duartrokitjeve të kordave vokale (shih Fig. 12.18) dhe diku në mes të këtij fragmenti vendosim një dritare kohore të vlerësimit spektral, atëherë do të marrim spektrin e amplitudës së treguar. në Fig. 12.19. Në këtë figurë, vijat e kuqe tregojnë vlerat e frekuencave të manifestuara të lëkundjeve komplekse rezonante të traktit vokal. Kjo figurë tregon qartë se me gjerësinë e vogël të zgjedhur të dritares kohore të vlerësimit spektral, jo të gjitha frekuencat rezonante të traktit vokal ishin qartë të dukshme në spektër.

Por është e pashmangshme. Në këtë drejtim, rekomandimet e mëposhtme mund të formulohen për vizualizimin e gjurmëve të frekuencave rezonante të traktit vokal. Shpejtësia e kornizës së filmit spektral duhet të jetë një rend i madhësisë (herë 10) më i madh se frekuenca e kordave vokale. Por është e pamundur të rritet shpejtësia e kornizës së filmit spektral pafundësisht, pasi për shkak të parimit të pasigurisë së Heisenberg, gjurmët e formantëve në sonogram do të fillojnë të bashkohen.

Si do të dukej spektri në rrëshqitjen e mëparshme nëse një dritare drejtkëndore do të priste saktësisht N perioda të sinjalit harmonik? Mbani mend serinë Fourier.

Artifakt - [nga lat. arte artificialisht + faktus i bërë] – biol. formacione ose procese që ndonjëherë lindin gjatë studimit të një objekti biologjik për shkak të ndikimit të vetë kushteve të kërkimit mbi të.

Ky funksion quhet ndryshe: funksioni i peshimit, funksioni i dritares, funksioni i peshimit ose dritarja e peshimit.

Nëse shtypni pedalin e një pianoje dhe i bërtisni fort, mund të dëgjoni një jehonë prej saj, e cila do të dëgjohet për ca kohë, me një ton (frekuencë) shumë të ngjashme me tingullin origjinal.

Analiza dhe sinteza e zërit.

Për analizën e zërit, është thelbësore që sa herë që tingulli që analizohet përmban një ton me frekuencën e rezonatorit, rezonatori të fillojë të tingëllojë me zë të lartë në këtë ton.

Metoda të tilla të analizës janë shumë të pasakta dhe të mundimshme. Aktualisht, ato po zëvendësohen me metoda elektroakustike shumë më të avancuara, të sakta dhe të shpejta. Thelbi i tyre qëndron në faktin se një dridhje akustike shndërrohet fillimisht në një dridhje elektrike, duke ruajtur të njëjtën formë, dhe për rrjedhojë duke pasur të njëjtin spektër; atëherë dridhja elektrike analizohet duke përdorur metoda elektrike.

Një rezultat domethënës i analizës harmonike mund të vihet në dukje në lidhje me tingujt e të folurit tonë. Ne mund ta njohim zërin e një personi nga timbri. Por si ndryshojnë dridhjet e zërit kur i njëjti person këndon zanore të ndryshme në të njëjtën notë: a, i, o, u, e? Me fjalë të tjera, si ndryshojnë dridhjet periodike të ajrit të shkaktuara nga aparati vokal në këto raste me pozicione të ndryshme të buzëve dhe gjuhës dhe ndryshime në formën e zgavrave të gojës dhe të fytit? Natyrisht, në spektrat e zanoreve duhet të ketë disa veçori karakteristike për çdo tingull zanor, përveç atyre tipareve që krijojnë timbrin e zërit të një personi të caktuar. Analiza harmonike e zanoreve konfirmon këtë supozim, domethënë, tingujt e zanoreve karakterizohen nga prania në spektrat e tyre të zonave mbitonike me amplitudë të madhe, dhe këto zona shtrihen gjithmonë në të njëjtat frekuenca për secilën zanore, pavarësisht nga lartësia e tingullit të zanores së kënduar. Këto zona me ngjyrime të forta quhen formant. Çdo zanore ka dy formante karakteristike për të.

Natyrisht, nëse ne riprodhojmë artificialisht spektrin e një tingulli të caktuar, në veçanti spektrin e një zanoreje, atëherë veshi ynë do të marrë përshtypjen e këtij tingulli, megjithëse burimi i tij natyror do të mungonte. Është veçanërisht e lehtë për të kryer një sintezë të tillë të tingujve (dhe sintezën e zanoreve) duke përdorur pajisje elektroakustike. Instrumentet muzikore elektrike e bëjnë shumë të lehtë ndryshimin e spektrit të tingullit, d.m.th. ndryshoni timbrin e tij. Një ndërprerës i thjeshtë e bën tingullin të ngjashëm me tingujt e flautit, violinës ose zërit të njeriut, ose krejtësisht unik, ndryshe nga tingulli i çdo instrumenti të zakonshëm.

Efekti Doppler në akustikë.

Frekuenca e dridhjeve të tingullit të dëgjuara nga një vëzhgues i palëvizshëm kur burimi i zërit i afrohet ose largohet prej tij është i ndryshëm nga frekuenca e tingullit që perceptohet nga një vëzhgues që lëviz me këtë burim tingulli, ose si vëzhguesi ashtu edhe burimi i zërit qëndrojnë në këmbë. Ndryshimi i frekuencës së zërit (katranit) i shoqëruar me lëvizjen relative të burimit dhe vëzhguesit quhet efekti akustik Doppler. Kur burimi dhe marrësi i zërit afrohen, lartësia e zërit rritet dhe nëse largohen. atëherë lartësia e zërit zvogëlohet. Kjo për faktin se kur një burim tingulli lëviz në lidhje me mediumin në të cilin përhapen valët e zërit, shpejtësia e një lëvizjeje të tillë i shtohet vektorialisht shpejtësisë së përhapjes së zërit.

Për shembull, nëse një makinë me një sirenë të ndezur po afrohet, dhe më pas, pasi ka kaluar, largohet, atëherë së pari dëgjohet një tingull i lartë, dhe më pas një zë i ulët.

Sonic booms

Valët goditëse ndodhin gjatë një goditjeje, shpërthimi, shkarkimi elektrik, etj. Tipari kryesor i valës së goditjes është një kërcim i mprehtë i presionit në pjesën e përparme të valës. Në momentin e kalimit të valës së goditjes, presioni maksimal në një pikë të caktuar ndodh pothuajse menjëherë në një kohë prej 10-10 s. Në të njëjtën kohë, dendësia dhe temperatura e mediumit ndryshojnë papritur. Pastaj presioni bie ngadalë. Fuqia e valës së goditjes varet nga forca e shpërthimit. Shpejtësia e përhapjes së valëve goditëse mund të jetë më e madhe se shpejtësia e zërit në një mjedis të caktuar. Nëse, për shembull, një valë goditëse rrit presionin me një herë e gjysmë, atëherë temperatura rritet me 35 0C dhe shpejtësia e përhapjes së pjesës së përparme të një valë të tillë është afërsisht 400 m/s. Muret me trashësi mesatare që takohen në rrugën e një vale të tillë goditëse do të shkatërrohen.

Shpërthimet e fuqishme do të shoqërohen me valë goditëse, të cilat krijojnë një presion 10 herë më të lartë se presioni atmosferik në fazën maksimale të frontit të valës. Në këtë rast, dendësia e mediumit rritet 4 herë, temperatura rritet me 500 0C dhe shpejtësia e përhapjes së një vale të tillë është afër 1 km/s. Trashësia e frontit të valës së goditjes është e rendit të rrugës së lirë të molekulave (10-7 - 10-8 m), prandaj, në një konsideratë teorike, mund të supozojmë se fronti i valës goditëse është një sipërfaqe shpërthimi, pas kalimit përmes të cilit parametrat e gazit ndryshojnë befas.

Valët goditëse ndodhin gjithashtu kur një trup i fortë lëviz me një shpejtësi që tejkalon shpejtësinë e zërit. Para një avioni që fluturon me shpejtësi supersonike formohet një valë goditëse, e cila është faktori kryesor që përcakton rezistencën ndaj lëvizjes së avionit. Për të zvogëluar këtë rezistencë, avionëve supersonikë u jepet një formë shigjete.

Ngjeshja e shpejtë e ajrit përpara një objekti që lëviz me shpejtësi të madhe çon në një rritje të temperaturës, e cila rritet me rritjen e shpejtësisë së objektit. Kur avioni arrin shpejtësinë e zërit, temperatura e ajrit arrin në 60 0C. Me një shpejtësi dyfish më të madhe se shpejtësia e zërit, temperatura rritet me 240 0 C, dhe me një shpejtësi afër trefishit të shpejtësisë së zërit, bëhet 800 0 C. Shpejtësitë afër 10 km/s çojnë në shkrirjen dhe shndërrimin e një trupi në lëvizje në gjendje të gaztë. Rënia e meteoritëve me një shpejtësi prej disa dhjetëra kilometrash në sekondë çon në faktin se tashmë në një lartësi prej 150 - 200 kilometrash, madje edhe në një atmosferë të rrallë, trupat e meteorit nxehen dhe shkëlqejnë dukshëm. Shumica e tyre shpërbëhen plotësisht në lartësitë 100 - 60 kilometra.

Zhurmat.

Mbivendosja e një numri të madh lëkundjesh, të përziera rastësisht në lidhje me njëra-tjetrën dhe duke ndryshuar rastësisht intensitetin me kalimin e kohës, çon në një formë komplekse lëkundjesh. Dridhje të tilla komplekse, të përbëra nga një numër i madh tingujsh të thjeshtë me tone të ndryshme, quhen zhurmë. Shembujt përfshijnë shushurimën e gjetheve në pyll, zhurmën e një ujëvare, zhurmën në një rrugë të qytetit. Zhurmat mund të përfshijnë gjithashtu tinguj të shprehur nga bashkëtingëlloret. Zhurmat mund të ndryshojnë në shpërndarje për sa i përket intensitetit të zërit, frekuencës dhe kohëzgjatjes së zërit me kalimin e kohës. Zhurmat e krijuara nga era, uji që bie dhe shfletimi i detit mund të dëgjohen për një kohë të gjatë. Zhurma e bubullimës dhe gjëmimi i valëve janë relativisht jetëshkurtër dhe janë zhurma me frekuencë të ulët. Zhurma mekanike mund të shkaktohet nga dridhja e trupave të ngurtë. Tingujt që lindin kur flluska dhe zgavra shpërthejnë në një lëng, të cilat shoqërojnë proceset e kavitacionit, çojnë në zhurmën e kavitacionit.

Analiza harmonike e zërit quhet

A. vendosja e numrit të toneve që përbëjnë një tingull kompleks.

B. vendosja e frekuencave dhe amplitudave të toneve që përbëjnë një tingull kompleks.

Përgjigja e saktë:

1) vetëm A

2) vetëm B

4) as A as B

Analiza e zërit

Duke përdorur grupe rezonatorësh akustikë, mund të përcaktoni se cilat tone janë pjesë e një tingulli të caktuar dhe cilat janë amplituda e tyre. Ky përcaktim i spektrit të një tingulli kompleks quhet analiza e tij harmonike.

Më parë, analiza e zërit është kryer duke përdorur rezonatorë, të cilët janë topa të zbrazët të madhësive të ndryshme me një shtrirje të hapur të futur në vesh dhe një vrimë në anën e kundërt. Për analizën e zërit, është thelbësore që sa herë që tingulli i analizuar përmban një ton, frekuenca e të cilit është e barabartë me frekuencën e rezonatorit, ky i fundit të fillojë të tingëllojë me zë të lartë në këtë ton.

Megjithatë, metoda të tilla analize janë shumë të pasakta dhe të mundimshme. Aktualisht, ato po zëvendësohen me metoda elektroakustike shumë më të avancuara, të sakta dhe të shpejta. Thelbi i tyre qëndron në faktin se një dridhje akustike fillimisht shndërrohet në një dridhje elektrike, duke ruajtur të njëjtën formë, dhe për këtë arsye duke pasur të njëjtin spektër, dhe më pas kjo dridhje analizohet me metoda elektrike.

Një nga rezultatet e rëndësishme të analizës harmonike ka të bëjë me tingujt e të folurit tonë. Ne mund ta njohim zërin e një personi nga timbri. Por si ndryshojnë dridhjet e zërit kur i njëjti person këndon zanore të ndryshme në të njëjtën notë? Me fjalë të tjera, si ndryshojnë dridhjet periodike të ajrit të shkaktuara nga aparati vokal në këto raste me pozicione të ndryshme të buzëve dhe gjuhës dhe ndryshime në formën e zgavrës së gojës dhe faringut? Natyrisht, në spektrat e zanoreve duhet të ketë disa veçori karakteristike për çdo tingull zanor, përveç atyre tipareve që krijojnë timbrin e zërit të një personi të caktuar. Analiza harmonike e zanoreve konfirmon këtë supozim, përkatësisht: tingujt e zanoreve karakterizohen nga prania në spektrat e tyre të zonave mbitonike me amplitudë të madhe, dhe këto zona qëndrojnë gjithmonë në të njëjtat frekuenca për secilën zanore, pavarësisht nga lartësia e tingullit të zanores së kënduar.

Cili fenomen fizik qëndron në themel të metodës elektroakustike të analizës së zërit?

1) shndërrimi i dridhjeve elektrike në zë

2) zbërthimi i dridhjeve të zërit në një spektër

3) rezonancë

4) shndërrimi i dridhjeve të zërit në ato elektrike

Zgjidhje.

Ideja e metodës elektroakustike të analizës së zërit është që dridhjet e zërit në studim të veprojnë në membranën e mikrofonit dhe të shkaktojnë lëvizjen periodike të saj. Membrana është e lidhur me një ngarkesë, rezistenca e së cilës ndryshon në përputhje me ligjin e lëvizjes së membranës. Meqenëse rezistenca ndryshon ndërsa rryma mbetet e njëjtë, voltazhi gjithashtu ndryshon. Ata thonë se ndodh modulimi i sinjalit elektrik - lindin lëkundje elektrike. Kështu, metoda elektroakustike e analizës së zërit bazohet në shndërrimin e dridhjeve të zërit në ato elektrike.

Përgjigja e saktë është renditur në numrin 4.