Что показал гармонический анализ гласных. Анализ звука. Анализ и синтез звука

На практике чаще приходится решать обратную по отношению к рассмотренной выше задачу – разложение некоторого сигнала на составляющие его гармонические колебания. В курсе математического анализа подобная задача традиционно решается разложением заданной функции в ряд Фурье, т. е. в ряд вида:

где i =1,2,3….

Практическое разложение в ряд Фурье, называемое гармоническим анализом , состоит в нахождении величин a 1 ,a 2 ,…,a i , b 1 ,b 2 ,…,b i , называемых коэффициентами Фурье. По значению этих коэффициентов можно судить о доле в исследуемой функции гармонических колебаний соответствующей частоты, кратной ω . Частоту ω называют основной или несущей частотой, а частоты 2ω, 3ω,… i·ω – соответственно 2-й гармоникой, 3-й гармоникой, i -й гармоникой. Применение методов математического анализа позволяет разложить в ряд Фурье большинство функций, описывающих реальные физические процессы. Применение этого мощного математического аппарата возможно при условии аналитического описания исследуемой функции, что является самостоятельной и, часто, не простой задачей.

Задача гармонического анализа может формулироваться как поиск в реальном сигнале факта присутствия той или иной частоты. Например, существуют методы определения частоты вращения ротора турбокомпрессора, основанные на анализе звука, сопровождающего его работу. Характерный свист, слышимый при работе двигателя с турбонаддувом, вызван колебаниями воздуха из-за движения лопаток рабочего колеса компрессора. Частота этого звука и частота вращения рабочего колеса пропорциональны. При использовании аналоговой измерительной аппаратуры в этих случаях поступают примерно так: одновременно с воспроизведением записанного сигнала с помощью генератора создают колебания заведомо известной частоты, перебирая их в исследуемом диапазоне до возникновения резонанса. Частота генератора, соответствующая резонансу, будет равна частоте исследуемого сигнала.

Внедрение цифровой техники в практику измерений позволяет решать подобные задачи с применением расчетных методов. Прежде чем рассмотреть основные идеи, заложенные в этих расчетах, покажем отличительные особенности цифрового представления сигнала.

Дискретные методы гармонического анализа

Рис. 18. Квантование по амплитуде и времени

а – исходный сигнал; б – результат квантования;

в , г – сохраненные данные

При использовании цифровой аппаратуры реальный непрерывный сигнал (рис. 18, а ) представляется набором точек, точнее значениями их координат. Для этого исходный сигнал, идущий, например, с микрофона или акселерометра, квантуется по времени и по амплитуде (рис. 18, б ). Иначе говоря, измерение и запоминание величины сигнала происходит дискретно через некоторый интервал времени Δt , а само значение величины в момент измерения округляется до возможной ближайшей величины. Время Δt называют временем дискретизации , которое связано с частотой дискретизации обратной зависимостью.

Количество интервалов, на которое разбита двойная амплитуда максимально допустимого сигнала, определяется разрядностью аппаратуры. Очевидно, что для цифровой электроники, оперирующей в конечном итоге булевыми величинами («единица» или «ноль»), все возможные значения разрядности будут определяться как 2 n . Когда мы говорим, что звуковая карта нашего компьютера 16-разрядная, это означает, что весь допустимый интервал входной величины напряжения (ось ординат на рис. 11) будет разбит на 2 16 = 65536 равных интервалов.

Как видно из рисунка, при цифровом способе измерения и хранения данных, часть исходной информации будет потеряна. Для повышения точности измерений следует повышать разрядность и частоту дискретизации преобразующей техники.

Вернемся к поставленной задаче – определению в произвольном сигнале присутствия определенной частоты. Для большей наглядности используемых приемов, рассмотрим сигнал, являющийся суммой двух гармонических колебаний: q=sin 2t +sin 5t , заданных с дискретностью Δt=0,2 (рис. 19). В таблице рисунка приведены значения результирующей функции, которые будем далее рассматривать как пример некоторого произвольного сигнала.

Рис. 19. Исследуемый сигнал

Для проверки присутствия в исследуемом сигнале интересующей нас частоты умножим исходную функцию на зависимость изменения колебательной величины при проверяемой частоте. После чего сложим (численно проинтегрируем) полученную функцию. Умножать и суммировать сигналы будем на определенном интервале – периоде несущей (основной) частоты. При выборе значения основной частоты, надо учитывать, что проверить возможно только большую, по отношению к основной, в n раз частоту. Выберем в качестве основной частоты ω =1, которой соответствует период.

Начнем проверку сразу с «правильной» (присутствующей в сигнале) частотыy n =sin2x . На рис. 20 описанные выше действия представлены графически и численно. Следует обратить внимание, что результат умножения проходит преимущественно выше оси абсцисс, и поэтому сумма заметно больше нуля (15,704>0). Подобный результат был бы получен и при умножении исходного сигнала на q n =sin5t (пятая гармоника тоже присутствует в исследуемом сигнале). Причем результат подсчета суммы будет тем больше, чем больше амплитуда проверяемого сигнала в исследуемом.

Рис. 20. Проверка присутствия в исследуемом сигнале составляющей

q n = sin2t

Теперь выполним те же действия для не присутствующей в исследуемом сигнале частоты, например, для третьей гармоники (рис. 21).

Рис. 21. Проверка присутствия в исследуемом сигнале составляющей

q n =sin3t

В этом случае кривая результата умножения (рис. 21) проходит как в области положительных амплитуд, так и отрицательных. Численное интегрирование этой функции даст результат, близкий к нулю (∑ =-0,006), что указывает на отсутствие этой частоты в исследуемом сигнале или, говоря другими словами, амплитуда исследуемой гармоники близка к нулю. Теоретически мы должны были получить ноль. Погрешность вызвана ограничениями дискретных методов из-за конечной величины разрядности и частоты дискретизации. Повторяя описанные выше действия нужное количество раз, можно выяснить наличие и уровень сигнала любой частоты, кратной несущей.

Не углубляясь в подробности можно сказать, что примерно такие действия выполняют в случае так называемого дискретного преобразования Фурье .

В рассмотренном примере для большей наглядности и простоты все сигналы имели одинаковый (нулевой) начальный фазовый сдвиг. Для учета возможных различных начальных фазовых углов описанные выше действия выполняют с комплексными числами.

Известно множество алгоритмов дискретного преобразования Фурье. Результат преобразования – спектр – часто представляют не линейчатым, а сплошным. На рис. 22 показаны оба варианта спектров для исследуемого в рассмотренном примере сигнала

Рис. 22. Варианты спектров

Действительно, если бы мы в рассмотренном выше примере выполнили проверку не только для частот строго кратных основной, но и в окрестностях кратных частот, то обнаружили бы, что метод показывает наличие эти гармонических колебаний с амплитудой больше нуля. Применение сплошного спектра при исследовании сигналов обосновано еще и тем, что выбор основной частоты в исследованиях носит во многом случайный характер.

Применение метода гармонического анализа к исследованию акустических явлений позволило разрешить многие теоретические и практические проблемы. Одним из трудных вопросов акустики является вопрос об особенностях восприятия человеческой речи.

Физическими характеристиками звуковых колебаний являются частота, амплитуда и начальная фаза колебаний. Для восприятия звука человеческим ухом важны только две физические характеристики - частота и амплитуда колебаний.

Но если это действительно так, то каким образом мы узнаем одни и те же гласные а, о, у и т. д. в речи разных людей? Ведь один человек говорит басом, другой - тенором, третий - сопрано; поэтому высота звука, т. е. частота звуковых колебаний, при произношении одной и той же гласной оказывается у разных людей различной. Можно пропеть на одной и той же гласной а целую октаву, изменяя частоту звуковых колебаний вдвое, и все же мы узнаем, что это а, но не о или у.

Не изменяется наше восприятие гласных и при изменении громкости звука, т. е. при изменении амплитуды колебаний. И громко и тихо произнесенное а мы уверенно отличаем от и, у, о, э.

Объяснение этой замечательной особенности человеческой речи дают результаты анализа спектра звуковых колебаний, возникающих при произнесении гласных.

Анализ спектра звуковых колебаний может быть осуществлен различными способами. Самый простой из них заключается в использовании набора акустических резонаторов, называемых резонаторами Гельмгольца.

Акустический резонатор - это полость обычно шарообразной

формы, сообщающаяся с внешней средой через небольшое отверстие. Как показал Гельмгольц, собственная частота колебаний воздуха, заключенного в такой полости, в первом приближении не зависит от формы полости и для случая круглого отверстия определяется формулой:

где - собственная частота резонатора; - скорость звука в воздухе; - диаметр отверстия; V - объем резонатора.

Если иметь набор резонаторов Гельмгольца с различными собственными частотами, то для определения спектрального состава звука от какого-нибудь источника нужно поочередно подносить разные резонаторы к уху и определять на слух наступление резонанса по усилению громкости звучания. На основании таких опытов можно утверждать, что в составе сложных акустических колебаний имеются гармонические составляющие, являющиеся собственными частотами резонаторов, в которых наблюдалось явление резонанса.

Такой способ определения спектрального состава звука слишком трудоемок и не очень надежен. Можно было бы попытаться усовершенствовать его: применить сразу весь комплект резонаторов, снабдив каждый из них микрофоном для преобразования звуковых колебаний в электрические и прибором для измерения силы тока на выходе микрофона. Для получения сведений о спектре гармонических составляющих сложных звуковых колебаний с помощью такого прибора достаточно снять показания со всех измерительных приборов на выходе.

Однако и такой способ не применяют на практике, так как разработаны более удобные и надежные способы спектрального анализа звука. Сущность наиболее распространенного из них состоит в следующем. С помощью микрофона исследуемые колебания давления воздуха звуковой частоты преобразуются в колебания электрического напряжения на выходе микрофона. Если качество микрофона достаточно высокое, то зависимость напряжения на выходе микрофона от времени выражается той же функцией, что и изменение со временем звукового давления. Тогда анализ спектра звуковых колебаний можно заменить анализом спектра электрических колебаний. Анализ же спектра электрических колебаний звуковой частоты осуществляется технически проще, и результаты измерений оказываются значительно более точными. Принцип действия соответствующего анализатора также основан на явлении резонанса, но уже не в механических системах, а в электрических цепях.

Применение метода анализа спектров к исследованию человеческой речи позволило обнаружить, что при произнесении человеком, например, гласной а на высоте тона до первой октавы

возникают звуковые колебания сложного частотного спектра. Кроме колебаний с частотой 261,6 Гц, соответствующих тону до первой октавы, в них обнаруживается ряд гармоник более высокой частоты. При изменении тона, на котором произносится гласная, в спектре звуковых колебаний происходят изменения. Падает до нуля амплитуда гармоники с частотой 261,6 Гц, и появляется гармоника, соответствующая тому тону, на котором теперь произносится гласная, но ряд других гармоник при этом не изменяет своей амплитуды. Устойчивую группу гармоник, характерную для данного звука, называют его формантой.

Если проиграть на скорости 78 об/мин грампластинку с записью исполнения какой-нибудь песни, предназначенную для проигрывания на скорости 33 об/мин, то мелодия песни останется неизменной, но звуки и слова звучат не просто более высоко, а становятся неузнаваемыми. Причина этого явления состоит в том, что изменяются частоты всех гармонических составляющих каждого звука.

Мы приходим к выводу, что мозг человека по сигналам, поступающим через нервные волокна от слухового аппарата, способен определять не только частоту и амплитуду звуковых колебаний, но и спектральный состав сложных звуковых колебаний, как бы выполняя работу анализатора спектра гармонических составляющих негармонических колебаний.

Человек способен узнавать голоса знакомых людей, отличать звуки одного тона, полученные с помощью различных музыкальных инструментов. Эта способность также основана на различии спектрального состава звуков одного основного тона от разных источников. Наличие в их спектре устойчивых групп - формант гармонических составляющих - придает звучанию каждого музыкального инструмента характерную «окраску», называемую тембром звука.

1. Приведите примеры негармонических колебаний.

2. В чем заключается существо метода гармонического анализа?

3. Каковы практические применения метода гармонического анализа?

4. Чем отличаются друг от друга различные гласные звуки?

5. Как осуществляется на практике гармонический анализ звука?

6. Что такое тембр звука?

При помощи наборов акустических резонаторов можно установить, какие тоны входят в состав данного звука и с какими амплитудами они присутствуют в данном звуке. Такое установление гармонического спектра сложного звука называется его гармоническим анализом. Раньше такой анализ действительно производился с помощью наборов резонаторов, в частности резонаторов Гельмгольца, представляющих собой полые шары разного размера, снабженные отростком, вставляющимся в ухо, и имеющие отверстие с противоположной стороны (рис. 43). Действие такого резонатора, как и действие резонансного ящика камертона, мы объясним ниже (§51). Для анализа звука существенно то, что всякий раз, когда в анализируемом звуке содержится тон с частотой резонатора, последний начинает громко звучать в этом тоне.

Рис. 43. Резонатор Гельмгольца

Такие способы анализа, однако, очень неточны и кропотливы. В настоящее время они вытеснены значительно более совершенными, точными и быстрыми электроакустическими способами. Суть их сводится к тому, что акустическое колебание сначала преобразуется в электрическое колебание с сохранением той же формы, и следовательно, имеющее такой же спектр (§ 17); затем уже это электрическое колебание анализируется электрическими методами.

Укажем один существенный результат гармонического анализа, касающийся звуков нашей речи. По тембру мы можем узнать голос человека. Но чем различаются звуковые колебания, когда один и тот же человек поет на одной и той же ноте различные гласные: а, и, о, у, э? Другими словами, чем различаются в этих случаях периодические колебания воздуха, вызываемые голосовым аппаратом при разных положениях губ и языка и изменениях формы полостей рта и горла? Очевидно, в спектрах гласных должны быть какие-то особенности, характерные для каждого гласного звука, сверх тех особенностей, которые создают тембр голоса данного человека. Гармонический анализ гласных подтверждает это предположение, а именно, гласные звуки характеризуются наличием в их спектрах областей обертонов с большой амплитудой, причем эти области лежат для каждой гласной всегда на одних и тех же частотах, независимо от высоты пропетого гласного звука. Эти области сильных обертонов называются формантами. Каждая гласная имеет две характерные для нее форманты. На рис. 44 показано положение формант гласных у, о, а, э, и.

Очевидно, если искусственным путем воспроизвести спектр того или иного звука, в частности спектр гласной, то наше ухо получит впечатление этого звука, хотя бы его «естественный источник» отсутствовал. Особенно легко удается осуществлять такой синтез звуков (и синтез гласных) с помощью электроакустических устройств. Электрические музыкальные инструменты позволяют очень просто изменять спектр звука, т. е. менять его тембр.

Обсуждая вопрос о природе звуковых волн, мы имели в виду такие звуковые колебания, которые подчиняются синусоидальному закону. Это простые звуковые колебания. Их называют чистыми звуками, или тонами. Но в природных условиях такие звуки практически не встречаются. Шум листвы, журчанье ручья, раскаты грома, голоса птиц и зверей представляют собой сложные звуки. Однако любой сложный звук может быть представлен в виде набора различных по частоте и амплитуде тонов. Это достигается путем проведения спектрального анализа звука. Графическое изображение результата анализа сложного звука по составляющим его компонентам называют амплитудно-частотным спектром. На спектре амплитуду выражают в двух разных единицах: логарифмических (в децибелах) и линейных (в процентах). Если используют процентное выражение, то отсчет чаще всего ведут относительно амплитуды наиболее выраженной составляющей спектра. В этом случае ее принимают за нуль децибел, а уменьшение амплитуды остальных спектральных составляющих измеряют в отрицательных единицах. Иногда, в частности при усреднении нескольких спектров, за основу отсчета удобнее брать амплитуду всего анализируемого звука. Качество звука, или его тембр, существенно зависит от количества составляющих его синусоидальных компонентов, а также от степени выраженности каждого из них, то есть от амплитуд слагающих его тонов. В этом легко убедиться, прослушав одну и ту же ноту, исполненную на разных музыкальных инструментах. Во всех случаях основная частота звука этой ноты - у струнных инструментов, например, соответствующая частоте колебания струны - одинакова. Заметим, однако, что для каждого инструмента характерна своя форма амплитудно-частотного спектра.

1. Амплитудно-частотные спектры ноты "до" первой октавы, воспроизведенной на разных музыкальных инструментах. За 100 процентов принята амплитуда колебаний первой гармоники, называемой частотой основного тона (она отмечена стрелкой). Особенность звучания кларнета по сравнению со звучанием рояля проявляется в ином соотношении амплитуд спектральных составляющих, то есть гармоник; кроме того, в спектре звука кларнета отсутствуют вторая и четвертая гармоники.

Все сказанное выше о звуках музыкальных инструментов справедливо и для голосовых звуков. Основная часть голосовых звуков - в этом случае ее обычно называют частотой основного тона - соответствует частоте колебания голосовых связок. Исходящий из голосового аппарата звук кроме основного тона включает также многочисленные сопутствующие ему тоны. Основной тон и эти дополнительные тоны и составляют сложный звук. Если частота сопутствующих тонов превосходит частоту основного тона в целое число раз, то такой звук называют гармоническим. Сами же сопутствующие тоны и соответствующие им спектральные составляющие в амплитудно-частотном спектре звука называют гармониками. Расстояния по шкале частот между соседними гармониками соответствуют частоте основного тона, то есть частоте колебании голосовых связок.

2. Амплитудно-частотные спектры звука, производимого голосовыми связками человека при произношении им любого гласного (рисунок слева), и гласного звука "и", созданного голосовым трактом (рисунок справа). Вертикальными отрезками изображены гармоники; расстояние между ними на шкале частот соответствует частоте основного тона голоса. Изменение (уменьшение) амплитуды гармоник выражено в децибелах относительно амплитуды наибольшей гармоники. На огибающей спектра звука "и" появились так называемые формантные частоты (F 1 , F 2 , F 3), представляющие собой наибольшие по амплитуде гармонические составляющие.

В качестве примера рассмотрим процесс образования звуков речи. Во время произнесения любого гласного колеблющиеся голосовые связки создают сложный звук, спектр которого состоит из ряда гармоник с постепенно уменьшающейся амплитудой. Для всех гласных спектр звука, создаваемого голосовыми связками, одинаков. Различие в звучании гласных достигается благодаря изменениям конфигурации и размеров воздушных полостей голосового тракта. Так, например, когда мы произносим звук "и", мягкое небо перекрывает доступ воздуха в носовую полость и к небу поднимается передняя часть спинки языка, в результате чего ротовая полость приобретает определенные резонансные свойства, видоизменяя первоначальный спектр созданного голосовыми связками звука. В этом спектре появляется ряд специфических для данного гласного звука пиков амплитуды спектральных составляющих, называемых спектральными максимумами. В таком случае говорят об изменении огибающей спектра звука. Энергетически наиболее выраженные спектральные максимумы, обусловленные работой голосового тракта как резонатора и фильтра, называют формантами. Форманты обозначают порядковыми номерами, причем первой формантой считают ту, которая следует сразу после частоты основного тона.

В виде суммы гармонических колебаний можно представить не только голосовые звуки, но и разнообразные шумы, издаваемые животными: сопение, фырканье, стуки и чмоканье. Так как спектры шумовых звуков состоят из множества плотно примыкающих друг к другу тонов, то в них невозможно выделить отдельные гармоники. Обычно шумовые звуки характеризуются довольно широким диапазоном частот.

В биоакустике, как и в технических науках, все звуки принято называть акустическими или звуковыми сигналами. Если спектр звукового сигнала охватывает широкую полосу частот, сам сигнал и его спектр называют широкополосным, а если узкую, то - узкополосным.

НЕ УВИДЕЛА ОБСУЖДЕНИЯ ЭТИХ ЗАДАЧ! СПРОШУ УСТНО!

За-да-ние 20 № 44. Элек-три-че-ская дуга — это

А. из-лу-че-ние света элек-тро-да-ми, при-со-единёнными к ис-точ-ни-ку тока.

Б. элек-три-че-ский раз-ряд в газе.

Пра-виль-ный ответ

1) толь-ко А

2) толь-ко Б

4) ни А, ни Б

Элек-три-че-ская дуга

Элек-три-че-ская дуга — это один из видов га-зо-во-го раз-ря-да. По-лу-чить её можно сле-ду-ю-щим об-ра-зом. В шта-ти-ве за-креп-ля-ют два уголь-ных стерж-ня за-острёнными кон-ца-ми друг к другу и при-со-еди-ня-ют к ис-точ-ни-ку тока. Когда угли при-во-дят в со-при-кос-но-ве-ние, а затем слег-ка раз-дви-га-ют, между кон-ца-ми углей об-ра-зу-ет-ся яркое пламя, а сами угли рас-ка-ля-ют-ся до-бе-ла. Дуга горит устой-чи-во, если через неё про-хо-дит по-сто-ян-ный элек-три-че-ский ток. В этом слу-чае один элек-трод яв-ля-ет-ся всё время по-ло-жи-тель-ным (анод), а дру-гой — от-ри-ца-тель-ным (катод). Между элек-тро-да-ми на-хо-дит-ся столб рас-калённого газа, хо-ро-шо про-во-дя-ще-го элек-три-че-ство. По-ло-жи-тель-ный уголь, имея более вы-со-кую тем-пе-ра-ту-ру, сго-ра-ет быст-рее, и в нём об-ра-зу-ет-ся углуб-ле-ние — по-ло-жи-тель-ный кра-тер. Тем-пе-ра-ту-ра кра-те-ра в воз-ду-хе при ат-мо-сфер-ном дав-ле-нии до-хо-дит до 4 000 °С.

Дуга может го-реть и между ме-тал-ли-че-ски-ми элек-тро-да-ми. При этом элек-тро-ды пла-вят-ся и быст-ро ис-па-ря-ют-ся, на что рас-хо-ду-ет-ся боль-шая энер-гия. По-это-му тем-пе-ра-ту-ра кра-те-ра ме-тал-ли-че-ско-го элек-тро-да обыч-но ниже, чем уголь-но-го (2 000—2 500 °С). При го-ре-нии дуги в газе при вы-со-ком дав-ле-нии (около 2 ·10 6 Па) тем-пе-ра-ту-ру кра-те-ра уда-лось до-ве-сти до 5 900 °С, т. е. до тем-пе-ра-ту-ры по-верх-но-сти Солн-ца. Столб газов или паров, через ко-то-рые идёт раз-ряд, имеет ещё более вы-со-кую тем-пе-ра-ту-ру — до 6 000—7 000 °С. По-это-му в стол-бе дуги пла-вят-ся и об-ра-ща-ют-ся в пар почти все из-вест-ные ве-ще-ства.

Для под-дер-жа-ния ду-го-во-го раз-ря-да нужно не-боль-шое на-пря-же-ние, дуга горит при на-пря-же-нии на её элек-тро-дах 40 В. Сила тока в дуге до-воль-но зна-чи-тель-на, а со-про-тив-ле-ние не-ве-ли-ко; сле-до-ва-тель-но, све-тя-щий-ся га-зо-вый столб хо-ро-шо про-во-дит элек-три-че-ский ток. Иони-за-цию мо-ле-кул газа в про-стран-стве между элек-тро-да-ми вы-зы-ва-ют сво-и-ми уда-ра-ми элек-тро-ны,ис-пус-ка-е-мые ка-то-дом дуги. Боль-шое ко-ли-че-ство ис-пус-ка-е-мых элек-тро-нов обес-пе-чи-ва-ет-ся тем, что катод на-грет до очень вы-со-кой тем-пе-ра-ту-ры. Когда для за-жи-га-ния дуги вна-ча-ле угли при-во-дят в со-при-кос-но-ве-ние, то в месте кон-так-та, об-ла-да-ю-щем очень боль-шим со-про-тив-ле-ни-ем, вы-де-ля-ет-ся огром-ное ко-ли-че-ство теп-ло-ты. По-это-му концы углей силь-но разо-гре-ва-ют-ся, и этого до-ста-точ-но для того, чтобы при их раз-дви-же-нии между ними вспых-ну-ла дуга. В даль-ней-шем катод дуги под-дер-жи-ва-ет-ся в накалённом со-сто-я-нии самим током, про-хо-дя-щим через дугу.

За-да-ние 20 № 71. Гар-мо-ни-че-ским ана-ли-зом звука на-зы-ва-ют

А. уста-нов-ле-ние числа тонов, вхо-дя-щих в со-став слож-но-го звука.

Б. уста-нов-ле-ние ча-стот и ам-пли-туд тонов, вхо-дя-щих в со-став слож-но-го звука.

Пра-виль-ный ответ:

1) толь-ко А

2) толь-ко Б

4) ни А, ни Б

Ана-лиз звука

При по-мо-щи на-бо-ров аку-сти-че-ских ре-зо-на-то-ров можно уста-но-вить, какие тоны вхо-дят в со-став дан-но-го звука и ка-ко-вы их ам-пли-ту-ды. Такое уста-нов-ле-ние спек-тра слож-но-го звука на-зы-ва-ет-ся его гар-мо-ни-че-ским ана-ли-зом.

Рань-ше ана-лиз звука вы-пол-нял-ся с по-мо-щью ре-зо-на-то-ров, пред-став-ля-ю-щих собой полые шары раз-но-го раз-ме-ра, име-ю-щих от-кры-тый от-ро-сток, встав-ля-е-мый в ухо, и от-вер-стие с про-ти-во-по-лож-ной сто-ро-ны. Для ана-ли-за звука су-ще-ствен-но, что вся-кий раз, когда в ана-ли-зи-ру-е-мом звуке со-дер-жит-ся тон, ча-сто-та ко-то-ро-го равна ча-сто-те ре-зо-на-то-ра, по-след-ний на-чи-на-ет гром-ко зву-чать в этом тоне.

Такие спо-со-бы ана-ли-за, од-на-ко, очень не-точ-ны и кро-пот-ли-вы. В на-сто-я-щее время они вы-тес-не-ны зна-чи-тель-но более со-вер-шен-ны-ми, точ-ны-ми и быст-ры-ми элек-тро-аку-сти-че-ски-ми ме-то-да-ми. Суть их сво-дит-ся к тому, что аку-сти-че-ское ко-ле-ба-ние сна-ча-ла пре-об-ра-зу-ет-ся в элек-три-че-ское ко-ле-ба-ние с со-хра-не-ни-ем той же формы, а сле-до-ва-тель-но, име-ю-щее тот же спектр, а затем это ко-ле-ба-ние ана-ли-зи-ру-ет-ся элек-три-че-ски-ми ме-то-да-ми.

Один из су-ще-ствен-ных ре-зуль-та-тов гар-мо-ни-че-ско-го ана-ли-за ка-са-ет-ся зву-ков нашей речи. По темб-ру мы можем узнать голос че-ло-ве-ка. Но чем раз-ли-ча-ют-ся зву-ко-вые ко-ле-ба-ния, когда один и тот же че-ло-век поёт на одной и той же ноте раз-лич-ные глас-ные? Дру-ги-ми сло-ва-ми, чем раз-ли-ча-ют-ся в этих слу-ча-ях пе-ри-о-ди-че-ские ко-ле-ба-ния воз-ду-ха, вы-зы-ва-е-мые го-ло-со-вым ап-па-ра-том при раз-ных по-ло-же-ни-ях губ и языка и из-ме-не-ни-ях формы по-ло-сти рта и глот-ки? Оче-вид-но, в спек-трах глас-ных долж-ны быть какие-то осо-бен-но-сти, ха-рак-тер-ные для каж-до-го глас-но-го звука, сверх тех осо-бен-но-стей, ко-то-рые со-зда-ют тембр го-ло-са дан-но-го че-ло-ве-ка. Гар-мо-ни-че-ский ана-лиз глас-ных под-твер-жда-ет это пред-по-ло-же-ние, а имен-но: глас-ные звуки ха-рак-те-ри-зу-ют-ся на-ли-чи-ем в их спек-трах об-ла-стей обер-то-нов с боль-шой ам-пли-ту-дой, причём эти об-ла-сти лежат для каж-дой глас-ной все-гда на одних и тех же ча-сто-тах не-за-ви-си-мо от вы-со-ты про-пе-то-го глас-но-го звука.

За-да-ние 20 № 98. В масс-спек-тро-гра-фе

1) элек-три-че-ское и маг-нит-ное поля слу-жат для уско-ре-ния за-ря-жен-ной ча-сти-цы

2) элек-три-че-ское и маг-нит-ное поля слу-жат для из-ме-не-ния на-прав-ле-ния дви-же-ния за-ря-жен-ной ча-сти-цы

3) элек-три-че-ское поле слу-жит для уско-ре-ния за-ря-жен-ной ча-сти-цы, а маг-нит-ное поле слу-жит для из-ме-не-ния на-прав-ле-ния её дви-же-ния

4) элек-три-че-ское поле слу-жит для из-ме-не-ния на-прав-ле-ния дви-же-ния за-ря-жен-ной ча-сти-цы, а маг-нит-ное поле слу-жит для её уско-ре-ния

Масс-спек-тро-граф

Масс-спек-тро-граф — это при-бор для раз-де-ле-ния ионов по ве-ли-чи-не от-но-ше-ния их за-ря-да к массе. В самой про-стой мо-ди-фи-ка-ции схема при-бо-ра пред-став-ле-на на ри-сун-ке.

Ис-сле-ду-е-мый об-ра-зец спе-ци-аль-ны-ми ме-то-да-ми (ис-па-ре-ни-ем, элек-трон-ным уда-ром) пе-ре-во-дит-ся в га-зо-об-раз-ное со-сто-я-ние, затем об-ра-зо-вав-ший-ся газ иони-зи-ру-ет-ся в ис-точ-ни-ке 1. Затем ионы уско-ря-ют-ся элек-три-че-ским полем и фор-ми-ру-ют-ся в узкий пучок в уско-ря-ю-щем устрой-стве 2, после чего через узкую вход-ную щель по-па-да-ют в ка-ме-ру 3, в ко-то-рой со-зда-но од-но-род-ное маг-нит-ное поле. Маг-нит-ное поле из-ме-ня-ет тра-ек-то-рию дви-же-ния ча-стиц. Под дей-стви-ем силы Ло-рен-ца ионы на-чи-на-ют дви-гать-ся по дуге окруж-но-сти и по-па-да-ют на экран 4, где ре-ги-стри-ру-ет-ся место их по-па-да-ния. Ме-то-ды ре-ги-стра-ции могут быть раз-лич-ны-ми: фо-то-гра-фи-че-ские, элек-трон-ные и т. д. Ра-ди-ус тра-ек-то-рии опре-де-ля-ет-ся по фор-му-ле:

где U — элек-три-че-ское на-пря-же-ние уско-ря-ю-ще-го элек-три-че-ско-го поля; B — ин-дук-ция маг-нит-но-го поля; m и q — со-от-вет-ствен-но масса и заряд ча-сти-цы.

Так как ра-ди-ус тра-ек-то-рии за-ви-сит от массы и за-ря-да иона, то раз-ные ионы по-па-да-ют на экран на раз-лич-ном рас-сто-я-нии от ис-точ-ни-ка, что и поз-во-ля-ет их раз-де-лять и ана-ли-зи-ро-вать со-став об-раз-ца.

В на-сто-я-щее время раз-ра-бо-та-ны мно-го-чис-лен-ные типы масс-спек-тро-мет-ров, прин-ци-пы ра-бо-ты ко-то-рых от-ли-ча-ют-ся от рас-смот-рен-но-го выше. Из-го-тав-ли-ва-ют-ся, на-при-мер, ди-на-ми-че-ские масс-спек-тро-мет-ры, в ко-то-рых массы ис-сле-ду-е-мых ионов опре-де-ля-ют-ся по вре-ме-ни пролёта от ис-точ-ни-ка до ре-ги-стри-ру-ю-ще-го устрой-ства.