2.3.1. Основы записи-воспроизведения звука

Звуком называется колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой среде, которые, воздействуя на слуховой анализатор человека, вызывают слуховые ощущения. Источником звука является колеблющееся тело, например колебания струны, вибрация камертона, движение диффузора громкоговорителя и др.

Волна – это некоторое возмущение среды, распространяемое в ней. Наблюдая за волнами установили, что при малых возмущениях колеблющихся систем изменение положения или иного характерного параметра (например, давления) колеблющихся систем подчиняется простому синусоидальному закону:

,

где А – амплитуда колебаний, f – частота колебаний, φ – начальная фаза колебаний и t – время. Под зависимостью x(t) можно подразумевать отклонение во времени положения маятника при его качании, изменение плотности воздуха при прохождении через него звуковой волны, изменение напряжения и тока в колебательном контуре и изменение напряженности электромагнитного поля в ходе прохождения электромагнитных волн через пространство.

З вуковой волной называется процесс направленного распространения колебаний упругой среды от источника звука. Область пространства, в которой распространяется звуковая волна, называется звуковым полем. Звуковая волна представляет собой чередование сжатий и разряжений воздуха. В области сжатия давление воздуха превышает атмосферное, в области разряжения – меньше его. Переменная часть атмосферного давления называется звуковым давлением Р. Единица измерения звукового давления – Паскаль (Па) (Па=Н/м²). Колебания, имеющие синусоидальную форму (рис. 118), называются гармоническими. Если излучающее звук тело колеблется по синусоидальному закону, то звуковое давление также изменяется по синусоидальному закону. Известно, что любое сложное колебание можно представить как сумму простых гармонических колебаний. Совокупность значений амплитуд и частот этих гармонических колебаний называются соответственно спектром амплитуд и спектром частот.

Колебательное движение частиц воздуха в звуковой волне характеризуется рядом параметров.

Период колебания (Т) – наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебательное движение. За это время совершается одно полное колебание. Период колебания измеряется в секундах (с).

Частота колебаний (f) – число полных колебаний в единицу времени:

где f – частота колебаний; Т – период колебаний.

Единица измерения частоты – герц (Гц) – одно полное колебание в секунду (1 кГц = 1000 Гц).

Длина волны (λ) – расстояние, на котором укладывается один период колебания. Длина волны измеряется в метрах (м). Длина волны и частота колебания связаны соотношением:

где с – скорость распространения звука.

Амплитуда колебаний (А) – наибольшее отклонение колеблющейся величины от состояния покоя.

Фаза колебания. Начальная фаза колебаний характеризует положение начальной точки синусоиды (переход через 0 при нарастании) в момент времени t = 0, выраженный в долях числа 2·π, т. е. полного периода колебаний. Поэтому фаза выражается в угловых единицах – радианах или градусах. Если синусоида начинается с нуля и положительной полуволны, то ее начальная фаза равна 0. Если начальная фаза равна 90 градусам, то синусоида начинается с вершины со значением +1, т. е. фактически становится косинусоидой (cos(0) = 1).

Представим себе окружность, длина которой равна расстоянию между точками А и Ε (рис. 119) или длине волны на определенной частоте. По мере «вращения» этой окружности ее радиальная линия в каждом отдельно взятом месте синусоиды будет находиться на определенном угловом расстоянии от начальной точки, что и будет значением фазы в каждой такой точке. Фазу измеряют в градусах.

Звуковая волна при столкновении с поверхностью частично отражается под тем же углом, под которым падает на эту поверхность. Ее фаза при этом не изменяется. На рисунке 120 проиллюстрирована фазовая зависимость отраженных волн. Звуковые волны разных частот, излучаемые источником звука с одной и той же фазой, после прохождения одинакового расстояния достигают поверхности с разной фазой.

Звуковая волна способна огибать препятствия, если ее длина больше размеров препятствия. Это явление называется дифракцией. Дифракция особенно заметна на низкочастотных колебаниях, имеющих значительную длину волны.

Е сли две звуковые волны имеют одинаковую частоту, то они взаимодействуют между собой. Процесс взаимодействия называется интерференцией. При взаимодействии синфазных (совпадающих по фазе) колебаний происходит усиление звуковой волны. В случае взаимодействия противофазных колебаний результирующая звуковая волна слабеет (рис. 121). Звуковые волны, частоты которых значительно отличаются друг от друга, не взаимодействуют между собой.

З вуковые колебания могут быть затухающими и незатухающими. Амплитуда затухающих колебаний постепенно уменьшается. Примером затухающих колебаний может служить звук, возникающий при однократном возбуждении струны или ударе гонга. Причиной затухания колебаний струны является трение струны о воздух, а также трение между частицами колеблющейся струны. Незатухающие колебания могут существовать, если потери на трение компенсируются притоком энергии извне. Примером незатухающих колебаний являются колебания чашечки школьного звонка. Пока нажата кнопка включения, в звонке существуют незатухающие колебания. После прекращения подвода энергии к звонку колебания затухают.

Распространяясь в помещении от своего источника, звуковая волна переносит энергию, расширяется до тех пор, пока не достигнет граничных поверхностей этого помещения: стен, пола, потолка и т. д. Распространение звуковых волн сопровождается уменьшением их интенсивности. Это происходит из-за потерь звуковой энергии на преодоление трения между частицами воздуха. Кроме того, распространяясь во все стороны от источника, волна охватывает все большую область пространства, что приводит к уменьшению количества звуковой энергии на единицу площади. С удвоением расстояния от сферического источника сила колебаний частиц воздуха падает на 6 дБ (в четыре раза по мощности) (рис. 122).

Встречая на своем пути препятствие, часть энергии звуковой волны проходит сквозь стены, часть поглощается внутри стен, а часть отражается обратно внутрь помещения. Энергия отраженной и поглощенной звуковой волны в сумме равна энергии падающей звуковой волны. В разной степени все три вида распределения звуковой энергии присутствуют практически во всех случаях (рис. 123).

Отраженная звуковая волна, потеряв часть энергии, изменит направление и будет распространяться до тех пор, пока не достигнет других поверхностей помещения, от которых она снова отразится, потеряв при этом еще часть энергии, и т. д. Так будет продолжаться до тех пор, пока энергия звуковой волны окончательно не угаснет.

Отражение звуковой волны происходит по законам геометрической оптики. Хорошо отражают звук вещества большой плотности (бетон, металл и др.). Поглощение звуковой волны объясняется несколькими причинами. Звуковая волна расходует свою энергию на колебания самого препятствия и на колебания воздуха в порах поверхностного слоя препятствия. Поэтому пористые материалы (войлок, поролон и др.) сильно поглощают звук. Степень отражения и поглощения звука веществом характеризуется коэффициентами отражения и поглощения. Эти коэффициенты могут иметь величину от нуля до единицы. Коэффициент равный единице указывает на идеальное отражение или поглощение звука.

Если источник звука находится в помещении, то к слушателю поступает не только прямая, но и отраженная от различных поверхностей звуковая энергия. Громкость звука в помещении зависит от мощности источника звука и количества звукопоглощающего материала: чем больше звукопоглощающего материала размещено в помещении, тем меньше громкость звука.

Отраженные звуки сильно влияют на эмоциональное восприятие. Например, звучание органа в кафедральном соборе, симфонического оркестра в зале театра или длительное эхо в горах. Так, в звуках концертного зала лишь около 10 % составляющих – это колебания, прямо доходящие до наших ушей. Остальные 90 % – это отраженные звуки.

После выключения источника звука за счет отражений звуковой энергии от различных поверхностей в течение некоторого времени существует звуковое поле. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника называется реверберацией. Длительность реверберации характеризуется так называемым временем реверберации, т. е. временем, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 10⁶ раз, а его уровень на 60 дБ. Например, если звучание оркестра в концертном зале достигает уровня в 100 дБ при уровне фонового шума около 40 дБ, то финальные аккорды оркестра при затухании растворятся в шуме при падении их уровня примерно на 60 дБ. Время реверберации – важнейший фактор, определяющий акустическое качество помещения. Оно тем больше, чем больше объем помещения и чем меньше поглощение на ограничивающих поверхностях.

Величина времени реверберации влияет на степень разборчивости речи и качество звучания музыки. Если время реверберации излишне велико, то речь становится неразборчивой. При слишком малом времени реверберации речь разборчива, но звучание музыки становится неестественным. Оптимальное время реверберации, в зависимости от объема помещения, составляет около 1–2 с.