Акустика

Основные характеристики звука. Звук имеет высоту, громкость и тембр.

Высота звука, или тон (в музыке), характеризуется частотой упругих колебаний. Единица измерения частоты колебаний — герц (Гц) соответствует одному колебанию в секунду. Из огром­ного многообразия существующих в природе звуков человеческий слух воспринимает лишь те, частота которых составляет от 16 до 20 000 Гц.

Самый низкий тон рояля имеет частоту 27,5 Гц, а самые большие трубы органа издают звуки с частотой примерно 16 Гц. Это самая низкая высота звука, которую способно воспринять человеческое ухо. На нижней границе слухового восприятия труд­но понять, слышим мы звук или воспринимаем колебания воз­духа всем телом. Эта область звуковых частот сопровождает грозы и ураганы, извержения вулканов и землетрясения. Такие звуки издавна оказывали сильное эмоциональное воздействие на чело­века, на его подсознание. Если акустическая система радиоаппа­ратуры не в состоянии передавать низкочастотные колебания с достаточной громкостью, то воспроизведение будет лишено ес­тественности и реальности. Следует иметь в виду, что воспроиз­ведение самых низких звуковых частот представляет собой серь­езную техническую проблему и доступно лишь для очень доро­гой аппаратуры. Звуки с частотой колебаний ниже 16 Гц называ­ются инфразвуками.

Верхняя граница слухового восприятия лежит между частота­ми 16000... 20000 Гц. Человек воспринимает такие звуки как свист или писк. Если акустическая система не будет воспроизводить высокие частоты, то исчезнет окраска звука, без чего невозмож­но различить звучание разных музыкальных инструментов. Часто­ты выше предела слышимости относятся к области ультразвуков. Частотная характеристика разговорной речи укладывается в полосу частот от 250 до 3500 Гц, а музыкального исполнения — 30... 15000 Гц.

Диапазон звуковых частот, воспроизводимых аппа­ратурой, может быть намного шире и является основным пара­метром для определения группы сложности аудиотехники.

Громкость звука — это субъективно ощущаемая органом слуха сила звука. Она определяется амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем сильнее звук. Сила звука в нью­тонах, отнесенная к 1 м² площади, называется звуковым давлени­ем. Звуковое давление измеряется в физических единицах — Пас­калях (Па); 1 Па = 1 Н/м².

За стандартный порог чувствительности органа слуха человека принято звуковое давление, соответствующее 2 • 10^-5 Па (Н/м²). Та­кая громкость сравнима с шелестом падающей с деревьев листвы. Максимальное звуковое давление, воспринимаемое ухом, равно 10² Па. Это уровень шума, создаваемого двигателем взлетающего реактивного самолета. Следовательно, диапазон изменения звуко­вых давлений, воспринимаемых человеческим ухом, 10^-5...10² Па, т.е. отношение этих значений составляет 10000000 раз. Такие же астрономические цифры характеризуют соотношения электриче­ских напряжений, токов и мощностей, соответствующих силе этих звуков. На практике такими величинами трудно оперировать.

С учетом того, что ухо обладает логарифмической чувствительностью (закон Вебера—Фехнера), в электроакустике принято выражать звуковое давление (громкость) не абсолютными, а отно­сительными (логарифмическими) единицами — децибелами (дБ).

По мере уменьшения громкости слышимость низких и высо­ких частот снижается так, что вызывает снижение эмоционально­го восприятия музыки. Поэтому нередко в звуковоспроизводящую аппаратуру вводят систему тонкомпенсации (коррекции), кото­рая поднимает уровень усиления звука на низких и высоких час­тотах по мере уменьшения громкости. Таким образом, звуки оди­наковой высоты (тона), воспроизведенные разными музыкальными инструментами, имеют различную окраску, или тембр.

Тембр звука — сочетание обертонов (дополнительных тонов), или гармоник, которые сопровождают основной тон.

Обертоны — это колебания отдельных участков звучащего тела. Например, струна рояля, колеблясь как единое целое, издает ос­новной звук определенной высоты. Одновременно половина стру­ны совершает колебания с частотой, в 2 раза превышающей ос­новной тон, ¹/₄ часть струны совершает колебания с частотой, превышающей основной тон в 4 раза, и т.д. Эти дополнительные колебания называют первой, второй, третьей и т.д. гармониками, или обертонами. В зависимости от резонаторных свойств различ­ных музыкальных инструментов интенсивность отдельных гармо­ник одного и того же тона будет различной.

Тембр определяется совокупностью (спектром) и интенсивно­стью обертонов, которые сопровождают основной тон. Обертоны появляются также вследствие резонанса отдельных деталей музы­кального инструмента. Так, одновременно с колебанием струны гитары колеблются ее дека, днище, обечайка, гриф и др. Все эти колебания формируют обертоновую структуру тембра.

Структура тембра кроме обертонового спектра включает ско­рость и форму атаки (начала) звука, скорость и форму затухания звука, а также способ возбуждения звука. Тембр может быть яр­ким, звонким, тусклым, мягким и певучим. Благодаря разнице в тембрах мы различаем звучание отдельных инструментов.

Самые высокие звуки, используемые в музыке, редко превы­шают частоту 5000 Гц, например частота самого высокого тона рояля равна 4186 Гц. Однако, если проанализировать спектр зву­чания, например, скрипки на частоте 440 Гц (нота ля первой октавы), то можно обнаружить, что четвертая гармоника этого тона имеет частоту более 14000 Гц. Таким образом, чтобы отличить звуки скрипки от звуков, скажем, рояля, необходимо кроме основного тона воспринимать их обертоновый спектр, состоящий хотя бы из 4...5 гармоник, а это значит, что высококачественная аудиотехника должна воспроизводить весь спектр звуковых час­тот, начиная от 16...40 Гц до 16...20 кГц, а иногда и более. Чем шире полоса (диапазон) звуковых частот, которые способна вос­производить аппаратура, тем выше ее потребительские свойства и конкурентоспособность.

Направление распространения звука. Одно из основных свойств слуха — возможность определить направление распространения звука в горизонтальной и вертикальной плоскости и расстояние до источника звука. Достигается это благодаря бинауральному эф­фекту, который заключается в том, что звуки от одного и того же источника приходят к правому и левому уху не одинаковыми. Они могут различаться интенсивностью, временем прихода и фазой колебаний. По этим данным центральная нервная система выра­батывает суждение о местонахождении источника звука.

Точность локализации направления звука зависит от частоты колебаний. Например, для звука с частотой ниже 300 Гц опреде­лить место источника звука невозможно. Главную роль в процессе локализации играют частоты от 1000 до 3200 Гц.

Различают звучание монофоническое, стереофоническое, квад­рафоническое и псевдоквадрафоническое.

Монофоническое звучание характерно для одноканальной сис­темы передачи звуковой информации через микрофон, усилитель и громкоговоритель. Недостатком ее является то, что записанная микрофоном реальная звуковая панорама, состоящая из несколь­ких источников звука, воспроизводится как бы из одной точки. Здесь нет ясности о расположении источников звука в простран­стве, отсутствует реальная картина звучания.

Стереофоническое звучание предполагает двухканальную систему распространения звуков. Для ее реализации нужны два микрофона, сдвоенный (двухканальный) усилитель и две акустические колонки. При этом микрофоны при записи должны располагаться в разных точках звукового пространства. Записанные сигналы поступают раздельно на два входа усилителя и воспроизводятся через две акустические колонки, каждая из которых соединена с одним из выходов усилителя. Колонки при этом располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Это расстояние называется стереобазой.

Стереофоническое звучание создает эффект присутствия. Слу­шатель может легко определить место отдельных источников зву­ка, проследить за их фронтальным перемещением слева направо и наоборот. Полной звуковой картины стереофоническое звуча­ние передать не в состоянии, так как необходима еще ориентация в направлении фронт — тыл.

Квадрафоническое звучание предполагает четырехканальную запись информации через четыре микрофона, расставленные вокруг источников звука, усиление через четырехканальный усили­тель и воспроизведение через четыре звуковые колонки, располо­женные в углах комнаты. Квадрафоническое звучание создает эф­фект полного присутствия в центре звуковой картины.