Главная страница

Сборник статей по теории звука. Краткая теория звука. Что такое звук Любой человек, который учился (или учится) в школе, без особых размышлений ответит на этот вопрос так Звук это волна


Скачать 4,73 Mb.
НазваниеКраткая теория звука. Что такое звук Любой человек, который учился (или учится) в школе, без особых размышлений ответит на этот вопрос так Звук это волна
АнкорСборник статей по теории звука
Дата09.06.2018
Размер4,73 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаSbornik_statey_po_teorii_zvuka.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#210
страница1 из 49
Каталогvlad_gorzenkov

С этим файлом связано 30 файл(ов). Среди них: Людмила (текст).doc, DOTU_v_obrazakh.pdf, Shkola_Tsifrvoy_Zvukozapisi_-_Pomeschenie.pdf, VSYo_ChTO_VAM_NEOBKhODIMO_ZNAT_PRO_MOLOKO.doc, Ot_chelovekoobrazia_k_chelovechnosti.doc, Volosatov_V_I_Fizika_efira_Ch_1_2007__djv.zip, Slovo_o_maloverii.docx, VP_SSSR_-_Ruslan_i_Lyudmila.doc, ChTO_VAM_NEOBKhODIMO_ZNAT_PRO_MOLOKO.doc и ещё 20 файл(а).
Показать все связанные файлы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   49

Краткая теория звука.
Что такое звук?
Любой человек, который учился (или учится) в школе, без особых размышлений ответит на этот вопрос так:
«Звук - это волна». И будет совершенно прав. А вот при попытке объяснить, что же представляет собой эта волна, большинство людей вспоминает хрестоматийный пример с веревкой или волнами на поверхности воды и после этого надолго задумываются. Так что же такое звук?
Любой предмет, совершающий возвратно-поступательные движения (камертон, струна рояля или гитары, наши голосовые связки и т.д.), вызывает в воздухе попеременное уменьшение или увеличение плотности.
Движения одних молекул воздуха передаются другим молекулам, в результате чего в пространстве распространяются периодически повторяющиеся зоны увеличения и уменьшения плотности. Они-то и представляют собой звуковую волну(Рис. 1.). Если мы в каком-то месте поставим прибор, способный реагировать на изменение плотности воздуха, запишем его показания в течение некоторого времени и составим график зависимости плотности от времени, то получим кривую, близкую к синусоиде, знакомую нам по школьным учебникам физики (Рис. 2). Именно такие колебания и улавливаются нашим ухом, в результате чего мы получаем ощущение звука.
Рис.1
Рис 2
Частота, длина, амплитуда и фаза звуковой волны

Количество колебаний воздуха в секунду называется частотой звука. Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты: волны с малой частотой воспринимаются как низкие, басовые звуки, а волны с большой частотой - как высокие. Частота измеряется в Герцах (Гц): 1 Гц = 1 колебание в секунду; или килогерцах (кГц): 1кГц = 1000 Гц. Большинство людей от 18 до 25 лет реально способны слышать колебания воздуха с частотой от 20 до 20000 Герц (с возрастом верхняя граница восприятия уменьшается). Именно этот диапазон волн называется звуковым диапазоном. Кстати говоря, наши уши устроены таким образом, что когда мы слышим два звука, частоты которых относятся как 2:1, то нам кажется, что эти звуки близки друг к другу и при одновременном воспроизведении они для нас как бы сливаются.
Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала высоты звуков, у которой одна и та же нота повторяется каждую октаву. То есть в натуральном звукоряде частоты одинаковых нот соседних октав соотносятся между собой как 2:1.
Частота волны обратно пропорциональна длине волны - отрезку на оси распространения волны, в котором умещается полный цикл (период) изменения плотности воздуха. Чем больше частота звука, тем меньше длина волны и наоборот. Длину волны очень легко вычислить по формуле l=C/f, где C - скорость звука (340 м/с), а f - частота звуковых колебаний. Например, волна, имеющая частоту 100 Гц, имеет длину 340/100=3.4 м.
Амплитудой звуковой волны называется половина разницы между самым высоким и самым низким значением плотности. На графике амплитуде будет соответствовать разница между самой высокой (или низкой) точкой волны и горизонтальной осью графика.
Для описания относительных временных свойств двух звуковых волн (или разных частей одной волны) вводится понятие фазы звуковой волны. Посмотрите на рисунок. На первом графике показаны две волны, которые полностью совпадают друг с другом. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. На третьем графике в том месте, где у одной волны находится область высокой плотности, у другой - область низкой плотности. В этом случае говорят, что волны находятся в противофазе. При этом, если волны одинаковые, происходит их взаимное уничтожение (в природе это бывает крайне редко, чаще противофазные волны при наложении сильно искажают звук). Средний график показывает некое промежуточное положение. В этом случае говорят, что фаза одной волны сдвинута относительно другой.
Уровень и громкость звука

Любая звуковая волна, которая распространяется в пространстве, может оказывать на встречающиеся препятствия (в том числе и на наши барабанные перепонки) некое давление. Люди, которые бывали на рок- концертах и стояли около мощных колонок не понаслышке знают, что оно может быть и очень сильным. Мы субъективно воспринимаем изменение давления звуковых волн в виде ощущения изменения громкости звука.
Максимальное изменение давления в воздухе при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением. Как и любое другое, звуковое давление измеряется в Паскалях (Па).
Но в акустике, при оценке интенсивности звуковых волн чаще применяется другое понятие - сила звука. Оно показывает поток звуковой энергии, который каждую секунду проходит через квадратный сантиметр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. Звуковое давление и сила звука находятся в квадратичной зависимости. То есть, сила звука = звуковое давление в квадрате. Сила звука описывает энергетические свойства самой волны и измеряется в ваттах/квадратный сантиметр
(Вт/кв.см.). Такая единица бывает очень удобна при некоторых расчетах - это единственная причина ее введения.
Для того, чтобы мы смогли услышать тот или иной звук, его сила должна быть больше определенного уровня.
Этот уровень называется порогом слышимости. То есть, если звуковая волна имеет малую интенсивность - ниже этого порога, мы просто не воспринимаем ее, и нам кажется, что вокруг стоит полная тишина, хотя на самом деле воздух вокруг колеблется. Точно также дело обстоит и со звуками большой интенсивности - мы слышим звук только до определенного уровня, который называется болевым порогом. Если сила звука больше этого уровня, то мы испытываем боль в ушах. Разница между уровнями болевого порога и порога слышимости называется динамическим диапазоном слуха. Мы способны воспринимать изменения силы звука в огромных пределах: сила звука болевого порога превосходит силу звука порога слышимости в тысячу раз!
Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что линейное изменение силы звука (или звукового давления) не воспринимается нами как линейное изменение громкости. Громкость звука и его сила связаны между собой более хитрой зависимостью. Увеличение громкости в два раза соответствует увеличению силы звука в
100 раз (звукового давления - в 10 раз), увеличение громкости в 3 раза соответствует увеличению силы звука уже в 10000 раз (звукового давления - в 100 раз), а увеличение громкости в 4 раза соответствует изменению силы звука в 100000000 раз (звукового давления - в 10000 раз)! Такая зависимость называется логарифмической, и именно из-за такой особенности нашего восприятия изменение уровня (громкости) звука принято измерять в логарифмических единицах - белах (Б).
Различие величин силы звука в белах вычисляется по формуле: N=lg I
1
/I
2
(на всякий случай, напомним, что lg
- это десятичный логарифм, и он показывает степень, в которую возводится число 10; то есть, если 10
lg
=100, то lg=2, иначе lg100=2), где N - изменение уровня звука, а I
1
и I
2
- верхняя и нижняя границы силы звука.
Десятикратное увеличение силы звука соответствует 1 белу (lg10=1), а стократное увеличение соответствует двум белам (lg100=2) и т. д. Словом, логарифмическая шкала позволяет достаточно сильно «сжимать» линейную шкалу, сохраняя при этом достоверность. И именно такая шкала полностью соответствует особенностям нашего слуха.
Изменение уровня звука в один бел одинаково отражает и изменение силы звука, и изменение звукового давления. Если вы подставите в вышеприведенную формулу соответствующие значения звукового давления
(памятуя, что сила звука = звуковое давление в квадрате), то получите те же самые значения изменения уровня в белах. Судите сами:
N= lg I
1
/I
2
=lg (P
1
/P
2
)
2
=2lg P
1
/P
2
, где P
1
и P
2
- верхняя и нижняя границы звукового давления.
Проверяем. Изменение звукового давления в 100 раз соответствует изменению силы звука в 10000 раз (I=P
2
).
Подставляя эти значения в вышеприведенную формулу, мы получаем следующие вещи: lg 10000=4 бела
(изменения силы звука); 2lg 100=2х2=4 бела (изменения звукового давления). Как видите, в обоих случаях мы получили одинаковые изменения уровня звука в белах.
Но на практике оказывается, что бел - это слишком большая величина для изменения уровня. Поэтому чаще применяется децибел (дБ) - десятая часть бела. То есть изменение уровня в децибелах будет вычисляться по формуле N=10 lg I
1
/I
2
или N=20 lg P
1
/P
2
. Минимальный перепад уровня, который способно воспринять наше ухо, как раз равен одному децибелу. Это одна из главных причин введения такой системы измерения уровня.
А весь динамический диапазон слуха составляет 120 дБ. Согласитесь, что гораздо удобней оперировать
единицами, которые мы можем услышать.
Изменение уровня звука обычно оценивается в децибелах относительно порога слышимости. Когда говорят, что уровень звука в колонках равен ста децибелам, подразумевают, что колонки работают на уровне, превышающем порог слышимости на 100 дБ.
Для того, чтобы как-то почувствовать такой непростой способ измерения уровня звука (лишь отражающий парадоксальность нашего слухового восприятия), мы приведем таблицу со знакомыми вам звуковыми объектами и уровнями звука, которые они производят. Просмотрев эту таблицу, вы сможете более наглядно представить себе логарифмическую шкалу уровня.
Слуховой порог
0
Шепот на расстоянии 1 м
20
Шум в квартире
40
Шепот на расстоянии 10 см
50
Тихий разговор на расстоянии 1 м
50
Аплодисменты
60
Игра на акустической гитаре пальцами; звук на расстоянии 40 см
70
Тихая игра на фортепиано
70
Игра на акустической гитаре медиатором; звук на расстоянии 40 см
80
Шум в метро во время движения
90
Громкий голос на расстоянии 15 см
100
Фортиссимо (максимально энергичный пассаж) оркестра
100
Реактивный самолет на расстоянии 5 м
120
Барабанный бой на расстоянии 3 см
140
Кстати говоря, последняя строчка таблицы показывает уровень звука, превышающий болевой порог. Поэтому никогда не пытайтесь послушать звук барабана прямо у мембраны - ощущения будут очень неприятные.
Теперь давайте более подробно поговорим о громкости звука - нашем субъективном ощущении от звуковых волн, имеющих разный уровень (звуковое давление, силу). Наше ощущение громкости во многом зависит от частоты звука. Высокие и низкие звуки, имеющие одинаковый уровень, субъективно воспринимаются нами как звуки разной громкости. А значение уровня звука и субъективно слышимой громкости совпадают только на частоте 1000 Гц. На основании исследований человеческого слуха были построены графики, которые известны каждому звукорежиссеру как кривые равной громкости. На них изображены линии (они расположены через 10 дБ на частоте 1000 Гц), которые соответствуют одинаково воспринимаемой громкости на разных частотах (см. рисунок). Легко можно видеть, что мы гораздо лучше слышим на средних частотах. А вот на
низких и высоких частотах чувствительность слуха притупляется.
Из графика кривых равной громкости следует важный для практической деятельности вывод. Посмотрите на рисунок - наиболее линейно мы воспринимаем звук при уровнях 80-90 дБ. То есть при таких уровнях громкости наши уши наиболее адекватно передают звуковую картину. Поэтому любые работы по корректировке звучания фонограмм лучше всего делать при достаточно высокой громкости звука в акустических системах - 80-90 дБ (примерно такой же уровень имеет шум в вагоне метро - см. таблицу). Если мы будем заниматься работой со звуком при меньших уровнях, то вероятность ошибки будет возрастать - ведь восприятие низких и высоких частот будет притупляться.
Тембр звука
Гитарист может извлекать из своего инструмента высокие и низкие, громкие и тихие звуки. Но что гитару делает гитарой? Почему ее звук отличается от звука фортепиано? Все объясняется довольно просто: реальные звуки представляют собой созвучия, состоящие из нескольких простых звуковых волн. От комбинаций этих волн и зависит тембр инструмента.
У каждого созвучия есть основной тон - волна определенной частоты, которая имеет наибольший уровень.
Например, у ноты Ля первой октавы эта волна имеет частоту 440 Гц. Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 4, 8 раз и т.д. выше, чем у основного тона (эти звуки располагаются через октаву). В музыке они называются обертонами. В акустике принята немного другая терминология. И основной тон, и обертона называются гармониками и имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон - первая гармоника, первый обертон - вторая гармоника и т.д.
Стоячие волны и резонанс
Звуковая волна, которая встречает на своем пути перпендикулярную твердую поверхность (например, стену), отражается от нее и возвращается по тому же самому пути. Две волны, движущиеся в противоположные стороны способны производить так называемые стоячие волны, которые окрашивают звук новыми гармониками(то есть изменяют тембр звука). Например, в замкнутом прямоугольном помещении стоячие звуковые волны находятся точно посередине комнаты. И если вы встанете в это место, то услышите, как
изменился звук (чаще всего в худшую сторону).
Если длина волны источника звука становится кратна длине помещения, то фаза отраженной волны совпадает с фазой прямой волны, в результате чего происходит их взаимное усиление. А так как в прямоугольном помещении звук отражается от стен несколько раз, то происходит многократное усиление громкости звука. То есть, возникает воздушный резонанс - частный случай стоячей волны.
Любое помещение имеет некую критическую частоту звука при которой возникает резонанс. Причем у помещений с разными геометрическими размерами будут разные критические частоты. Эту частоту называют частотой резонанса. Резонанс чаще всего возникает именно на низких частотах, так как длина волны низких звуков сравнима с длиной и шириной помещения. Кстати, бас-гитаристы, репетирующие дома, отлично знакомы с таким эффектом: некоторые взятые на инструменте ноты неожиданно усиливаются, при этом начинают угрожающе звенеть стекла в окнах и шкафах.
Резонанс, в большинстве случаев, явление крайне неприятное. Поэтому в музыкально используемых помещениях с ним борются всеми возможными способами. Например, ликвидируют параллельные поверхности - студийные комнаты очень часто проектируются таким образом, что все углы имеют величину больше 90 градусов. Однако резонанс не всегда бывает вреден. В духовых инструментах и органах это явление используют для усиления звука и получения характерного тембра.
У любой трубки есть своя частота резонанса, которая определяется геометрическими размерами самой трубки. Если в такую трубку попадает звуковая волна (например, от трости саксофона), то в центре сечения трубки возникает резонансная волна определенной частоты, которая усиливает звук и украшает его новыми гармониками. Меняя длину трубки, мы можем добиться изменения высоты звука. Именно такой принцип управления используется во всех духовых инструментах: например, в тромбоне музыкант выдвигает колено трубы, меняя ее длину; в кларнете, гобое, флейте, саксофоне длина трубы меняется при помощи закрытия и открытия отверстий и т. д.
Для музыкантов, которые записывают свои композиции дома, знание о наличии в любом помещении стоячих волн и понимание природы воздушного резонанса достаточно важно, так как позволяет с этими явлениями бороться. Например, если вы что-то записываете с микрофона в обычной жилой комнате, то микрофон ни в коем случае нельзя располагать прямо в центре помещения - иначе вы на записи получите искаженный стоячими волнами звук. С резонансами тоже можно бороться. Например, чем больше в вашей комнате отражающих непараллельных поверхностей, тем меньше условий для возникновения резонансов. Особенно важно обеспечить такие условия при записи с микрофона низкочастотных инструментов - контрабасов и бас- гитар.
Реверберация помещения
В разделе «Стоячие волны и резонанс» мы разобрали случай, когда звуковая волна встречает на своем пути перпендикулярную твердую поверхность. Однако, в любом помещении волны от источника звука распространяются во всех направлениях и многократно отражаются от стен и других препятствий. И только малое количество этих волн порождает стоячие волны и резонансы. Остальные отраженные волны воспринимаются слушателем как характерный гул, который называется реверберацией.
Временем реверберации называется время, в течение которого уровень отраженных волн падает на 60 дБ.
Разумеется, у различных помещений это время будет разным. Однако оно не находится в прямой связи с геометрическими размерами пола, стен и потолков – бывает, что в большом зале время реверберации достаточно мало (когда, например, стены, пол и потолок покрыты пористым материалом, хорошо поглощающим звук), а в небольшой комнате, наоборот, - велико. Информацию же о размере помещения и расстоянии до источника звука нам приносят первые шесть-десять отраженных волн, которые называются ранними отражениями. А время в течение которого они приходят называют предварительной задержкой.

Кстати говоря, реверберация способна довольно сильно изменить тембр источника звука. Причем, с музыкальной точки зрения реверберация в одних помещениях может украшать звучание, а в других - портить.
Зависит это от отражающих свойств поверхностей из которых изготовлены стены. Например, в спортивном зале с бетонными стенами реверберация имеет очень резкий и неприятный характер. Отражаясь от таких стен звуковые волны создают рассеянное эхо с сильным "свистящим" призвуком. И если вы запишите в таком помещении, предположим, акустическую гитару, то она будет звучать очень резко из-за реверберационного окрашивания.
А вот если вы принесете эту же гитару в комнату, где много отражающих поверхностей из неокрашенного дерева, то характер ее звучания изменится до неузнаваемости - она сразу заработает очень "тепло" и певуче.
Решающую роль в такой метаморфозе сыграют акустические свойства помещения. Комнаты с деревянными поверхностями имеют очень приятную на слух, "мягкую" и "теплую" реверберацию - неслучайно в студиях звукозаписи очень часто стены обшиваются именно этим материалом.
Современные городские квартиры имеют как правило бетонные или кирпичные стены со штукатуркой, закрытые только слоем обоев. Реверберация в таких помещениях не способствует улучшению звучания музыкальных инструментов и голоса. Если вы хотите получить действительно качественную запись своего исполнения, то можете поступить двумя способами: либо поискать себе место для записи с хорошей акустикой, либо "заглушить" свою комнату и записывать только "сухой" голос или музыкальный инструмент, а реверберацию добавлять электронным способом при помощи процессора эффектов или компьютерной программы.
Обычно для "заглушения" комнаты используются любые ковры, одеяла и т.д. То есть, вы просто завешиваете стены любыми пористыми материалами, которые поглощают звук и не дают ему отражаться от стен.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   49

перейти в каталог файлов
связь с админом