2. Звук как физическое явление
Звуком называют восприятие периодических изменений
давления на орган слуха, вызванных колебаниями
тел в упругой среде.
Например, если струна
музыкального инструмента
начинает колебаться от щипка
или ведения по ней смычком, то,
вследствие упругости воздуха,
эти колебания начнут
распространяться в виде волн
(попеременного увеличения и
уменьшения давления на
окружающие предметы).
3. Звуковой диапазон частот
Для большинства людей 18-25 лет, обладающих нормальным
слухом, в виде звука, воспринимаются колебания с частотами
между 20 Гц (низшая граничная частота) и 20000 Гц
(высшая граничная частота).
Эту полосу частот принято называть звуковым диапазоном, а
частоты, лежащие в eгo пределах, - звуковыми частотами.
Колебания с частотами менее 20 Гц называются
инфразвуковыми, а колебания с частотами более 20000 Гц -
ультразвуковыми.
У детей высшая граничная частота слуха достигает 22 000 Гц.
У многих животных высшая граничная частота слуха выше, чем у
человека. У собак она доходит до 38 000 Гц, у кошек — 70 000, у
летучих мышей — 100000 Гц.
Динамический диапазон слуха человека от порога слышимости
до т.н. «болевого порога» составляет около 130 дБ.
4. Восприятие звука
Простейшая звуковая волна на
слух воспринимается как
щелчок.
Реальный пример: хлопок в
ладоши.
Хлопок - это короткое
одиночное колебание,
которое быстро затухает.
Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в жизни,
практически всегда являются созвучиями. Т.е., источник вместе
с основным колебанием излучает волны с частотами в 2, 3, 4, 5
раз и т.д. большими основной частоты.
В музыкальной акустике эти колебания называют соответственно
основным тоном и обертонами: 1-м, 2-м, 3-м, 4-м и т.д.
5. Фаза звуковой волны
Для описания относительных временных свойств двух звуковых волн (или
разных частей одной волны) вводится понятие фазы звуковой волны.
волны в фазе фаза одной волны сдвинута волны в противофазе
относительно другой
На первом графике - две волны, которые полностью совпадают друг с
другом. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе.
Средний график показывает некое промежуточное положение. В этом
случае говорят, что фаза одной волны сдвинута относительно другой.
На последнем графике в том месте, где у одной волны находится
область высокой плотности, у другой - область низкой плотности.
Волны находятся в противофазе. Если такие волны одинаковы, происходит
их взаимное уничтожение (в природе это бывает крайне редко, чаще
противофазные волны при наложении сильно искажают звук).
6. Восприятие звуковых колебаний
Физические характеристики звука субъективно воспринимаются
как высота, громкость и тембральная окраска.
• Высота определяется частотой звуковой волны
• Громкость определяется амплитудой волны
• Тембр определяется спектральным составом волны
Также, звук обладает пространственной локализацией, т.е.
может быть определено местоположение источника звука. Это
называется бинауральным (двуушным) эффектом. Для его
воспроизведения в звукозаписи используется стереофония, а
также системы 3D или объемного звука.
Восприятие азимутального направления прихода звука по
отношению к положению головы человека связано с разностью
фаз или времени прихода колебаний к правому и левому
уху, а также с разностью интенсивности волны, приходящей
к правому и левому уху.
7. Высота звука
Звуковой сигнал можно представить, как совокупность различных
синусоидальных составляющих. Каждая составляющая
характеризуется рядом параметров.
Высота звука - определяется частотой (или, периодом)
звуковой волны. Чем выше частота, тем выше звучание:
Высота звука измеряется в герцах (Гц, Hz). 1 Гц = 1/с. То есть
колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду.
Под высотой реального звука понимают высоту его основного тона.
8. Громкость
Амплитуда звуковых колебаний воспринимается нами как громкость.
Громкость измеряется в относительных единицах, децибелах (дБ).
Распространены две шкалы громкости:
1. Абсолютная - за ноль принимается уровень громкости, находящийся на
пороге слышимости.
2. Шкала, используемая в звуковых устройствах и компьютерных программах.
За ноль децибел принимают максимальный уровень громкости,
который звукозаписывающее устройство способно отобразить без
искажений. Т.е., при записи звука в компьютер значение 0 дБ -
максимальное значению амплитуды. Положительный входной уровень
громкости является перегрузкой, т.е., будет записан неправильно, и
при воспроизведении заметны характерные высокочастотные искажения.
9. Единицы измерения громкости
Звуковая волна, распространяющаяся в пространстве, оказывает звуковое
давление (P), измеряемое в Паскалях (Па).
В акустике используют понятие силы звука (I), описывающее энергетические
свойства самой волны и измеряемое в Вт/см2.
I = P2 где I - сила звука; P- звуковое давление
Согласно психофизическому закону Вебера-Фехнера, слух одинаково
оценивает равные относительные изменения силы звука, не зависимо от
абсолютного уровня.
где L - кажущееся изменение громкости; I1, I2 - сила звука до и
после его изменения; С – коэф. пропорциональности
2
I
Увеличение громкости вдвое соответствует увеличению силы звука в 100 раз.
Такая зависимость называется логарифмической, и именно из-за такой
особенности нашего восприятия изменение уровня громкости звука удобно
измерять в логарифмических единицах - Белах (Б). На практике обычно
используется децибел (дБ) - десятая часть бела. Минимальный перепад уровня
громкости, воспринимаемый ухом равен приблизительно одному децибелу.
где NдБ – уровень громкости (дБ); I1, I2 - сила звука до и после его
изменения; P1, P2 - звуковое давление до и после изменения
1
I
L C lg
2
1
P
2
N 10 lg
дБ I
1
I
20 lg
P
10. Таблица громкости шумов
Субъективная
оценка шума
Уровень
громкости, дБ
Источник звука
Оглушительный 120 Авиамотор на расстоянии 5 м
Очень громкий 95 - 100 Фортиссимо оркестра
Очень громкий 90 Шум движущегося поезда метро
Громкий 70 - 80 Громкая радиомузыка, меццо-форте
музыкального исполнения, шум на
улице с движущимся транспортом
Громкий 60 - 70 Аплодисменты
Умеренный 40 - 50 Пианиссимо музыкального исполнения,
разговорная речь в жилой комнате
Слабый 30 Тиканье часов на расстоянии 0, 5 м
Очень слабый 20 Шепот на расстоянии 1 м
11. Тембр
Понятие тембра тесно связано с высотой звука.
Звуковые колебания обычно бывают
сложными. Если взять на скрипке ноту «ля»
первой октавы (частота 440 Гц), то в колебаниях
этой струны будут присутствовать также кратные
частоты 880, 1320, 1760, 2200 Гц и др.
При этом звук каждой частоты будет иметь
различную громкость (т.е. амплитуду).
2200 Гц
1760 Гц
1320 Гц
880 Гц
440 Гц
Г. Ом выяснил, что простое слуховое ощущение возникает лишь при
слушании чисто синусоидального колебания. С усложнением формы
колебания, появляются гармоники — так возникают впечатления окраски
звука или тембра. Ом установил, что ухо анализирует периодический звук
по отдельным гармоническим составляющим, и эти составляющие вызывают
раздельные ощущения. При тренировке и длительном вслушивании можно
мысленно разделить сложное периодическое колебание и определить, какие
гармоники в данном звуке присутствуют.
Т.о., человеческий слух способен воспринимать сложную форму
периодических звуков как окраску или тембр.
14. Дополнительные материалы
1. Меерзон Б.Я. Акустические основы звукорежиссуры – М., 2002.
2. Радзишевский А. Ю. Основы аналогового и цифрового звука – М., Вильямс, 2006.
3. Харуто А. В. Музыкальная информатика. Теоретические основы – М., ЛКИ, 2008.
4. http://wikisound.org/ – Коллективный проект по созданию полной
энциклопедии работы со звуком.
5. http://anatolykorolyov.narod.ru – Бесплатные программы для музыканта
6. http://ru.wikipedia.org/ – Материал о звуке из Википедии
