Диапазоны

Определение звука

Природа звука, акустические характеристики звука.

Раздел I. Акустические основы звукорежиссуры

 

Определение, частота, амплитуда, фаза. Скорость звука, длина волны. Возникновение, распространение, отражение, поглощение, дифракция, интерференция звуковых волн. Акустика, как наука.

Акустика — это наука о звуке, название которой происходит от греческого слова акуо — «слышу». Оно было введено в науку в 1701 году французским ученым Ж. Совёром. Музыкальная акустика представляет собой одно из направлений этой науки.

Задачей акустики является изучение физической природы звука и проблем, связанных с его возникновением, распространением и восприятием.

Звукимеет двойственную природу:

— с одной стороны, это объективный процесс передачи энергии механических колебаний частиц в упругой среде (воздухе, жидкости, твердом теле);

— с другой стороны, это только те виды механических колебаний среды, которые воспринимаются слуховой системой.

Таким образом, звук — это особый вид механических колебаний, способный вызывать слуховые ощущения.

Можно дать и такое определение звука: «звук — слуховые ощущения, обусловленные изменениями давления в окружающей упругой среде, вызванными механическими колебаниями упругих тел».

Поэтому акустика, как наука о звуке, является, с одной стороны, наряду с оптикой, термодинамикой, электромагнетизмом и т. д., одним из направлений физики (точнее — механики), которое занимается проблемами создания и распространения механических колебаний; с другой стороны, поскольку занимается и проблемами восприятия звука, она тесно связана с психофизикой, музыкальной психологией, теорией музыки и др.

Три главные проблемы входят в сферу интересов современной акустики:

— возникновение звука, что требует изучения физической природы звука, а также методов и средств его создания. Этими вопросами занимается акустика музыкальных инструментов, акустика речи, электроакустика и др;

— передача звука от источника к слушателю — это задачи архитектурной акустики, электроакустики и др.;

— восприятие звука слуховой системой и связь слуховых ощущений с объективными параметрами звука — это задачи психоакустики.

Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, теорию музыки и др.

Слуховая система человека воспринимает только ограниченный класс механических колебаний среды, находящихся в определенных пределах по уровню громкости (изменение уровня звукового давления от 0 дБ до 120 дБ) и по высоте (изменение частоты от 20 Гц до 20000 Гц) (см. гл. 3). В этом отношении человек сильно уступает другим биологическим субъектам (например, диапазон слышимых частот дельфина достигает 110 кГц и т. д.).

Все окружающие звуки можно условно разделить по различным признакам, например:

— по способу создания — на натуральные и искусственные (природный шум, речь, музыка, биосигналы, электронные звуки);

— по информационному признаку — на звуки для передачи семантической (смысловой) и эмоциональной информации (речь, пение и музыка); для передачи информации об окружающей среде (шум, сигнальные звуки и др.);

— по физическим параметрам, таким как: частотный диапазон (инфразвук, ультразвук, гиперзвук и др.); степень предсказуемости (случайные сигналы, например белый шум; детерминированные

сигналы; квазислучайные сигналы, в т. ч. музыка и речь); временная структура (периодические, непериодические, импульсные и др.)и т. д.

Основой процессов создания, распространения и восприятия звука являются механические колебания упругих тел:

— создание звука — определяется колебаниями струн, пластин, мембран, столбов воздуха и других элементов музыкальных инструментов, а также диафрагм громкоговорителей и прочих уп-

ругих тел;

— распространение звука — зависит от механических колебаний частиц среды (воздуха, воды, дерева, металла и др.);

— восприятие звука — начинается с механических колебаний барабанной перепонки в слуховом аппарате, и только после этого происходит сложный процесс обработки информации в различных отделах слуховой системы.

Периодические колебания лежат в основе создания музыкальных звуков, так как только по периодическим колебаниям слуховая система идентифицирует высоту тона.

Звуковая волна — это процесс переноса энергии механических колебаний в упругой среде.

Звуковая волна называется продольной, если направление движения частиц совпадает с направлением распространения возмущения (т. е. передачи энергии механических колебаний) в упругой среде.

Если направление движения частиц перпендикулярно направлению распространения возмущения, то такая волна называется поперечной. В газах (в воздухе, например) распространяются только продольные волны, в твердых телах могут быть и продольные и поперечные.

Длина волны - это расстояние, на которое распространилось возмущение в среде за один период колебаний отдельной точки. Поскольку за один период колебаний образуется одно сжатие и одно разрежение плотности среды, то расстояние между двумя сжатиями (или разрежениями) в звуковой волне и равно длине волны.

Скорость звуковой волны — это скорость передачи энергии в упругой среде. Она определяется как расстояние, на которое распространилось возмущение за единицу времени. Скорость имеет размерность м/с.

Зависимость скорости звука от температуры в воздухе (при нормальном атмосферном давлении) приближенно может быть представлена в виде:

C = (331 + 0,6 Т°) м/с, где Т° — градусы Цельсия. При температуре +20 скорость звука в воздухе равна C = (331 + 0,6 х 20°) = 343 м/с, при 0 скорость звука равна 331 м/с, а при -200C =319 м/с.

В воздушной среде отсутствует дисперсия — зависимость скорости распространения звука от частоты.