Свойства звука и акустика

Звуки - это воспринимаемые органами слуха колебания воз­духа. В отличие от электромаг­нитных колебаний (например, света или радиоваш), для их распространения требу­ется материальная среда.

(Звукозаписываю­щая студия (вид из ап­паратной). Для улуч­шения звукоизоляции окно в зал звукозапи­си имеет двойное остекление, поскольку в микрофоны студии не должны попадать никакие посторонние звуки. Тяжелые што­ры вдоль стен помо­гают понизить неже­лательное эхо и избавиться от ре­верберации.)

Введение

Все предметы в той или иной сте­пени могут колебаться и, следова­тельно, создавать звуки. Иногда колебания звучащего предмета можно увидеть - например, колебания басо­вой струны гитары. В других случаях создающие звук колебания невидимы. Колеблющаяся поверхность источ­ника звука вызывает изменения давле­ния (и, соответственно, плотности) ок­ружающего воздуха, распространяю­щиеся во все стороны в виде чередую­щихся областей повышенного и по­ниженного давления, называемых зву­ковыми волнами. Звук может созда­ваться не только колебаниями твер­дых предметов, но и колебаниями са­мой среды, в которой распространяет­ся звук. Например, при игре на флейте звук создается воздухом, продуваемым через отверстия инструмента. Достигнув уха, звуковые волны вызывают механические колебания барабанной перепонки, которые за­тем преобразуются в электрические сигналы нервной системы и передаются в головной мозг, интерпретирующий их как звуки.

(Промышленное оборудование часто создает чрезвычайно высокий уровень шума. Работающие рядом люди должны пользоваться специ­альными защитными средствами.)

Диапазон звуковых частот

Количество колебаний источника за одну секунду называется частой зву-ка. Единица измерения частоты - герц (Гц) - равна одному колебанию в секунду. Тысяча герц составляют 1 килогерц (кГц). Частота колебаний определяет высоту звука. Частота слышимых человеком колебаний лежит в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц - это т. и. звуковой диапазон. Предел слышимости в высокочастотной области у людей значительно различается; кроме того, он понижается с возрастом. Для сравнения - летучая мышь слышит в диапазоне от 1 кГц до 100 кГц. Движение источника или приемника звука относительно друг друга вызывает изменение высоты тона слышимого звука при неизменной частоте колебаний источника. На-пример, тон звукового сигнала поезда, когда он приближается к платформе, выше, чем когда он удаляется от нее. Это явление называется эффектом Доплера. Поскольку скорость звука в однородной среде постоянна, звуковые волны перед движущимся источником укорачиваются (сжима­ются), и в единицу времени проходит большее их число, а когда источник удаляется, звуковые волны в направ­лении, противоположном направле­нию его движения, удлиняются (рас­тягиваются), и за единицу времени их проходит меньше. А вот пассажи­ры движущегося поезда все это время слышат звук одной высоты.

Ультразвуки

Колебания воздуха (или другой не­прерывной среды), частота которых превышает 20 кГц (верхний предел слышимости человека), называются ультразвуком («сверхзвуком»). Некото­рые животные могут слышать такие колебания. Так, собаке можно пода­вать команды ультразвуковыми сигна­лами, неслышными для человека.

(На рисунке показаны графики трех звуковых волн с частотами 20 Гц, 50 Гц и 100 Гц. Все три графика приведены для отрезка времени, равного 1/20 секунды.)

Длина волны

Длина звуковой волны также зависит от частоты колебаний источника и скорости распространения звука. При 0°С звук проходит за 1 секунду 332 метра. Поэтому, если источник совершает за одну секунду 332 коле­бания, создаваемые им волны будут иметь длину 1 м. Если частота колеба­ний удвоится, то длина волны умень­шится в два раза, поскольку теперь на том же расстоянии уложится уже 664 волны. Другими словами, длина волны равна скорости распростране­ния звука, деленной на его частоту. Хотя движение частиц воздуха при распространении звуковых волн про­исходит в продольном направлении, при их графическом изображении по горизонтальной оси откладывают расстояние, на которое распространя­ются волны, а величину смещения ча стиц воздуха (или изменение давле­ния) откладывают по вертикальной. Интенсивность, или сила звука, опре­деляется амплитудой давления звуко­вой волны. Но интенсивность, опреде­ляя переносимую звуковой волной энергию, не обязательно характеризу­ет громкость звука, поскольку гром­кость воспринимаемого звука зависит от чувствительности органов слуха к звукам различных частот. Макси­мальная чувствительность человечес­кого уха приходится на диапазон час­тот от 3 до 4 кГц. Поэтому при одина­ковой интенсивности громкость звука на частоте 1 кГц (или 6 кГц) будет меньше, чем на частоте 3,5 кГц.

(Некоторые певцы способны брать высокие ноты с такой силой звука, что могут вызвать вибрацию и разрушение предметов из стекла или хрусталя.)

Децибелы

Поскольку для характеристики вос­приятия звука важным является не абсолютное значение его интен­сивности, а отношение интенсивнос­ти воспринимаемого звука к некото­рой эталонной величине, то интен­сивность звуков измеряют в относи­тельных логарифмических едини­цах - децибелах (дБ). В качестве уровня сравнения выбирается интен­сивность едва слышимого звука (пороговая интенсивность). Логарифмический масштаб - не­линейный. При его использовании увеличение измеренной величины, например, на 3 дБ свидетельствует не о приращении ее на некоторую постоянную величину, а об удвоении интенсивности. Уровень в 140 дБ над порогом чувствительности равен болевому порогу: более громкие зву­ки вызывают болевые ощущения.

(Твердые поверх­ности хорошо отража­ют звук. Громкий крик в горах перед тем, как возвратиться к вам эхом, обычно многократно отра­жается от скал. Это объясняет, почему эхо слышно продолжительное время.)

Акустика

Наука о звуках называется акустикой. Одно из наиболее очевидных свойств звуковых волн - их способ­ность отражаться от твердых поверх­ностей. Если громко крикнуть, стоя на некотором расстоянии от крутого склона, то через некоторое время вы отчетливо услышите отраженный звук - эхо. Время, через которое слышно эхо, определяется расстоя­нием до отражающей поверхности.

(Синтезатор может создавать уникальные зву­ки или копировать звучание других музыкаль­ных инструментов. Играют на нем при помощи клавиатуры, напоминающей фортепьянную.)

Реверберация

Звук, отраженный стенами комнаты, проходит небольшое расстояние и достигает наших ушей так быстро, что его нельзя услышать как отдель­ный звук. Однако этот звук может отразиться от различных поверхно­стей несколько раз, особенно если эти поверхности твердые - как, на­пример, в ванной комнате. В таком случае отраженные звуки слышны через короткие промежутки време­ни. Твердые поверх­ности хорошо отража­ют звук. Громкий крик в горах перед тем, как возвратиться к вам эхом, обычно многократно отра­жается от скал. Это объясняет, почему эхо слышно продолжительное время. ни, они сливаются в нашем воспри­ятии в один, более продолжитель­ный, постепенно затухающий звук. Такое изменение звука называется реверберацией. Реверберация часто вызывает при­ятные для слуха эффекты. Небольшая реверберация улучшает восприятие голоса, поэтому многим людям нра­вится петь в ванной. В других случаях реверберация нежелательна. Напри­мер, если в учебной аудитории слишком велико время ревербера­ции, речь лектора звучит неразбор­чиво и трудно воспринимается. Вре­мя реверберации помещения зависит от количества поверхностей, хорошо отражающих звуки. Реверберацию уменьшают, используя звукопогло­щающие материалы.

(Процесс записи мож­но разделить на несколь­ко стадий. В данном слу­чае к записи добавляют партию бас-гитары и зву­ки ударной установки.)

Звукоизоляция

Большое значение придается акус­тическим характеристикам демон­страционных и концертных залов, радио- и телестудий, а также студий звукозаписи. Особенно важны они для звукозаписывающих студий. Прежде всего, необходимо обеспе­чить надежную звукоизоляцию по­мещений студии: в них не должны проникать никакие посторонние звуки. Как правило, это достигается при помощи двойных стен, которые хорошо ослабляют звуки, распрост­раняющиеся по воздуху. С внешни­ми стенами внутреннее помещение соединяют материалами, плохо проводящими звук, что предотвра­щает проникновение в студию шумов, создаваемых в других час­тях здания - таких, как звуки закры­ваемых дверей. Этой же цели служат двойные двери и двойное остекле­ние всех окон.

(Устройство, называемое генератором огибающей, определяет форму звуковых волн синтезатора.)

Звукозаписывающие студии

Некоторые студии используются для записи как музыки, так и разговорной речи. В одной части студии, предназ­наченной для записи музыки, уста­навливается много ровных твердых поверхностей, увеличивающих ре­верберацию, а в другой части все поверхности покрыты звукопоглоща­ющими материалами - такая акусти­ка хорошо подходит для записи речи. Кроме того, для изменения акустичес­ких характеристик стены студий по­крывают панелями, которые могут иметь как поглощающие, так и отра­жающие поверхности. Звукопоглоща­ющие экраны помогают ограничи­вать распространение звуков, не вли­яя на работу других микрофонов. Обычно хуже поглощаются звуки средних и низких частот. Для их ос­лабления в стенах студий создают специальные полости, а сами стены покрывают многослойными панеля­ми, предназначенными для поглоще­ния низких частот.

(Эффект Доплера прояв­ляется в повышении частоты звука самолета, слышимого по мере его приближения, и понижении частоты после того, как самолет пролетел.)

Звукозапись

Многие студии звукозаписи, работа­ющие с небольшими вокально-инст­рументальными ансамблями, спроек­тированы с чрезвычайно «сухой» аку­стикой. В обычном сеансе звукозапи­си каждый инструмент (бас-гитара, ритм-гитара и др.) записывается от­дельно. Во время записи музыканты надевают наушники, позволяющие им регулировать звучание своего ин­струмента относительно других. Если звуки, записанные на магнит­ную ленту, кажутся слишком «сухи­ми», то к основной записи добавляют различные акустические эффекты - например, реверберацию.