Теория звука и акустики понятным языком. Основные сведения из акустики

Акустика - учение о звуке. Звук - это субъективное восприятие упругих колебаний, распространяющихся в окружающей среде. Звуковые колебания характеризуются высотой, громкостью и тембром.

Высота звука (в музыке - тон) характеризуется частотой звуковых 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 20000 Гц.

Самый низкий тон рояля имеет частоту колебаний 27,5 Гц, а самые большие трубы органа издают звуки частотой примерно 16 Гц. Это самый низкий тон, который еще способен воспринимать человек. На нижней границе слухового восприятия трудно понять, слышим ли 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 психику человека, на его подсознание.

Если акустическая система радиоаппаратуры не в состоянии воспроизводить низкочастотные колебания с достаточной громкостью, то воспроизведение будет лишено естественности и реальности. Следует иметь в виду, что воспроизведение самых низких звуковых частот представляет серьезную техническую проблему и доступно лишь для очень дорогой аппаратуры. Звуки 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 исчезает окраска звука, без чего невозможно отличить звучание разных музыкальных инструментов. Частоты выше предела слышимости относятся к области ультразвуков.

Громкость звука - это субъективное ощущение органом слуха силы звука. Она определяется амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем сильнее звук. В электроакустике принято выражать звуковое давление логарифмическими единицами - децибелами (дБ).

Уровень шума в тихом читальном зале составляет 30 дБ, при обычной беседе - 50 дБ, громкость двигателя мотоцикла - 90, удара грома - 120 дБ, реактивный самолет - 140 дБ. Звук громкостью 120 дБ принят за порог болевого ощущения.

Тембр звучания или окраска звука определяется набором обертонов (призвуков) разной частоты и амплитуды, сопровождающих основной звук. Обертоны появляются вследствие резонанса отдельных деталей музыкального инструмента. Так одновременно с колебанием струны гитары колеблется дека, днище, обечайка, гриф, которые генерируют призвуки, отличные по частоте от основного тона. Совокупность этих колебаний формирует обертоновую структуру тембра. Тембр может быть ярким, звонким, тусклым, мягким и певучим. Благодаря тембру мы узнаем по звуку на слух название музыкального инструмента.

Различают звучание моно-, стерео- и квадрафоническое.

Монофоническое звучание характерно для одноканальной системы передачи звуковой информации через микрофон, усилитель и громкоговоритель. Недостатком 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 звуковая картина.

Стереофоническое звучание предполагает двухканальную систему распространения звуков. Для ее реализации нужны два микрофона, двухканальный усилитель и две колонки. Колонки располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Это расстояние называется стереобазой.

Стереофоническое звучание создает эффект присутствия. Слушатель может легко определить расположение отдельных источников звука, проследить за их перемещением по "фронту" слева направо и наоборот. Стереофоническое звучание не в состоянии передать полной звуковой картины, так как необходима еще ориентация в направлении "фронт-тыл".

Квадрафоническое звучание предполагает четырехканальную запись информации через четыре микрофона, расставленные вокруг источников звука, усиление через четырех-канальный усилитель и воспроизведение через четыре звуковые колонки, расставленные по углам комнаты. Квадрафоническое звучание создает эффект полного присутствия в центре звуковой картины.

Громкость - один из психологических параметров аудиального восприятия и характеризует тот аспект слухового ощущения, который опреде­ляется физической интенсивностью звука, или амплитудой звукового давления. Однако связь между громкостью звука и его интенсивностью достаточно сложна, к тому же громкость звука определяется не только его интенсивностью.

Результаты, полученные методом Стивенса (методом определения величины, см. главу 2), свидетельствуют о том, что между громкостью и физической интен­сивностью нет прямой зависимости: увеличение интенсивности вызывает меньшее, а не пропорциональное увеличение громкости. Иными словами, громкость растет медленнее, чем интенсивность. Чтобы привести в соответствие друг с другом эти два параметра, в качестве численной меры субъективной громкости была введена единица сон (от латинского слова sonus - звук.)

Субъективная шкала громкости. Единица шкалы громкости звука, выражаю­щая непосредственную субъективную оценку сравнительной громкости чистого тона, сон, была предложена Стивенсом и Дэвисом (Stevens & Davis, 1938). Один сон - это громкость тона с частотой 1000 Гц, уровень интенсивности которого равен 40 дБ УЗД. И сам сон, и связанные с ним параметры, характеризующие частоту звука и его интенсивность, были приняты в качестве стандарта громкости. Графи­чески связь между громкостью, выраженной в сонах, и интенсивностью в децибе­лах представлена на рис. 13.2.

Если посмотреть на рисунок, то можно увидеть, что при увеличе­нии интенсивности, отложенной на абсциссе в децибелах, на 10 дБ, громкость, от­ложенная на ординате в сонах, удваивается. Например, тон, интенсивность кото­рого равна 70 дБ, а уровень громкости - приблизительно 8 сонам, в два раза громче тона, интенсивность которого равна 60 дБ, а громкость - приблизительно 4 сонам.

В данном контексте заслуживает внимания и вторая особенность функции, гра­фически представленной на рис. 13.2: добавление 10 дБ приводит к почти трехкрат­ному увеличению интенсивности тона. Применительно к изменению громкости это означает, что двукратное увеличение громкости достигается трехкратным (или на 10 дБ) увеличением интенсивности. Следовательно, исходя из графика рис. 13.2 тон, соответствующий 50 дБ УЗД и имеющий громкость, равную приблизительно 2 сонам, в два раза громче (и в три раза интенсивнее) тона, соответствующего 40 дБ и имеющего громкость, равную 1 сону. Практические последствия этого явления таковы: при увеличении интенсивности тона от 40 до 50 дБ происходит значитель­ное увеличение его громкости. Короче говоря, добавление к тону 10 дБ утраивает его интенсивность и удваивает его громкость.

Громкость и частота

Зная только децибельный уровень звука, невозможно полностью охарактеризовать его громкость. Как уже отмечалось выше (рис. 13.2), громкость звука зависит не только от физической интенсивности, или амплитуды звукового давления, но и от частоты звука . Зависимость громкости от частоты становится очевидной, если по­пытаться подобрать интенсивности двух тонов с разными частотами таким обра­зом, чтобы они воспринимались как одинаково громкие. Если, выполнив эту за­дачу, сравнить интенсивности звуков, то окажется, что между ними существует значительная разница.

Контуры равной громкости. Используя методы психофизики, можно опреде­лить, при каких интенсивностях тоны с разными частотами будут восприниматься как одинаково громкие. Например, испытуемому предъявляют два тона, отличаю­щихся друг от друга и по частоте, и по интенсивности. Частота и интенсивность одного тона, называемого стандартным тоном , постоянны, а второй тон, называемый тоном сравнения, предъявляется с разными частотами и интенсивностями. Задача испытуемого - попеременно внимательно слушать стандартный тон и тон сравнения и подбирать интенсивность тона сравнения таким образом, чтобы его громкость соответствовала громкости стандартного гона. Иными словами, испы­туемый изменяет уровень интенсивности тона сравнения до тех пор, пока этот тон не сравняется по громкости со стандартным . После того как подобная процедура будет выполнена для многих тонов сравнения, полученные результаты могут быть представлены графически в виде кривых, описывающих интенсивности, при кото­рых громкость тонов разной частоты соответствует громкости стандартного тона. Эти кривые называются контурами равной громкости (а также изофоническими контурами , или - по имени авторов, которые первыми ввели их в научный обо­рот, кривыми Флетчера-Мансона). Все контуры равной громкости, представлен­ные на рис. 13.3, получены для стандартных тонов разной громкости именно так, как описано выше.

Частота, Гц Рис. 13.3. Контуры равной громкости. Самая нижняя кривая - 0 фонов - описывает зависимость абсолютной чувствительности уха от часто­ты. Тоны, интенсивности и частоты которых лежат ниже этой кривой, не слышны.

На рис. 13.3 уровень громкости выражен в фонах (от греческого phone - звук, голос) которые являются мерой громкости всех тонов, лежащих на данной кривой.. Все тоны, лежащие на одном и том же контуре равной громко­сти, звучат одинаково громко, и их громкость оценивается одинаковым числом фонов. Число фонов для данной кривой равно числу децибел стандартного тона с частотой 1000 Гц, громкость которого равна громкости всех тонов, лежащих на данной кривой. Количество фонов данного тона (независимо от его частоты) чис­ленно равно количеству децибел тона с частотой 1000 Гц, который звучит так же громко, как данный тон. В качестве примера рассмотрим кривую, отмеченную на рис. 13.3 цифрой 30. Любой звук, частота и интенсивность которого лежат на этой кривой, имеет такую же громкость, как и любой другой звук, лежащий на этой кри­вой, хотя частоты и интенсивности этих двух звуков и не равны между собой. Сле­довательно, громкость тонов с частотой 60, 300 и 6000 Гц и уровнем интенсивно­сти 65,40 и 35 дБ соответственно равна громкости тона с частотой 1000 Гц и уровнем интенсивности, равным 30 дБ (или в соответствии с приведенным выше определе­нием фона 30 фонам). А это значит, что тоны с частотой 60,300 и 6000 Гц и уров­нем интенсивности 65, 40 и 35 дБ соответственно имеют одинаковую громкость, уровень которой соответствует 30 фонам, и любой звук, частота и интенсивность которого укладываются на эту кривую (т.е. на кривую «30*), имеют громкость, уровень которой соответствует 30 фонам. (Важно не путать фон с соном, который описан в предыдущем подразделе. Фон используется исключительно в качестве удобного способа оценки уровня громкости любого тона относительно интенсив­ности равного ему по громкости тона сравнения с частотой 1000 Гц.)

Кривые, на рис. 13.3 отражают зависимость воспринимаемой громкости звука от его частоты и интенсивности и являются источниками важной информации о восприятии громкости, в частности о том, в какой мере громкость зависит от час­тоты . Во-первых, большинство кривых имеют волнообразный характер , что сви­детельствует о том, что громкость данного тона зависит от его частоты. Так и есть: тоны одинаковой интенсивности, но с разными частотами отличаются друг от дру­га по громкости. Влияние частоты на громкость наиболее отчетливо проявляется при средних и низких уровнях интенсивности (около 60 фонов и ниже); при высо­ких уровнях интенсивности (выше 60 фонов) частота практически не играет ника­кой роли в восприятии громкости: контуры равной громкости близки к прямым линиям. Это значит, что для громкости достаточно интенсивных тонов характерна определенная тенденция: она не зависит от частоты. При среднем и низком уров­нях интенсивности, тоны с частотами ниже 1000 Гц и выше 4000 Гц звучат менее громко, чем звуки той же самой интенсивности и с частотами в интервале от 1000 до 4000 Гц. Вогнутость соответствующих участков контуров равной громкости сви­детельствует о том, что для того, чтобы тоны с этими частотами имели ту же гром­кость, что и тоны, частоты которых соответствуют интервалу от 1000 до 4000 Гц, они должны быть более интенсивными. Степень вогнутости кривых свидетель­ствует также и о том, в какой мере низкие и высокие частоты нуждаются в допол­нительной интенсивности для того, чтобы громкость тонов поддерживалась на постоянном уровне.

Эта зависимость обнаруживается не только в лабораторных условиях при из­учении простых звуковых волн, но и в обычных житейских ситуациях. Так, если уровень интенсивности передаваемой по радио музыки низок, может создаться впечатление, что ей не хватает басовых звуков. Причина подобного явления за­ключается в том, что при низком уровне интенсивности чувствительность нашего слуха к низкочастотным звукам, воспринимаемым нами как басовые, понижается. Именно из-за этого многие стереоусилители имеют компенсирующий контур - специальное приспособление, предназначенное для прослушивания музыки при низких уровнях интенсивности, называемое тонкомпенсатором (некоторые уси­лители имеют кнопку, помеченную словом «тонкомпенсация»), которое усилива­ет низкие, а иногда и очень высокие частоты. Иными словами, вводя добавочное количество низких частот, контур тонкомпенсации тем самым восполняет пони­женную чувствительность нашего слуха к ним . Это необходимо, ибо при уменьше­нии громкости усилителя (употребление этого термина в данном контексте непра­вомочно) относительная громкость звуков разных частот изменяется по-разному (рис. 13.3).

Частота

Хотя восприятие звука - результат взаимодействия интенсивности и частоты, мно­гие аспекты восприятия частоты можно выделить и проанализировать отдельно. Человек с нормальным, или типичным, слухом воспринимает частоты в интервале от 20 до 20 ООО Гц. Звуки с частотой ниже 20 Гц вызывают ошушение вибрации, или «дрожи», а ощущение от звуков с частотой выше 20 ООО Гц можно сравнить с лег­кой щекоткой. Как мы уже отмечали выше (см. рис. 13.1 и 13.3), слуховой порог зависит и от интенсивности звука, и от его частоты, и человек может услышать лишь те звуки с очень высокими частотами, которые достаточно интенсивны.

Различение частоты

Вопрос о различении частот (т. е. вопрос о дифференциальном пороге) столь же уместен, как и вопрос о различении интенсивностей, и звучит так: каким должно быть минимальное изменение частоты (А/), чтобы наблюдатель зафиксировал его? Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что при средних интенсивностях звуков человек способен уловить разницу в частотах, равную 3 Гц (в интервале частот до 1000 Гц) (Harris, 1952). В интервале частот от 1000 до 10 000 Гц различимость постоянна: отношение Всбера для этого диапазона частот в широком интервале интенсивностей остается неизменным, а именно А/// при­близительно равно 0,004. Так, чтобы быть воспринятой, разница в частотах двух звуков с частотой, примерно равной 10000 Гц, должна быть равна 40 Гц (0,004 х х 10000 Гц-40 Гц). Это значит, что если частота продолжительного тона, равная 10000 Гц увеличится или уменьшится на 40 Гц и станет равна 10040 или 9960 Гц соответственно, то это изменение будет зафиксировано наблюдателем.

Важным фактором, от которого зависит определение минимально воспринима­емого изменения частоты (дифференциального порога, или порога различения, частоты), является уровень интенсивности воспринимаемых наблюдателем звуков. Уменьшение интенсивности стимула приводит к увеличению дифференциально­го порога (А/) частоты. Иными словами, чем тише звук, тем труднее определить, что он отличается от других звуков, близких к нему по частоте.

- (Diaphone) мощный аппарат для производства туманных сигналов на маяках; более сильный, чем сирена. Дает сильный звук низкого тона, переходящий в пронзительный замирающий звук, оканчивающийся хрюканием; дальность слышимости от 7 до 40 миль (в… … Морской словарь

Тон (лингвистика) - У этого термина существуют и другие значения, см. Тон. Тон в лингвистике использование высоты звука для смыслоразличения в рамках слов/морфем. Тон следует отличать от интонации, то есть изменения высоты тона на протяжении сравнительно большого… … Википедия

Семейство Полосатики (Balaenopteridae) - Их безошибочно определяют по многочисленным параллельным полосам складкам ца брюхе. В задней трети или четверти тела сидит спинной плавник. Голова относительно уплощенная, с низкой и широкой полостью рта, в которой помещается цедильный… … Биологическая энциклопедия

Имена существительные АПЛОДИСМЕ/НТЫ, ова/ция, рукоплеска/ния, хлопки/. Звуки, раздающиеся в процессе ударов ладонями одной об другую как знак одобрения, приветствия. ЗВОН, бла/говест, перезво/н, трезво/н. Звуки, возникающие при… … Словарь синонимов русского языка

Диафон - Диафон (др. греч. δϊα через + др. греч … Википедия

ЕВСТАХИЕВА TPFBA - ными дугами. У низших рыб эта первая щель открывается подобно следующим за ней жаберным щелям наружу особым отверстием брызгальцем, и в ней имеется еще рудиментарная жабра. У наземных позвоночных она всегда снаружи рано замыкается, и ее полость… … Большая медицинская энциклопедия

ВЫСОТА - (1) в геометрии а) плоской фигуры наибольший из перпендикуляров, опущенных из точек контура фигуры на её основание или его продолжение; б) пространственной фигуры наибольший из перпендикуляров, опущенных из граничных точек этой фигуры на… … Большая политехническая энциклопедия

Семейство Амбистомовые (Ambystomidae) - Сравнительно небольшое семейство амбистом включает 28 видов, относящихся к 5 родам хвостатых земноводных, распространенных только в Северной и Центральной Америке. Подавляющее большинство видов группируется в роде Ambystoma (21 вид),… … Биологическая энциклопедия

Какапо - ? Какапо Научная классификация … Википедия

"Голос моря" - инфразвуковые волны (частота около 10 Гц), возникающие над взволнованной поверхностью моря при сильном ветре в результате вихреобразования за гребнями волн. Распространяясь на большие расстояния от места возникновения, этот характерный звук может … Морской словарь

ухать - УХАТЬ1, несов. (сов. ухнуть). 1 и 2 л. не употр. Издавать (издать) характерные отрывистые, громкие и глухие горловые звуки, крики, передаваемые звукоподражанием «ух ух» (о сове, филине) . В лесной чаще темно, сыро и ухает … Большой толковый словарь русских глаголов

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но, кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это - громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости ) и наибольшая (порог болевого ощущения ) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение. На рисунке 1 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости . Наибольшее расстояние между кривыми приходится на частоты, к которым ухо наиболее чувствительно (1000-5000 Гц).

Если интенсивность звука - величина, объективно характеризующая волновой процесс, то субъективной характеристикой звука является громкость Громкость зависит от интенсивности звука, т.е. определяется квадратом амплитуды колебаний в звуковой волне и чувствительностью уха (физиологическими особенностями). Так как интенсивность звука , то чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Высота тона - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, с определенной частотой, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон . Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона , звуки низкой частоты - как звуки низкого тона . Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой . Так, например, тон "ля" первой октавы соответствует частоте 440 Гц, тон "ля" второй октавы - частоте 880 Гц.

Музыкальным звукам соответствуют звуки, издаваемые гармонически колеблющимся телом.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами . Если частоты обертонов кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой называется первой гармоникой , обертон со следующей частотой - второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

При одной высоте тона звуки, издаваемые, например, скрипкой и пианино, отличаются тембром .

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шумы - это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но. кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это - громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение. На рисунке 15.10 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости. Наибольшее расстояние между кривыми приходится на частоты, к которым ухо наиболее чувствительно (1000-5000 Гц). 

Если интенсивность звука - величина, объективно характеризующая волновой процесс, то субъективной характеристикой звука является громкость Громкость зависит от интенсивности звука, т.е. определяется квадратом амплитуды колебаний в звуковой волне и чувствительностью уха (физиологическими особенностями). Так как интенсивность звука \(~I \sim A^2,\) то чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Высота тона - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, с определенной частотой, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты - как звуки низкого тона. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Так, например, тон "ля" первой октавы соответствует частоте 440 Гц, тон "ля" второй октавы - частоте 880 Гц.

Музыкальным звукам соответствуют звуки, издаваемые гармонически колеблющимся телом.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте \(~\nu_0\) основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой \(~\nu_0\) называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой \(~2 \nu_0\) - второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

При одной высоте тона звуки, издаваемые, например, скрипкой и пианино, отличаются тембром.

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шумы - это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 431-432.