18 февруари 2016 г

Светът на домашните забавления е доста разнообразен и може да включва: гледане на филми на добра система за домашно кино; вълнуващ и вълнуващ геймплей или слушане на музика. По правило всеки намира нещо свое в тази област или комбинира всичко наведнъж. Но каквито и цели да си поставя човек за организиране на свободното си време и до каквито и крайности да стига, всички тези връзки са здраво свързани от едно просто и с ясна дума- "звук". Наистина, във всички горепосочени случаи ще бъдем водени за ръка чрез звук. Но този въпрос не е толкова прост и тривиален, особено в случаите, когато има желание да се постигне висококачествен звук в стая или други условия. За да направите това, не винаги е необходимо да купувате скъпи hi-fi или hi-end компоненти (въпреки че ще бъде много полезно), но доброто познаване е достатъчно физическа теория, което може да елиминира повечето от проблемите, които възникват за всеки, който се стреми да получи висококачествена гласова актьорска игра.

След това теорията на звука и акустиката ще бъде разгледана от гледна точка на физиката. IN в такъв случайЩе се опитам да направя това възможно най-достъпно за разбирането на всеки човек, който може би е далеч от познаването на физическите закони или формули, но въпреки това страстно мечтае да реализира мечтата за създаване на перфектна акустична система. Не се наемам да твърдя, че за да постигнете добри резултати в тази област у дома (или в колата например), трябва да познавате тези теории задълбочено, но разбирането на основите ще ви позволи да избегнете много глупави и абсурдни грешки , и също така ще ви позволи да постигнете максимален звуков ефект от системата на всяко ниво.

Обща теория на звука и музикална терминология

Какво е звук? Това е усещането, което слуховият орган възприема "ухо"(самото явление съществува без участието на „ухото“ в процеса, но това е по-лесно за разбиране), което се случва, когато тъпанчето се възбуди от звукова вълна. Ухото в този случай действа като „приемник“ звукови вълни различни честоти.
Звукова вълнапо същество това е последователна поредица от уплътнявания и изхвърляния на средата (най-често въздушната среда при нормални условия) с различна честота. Природата на звуковите вълни е осцилаторна, причинена и произведена от вибрациите на всяко тяло. Възникването и разпространението на класическа звукова вълна е възможно в три еластични среди: газообразна, течна и твърда. Когато звукова вълна възникне в един от тези видове пространство, неизбежно настъпват някои промени в самата среда, например промяна в плътността или налягането на въздуха, движение на частици въздушна маса и т.н.

Тъй като звуковата вълна има колебателен характер, тя има такава характеристика като честота. Честотаизмерено в херци (в чест на немския физик Хайнрих Рудолф Херц) и обозначава броя на трептенията за период от време, равен на една секунда. Тези. например честота от 20 Hz показва цикъл от 20 трептения за една секунда. Субективната представа за височината му също зависи от честотата на звука. Колкото повече звукови вибрации се появяват в секунда, толкова „по-висок“ изглежда звукът. Звуковата вълна има и друга важна характеристика, която има име - дължина на вълната. Дължина на вълнатаОбичайно е да се разглежда разстоянието, което звук с определена честота изминава за период, равен на една секунда. Например, дължината на вълната на най-ниския звук в чувания от човека обхват при 20 Hz е 16,5 метра, а дължината на вълната на най-високия звук при 20 000 Hz е 1,7 сантиметра.

Човешкото ухо е проектирано по такъв начин, че е в състояние да възприема вълни само в ограничен диапазон, приблизително 20 Hz - 20 000 Hz (в зависимост от характеристиките на конкретен човек, някои могат да чуят малко повече, други по-малко) . По този начин това не означава, че звуци под или над тези честоти не съществуват, те просто не се възприемат от човешкото ухо, излизайки извън чуваемия диапазон. Звук над чуваемия диапазон се нарича ултразвук, се извиква звук под чуваемия диапазон инфразвук. Някои животни могат да възприемат ултра и инфра звуци, някои дори използват този диапазон за ориентация в пространството (прилепи, делфини). Ако звукът преминава през среда, която не е в пряк контакт с човешкия слухов орган, тогава такъв звук може да не се чуе или да бъде силно отслабен впоследствие.

В музикалната терминология на звука има такива важни обозначения като октава, тон и обертон на звука. октаваозначава интервал, в който честотното съотношение между звуците е 1 към 2. Една октава обикновено се различава много на ухо, докато звуците в този интервал могат да бъдат много сходни един с друг. Октава може да се нарече и звук, който вибрира два пъти повече от друг звук за същия период от време. Например честотата от 800 Hz не е нищо повече от по-висока октава от 400 Hz, а честотата от 400 Hz на свой ред е следващата октава на звука с честота 200 Hz. Октавата от своя страна се състои от тонове и обертонове. Променливите вибрации в хармонична звукова вълна със същата честота се възприемат от човешкото ухо като музикален тон. трептения висока честотамогат да се интерпретират като високи звуци, нискочестотните вибрации като ниски звуци. Човешкото ухо е в състояние ясно да различи звуци с разлика от един тон (в диапазона до 4000 Hz). Въпреки това музиката използва изключително малък брой тонове. Това се обяснява от съображения за принципа на хармоничното съзвучие, всичко се основава на принципа на октавите.

Нека разгледаме теорията на музикалните тонове, използвайки примера на струна, опъната по определен начин. Такава струна, в зависимост от силата на опън, ще бъде „настроена“ на една определена честота. Когато тази струна е изложена на нещо с една специфична сила, което я кара да вибрира, един специфичен тон на звука ще бъде постоянно наблюдаван и ние ще чуем желаната честота на настройка. Този звук се нарича основен тон. Честотата на нотата "Ла" от първата октава е официално приета като основен тон в музикалното поле, равна на 440 Hz. Повечето музикални инструменти обаче никога не възпроизвеждат сами чисти основни тонове; те неизбежно са придружени от обертонове, т.нар. обертонове. Тук е уместно да си припомним важно определениемузикална акустика, понятието звуков тембър. Тембър- това е характеристика на музикалните звуци, която придава на музикалните инструменти и гласове тяхната уникална, разпознаваема специфичност на звука, дори когато се сравняват звуци с еднаква височина и сила. Тембърът на всеки музикален инструмент зависи от разпределението на звуковата енергия между обертоновете в момента на появата на звука.

Обертоновете формират специфично оцветяване на основния тон, по което лесно можем да идентифицираме и разпознаем конкретен инструмент, както и ясно да разграничим неговия звук от друг инструмент. Има два вида обертонове: хармонични и нехармонични. Хармонични обертоновепо дефиниция са кратни на основната честота. Напротив, ако обертоновете не са кратни и забележимо се отклоняват от стойностите, тогава те се наричат нехармонични. В музиката работата с множество обертонове е практически изключена, така че терминът се свежда до понятието „обертон“, което означава хармоничен. За някои инструменти, като пианото, основният тон дори няма време да се формира; за кратък период от време звуковата енергия на обертоновете се увеличава и след това също толкова бързо намалява. Много инструменти създават така наречения ефект на "преходен тон", при който енергията на определени обертонове е най-висока в определен момент от време, обикновено в самото начало, но след това се променя рязко и преминава към други обертонове. Честотният диапазон на всеки инструмент може да се разглежда отделно и обикновено е ограничен до основните честоти, които този конкретен инструмент може да произведе.

В теорията на звука има и такова понятие като ШУМ. Шум- това е всеки звук, който е създаден от комбинация от източници, които са несъвместими един с друг. Всеки е запознат със звука на люлеещите се от вятъра дървесни листа и т.н.

Какво определя силата на звука?Очевидно подобно явление зависи пряко от количеството енергия, пренесено от звуковата вълна. За да се определят количествените показатели на силата на звука, има понятие - интензивност на звука. Интензивност на звукасе определя като поток от енергия, преминаващ през някаква област от пространството (например cm2) за единица време (например за секунда). По време на нормален разговор интензитетът е приблизително 9 или 10 W/cm2. Човешкото ухо е способно да възприема звуци в доста широк диапазон на чувствителност, докато чувствителността на честотите е разнородна в рамките на звуковия спектър. По този начин най-добре се възприема честотният диапазон 1000 Hz - 4000 Hz, който обхваща най-широко човешката реч.

Тъй като звуците се различават толкова много по интензитет, е по-удобно да се мисли за тях като за логаритмична величина и да се измерва в децибели (след шотландския учен Александър Греъм Бел). Долен праг на чуване човешко ухое 0 dB, горната 120 dB, наричана още „праг на болка“. Горен лимитЧувствителността също не се възприема от човешкото ухо по същия начин, а зависи от конкретна честота. Нискочестотните звуци трябва да имат много по-голям интензитет от високочестотните звуци, за да задействат прага на болката. Например, прагът на болка при ниска честота от 31,5 Hz възниква при ниво на интензитет на звука от 135 dB, когато при честота от 2000 Hz усещането за болка ще се появи при 112 dB. Съществува и понятието звуково налягане, което всъщност разширява обичайното обяснение за разпространението на звукова вълна във въздуха. Звуково налягане- това е променливо свръхналягане, което възниква в еластична среда в резултат на преминаването на звукова вълна през нея.

Вълнова природа на звука

За да разберете по-добре системата за генериране на звукови вълни, представете си класически високоговорител, разположен в тръба, пълна с въздух. Ако високоговорителят направи рязко движение напред, въздухът в непосредствена близост до дифузора моментално се компресира. След това въздухът ще се разшири, като по този начин ще избута зоната на сгъстен въздух по тръбата.
Това вълново движение впоследствие ще стане звук, когато достигне слуховия орган и „възбуди“ тъпанче. Когато в газ се появи звукова вълна, се създава свръхналягане и излишна плътност и частиците се движат с постоянна скорост. За звуковите вълни е важно да запомните факта, че веществото не се движи заедно със звуковата вълна, а възниква само временно смущение на въздушните маси.

Ако си представите окачено бутало свободно пространствовърху пружина и извършване на повтарящи се движения „напред и назад“, тогава такива трептения ще се наричат ​​хармонични или синусоидални (ако си представим вълната под формата на графика, тогава в този случай ще получим най-чистата синусоида с повтарящи се спадове и издигания ). Ако си представим високоговорител в тръба (както в примера, описан по-горе), извършващ хармонични трептения, тогава в момента, в който говорителят се движи "напред", се получава добре познатият ефект на компресия на въздуха, а когато говорителят се движи "назад", се получава обратен ефект на разреждане. В този случай през тръбата ще се разпространи вълна от редуващо се компресиране и разреждане. Разстоянието по дължината на тръбата между съседни максимуми или минимуми (фази) ще бъде наречено дължина на вълната. Ако частиците трептят успоредно на посоката на разпространение на вълната, тогава вълната се нарича надлъжно. Ако те трептят перпендикулярно на посоката на разпространение, тогава вълната се нарича напречен. Обикновено звуковите вълни в газовете и течностите са надлъжни, но в твърдите тела могат да възникнат вълни и от двата вида. Напречните вълни в твърдите тела възникват поради устойчивост на промяна на формата. Основната разлика между тези два вида вълни е, че напречната вълна има свойството на поляризация (колебанията се появяват в определена равнина), докато надлъжната вълна няма.

Скорост на звука

Скоростта на звука зависи пряко от характеристиките на средата, в която се разпространява. Определя се (зависим) от две свойства на средата: еластичност и плътност на материала. Скоростта на звука в твърди тела директно зависи от вида на материала и неговите свойства. Скоростта в газообразни среди зависи само от един вид деформация на средата: компресия-разреждане. Промяната в налягането при звукова вълна става без топлообмен с околните частици и се нарича адиабатна.
Скоростта на звука в газа зависи главно от температурата - тя се увеличава с повишаване на температурата и намалява с понижаване на температурата. Също така, скоростта на звука в газова среда зависи от размера и масата на самите газови молекули - колкото по-малки са масата и размерът на частиците, толкова по-голяма е "проводимостта" на вълната и съответно скоростта.

В течни и твърди среди принципът на разпространение и скоростта на звука са подобни на това как вълната се разпространява във въздуха: чрез компресия-разряд. Но в тези среди, в допълнение към същата зависимост от температурата, плътността на средата и нейният състав/структура са доста важни. Колкото по-ниска е плътността на веществото, толкова по-висока е скоростта на звука и обратно. Зависимостта от състава на средата е по-сложна и се определя във всеки конкретен случай, като се отчита разположението и взаимодействието на молекулите/атомите.

Скорост на звука във въздуха при t, °C 20: 343 m/s
Скорост на звука в дестилирана вода при t, °C 20: 1481 m/s
Скорост на звука в стомана при t, °C 20: 5000 m/s

Стоящи вълни и смущения

Когато високоговорителят създава звукови вълни в затворено пространство, неизбежно възниква ефектът на вълните, които се отразяват от границите. В резултат на това най-често се случва това ефект на смущение- когато две или повече звукови вълни се наслагват една върху друга. Специални случаи на интерференционни явления са образуването на: 1) биещи вълни или 2) стоящи вълни. Удари на вълни- това е случаят, когато се получава добавяне на вълни със сходни честоти и амплитуди. Картината на появата на удари: когато две вълни с подобни честоти се припокриват. В даден момент от времето, с такова припокриване, пиковете на амплитудата може да съвпаднат „във фаза“, а пониженията могат също да съвпаднат в „антифаза“. Така се характеризират звуковите удари. Важно е да запомните, че за разлика от стоящите вълни, фазовите съвпадения на пиковете не се случват постоянно, а на определени интервали от време. За ухото този модел на удари се различава доста ясно и се чува съответно като периодично увеличаване и намаляване на звука. Механизмът, по който възниква този ефект, е изключително прост: когато пиковете съвпадат, обемът се увеличава, а когато долините съвпадат, обемът намалява.

Стоящи вълнивъзникват в случай на наслагване на две вълни с еднаква амплитуда, фаза и честота, когато при „срещането“ на такива вълни едната се движи в права посока, а другата в обратна посока. В областта на пространството (където се е образувала стоящата вълна) се появява картина на наслагването на две честотни амплитуди с редуващи се максимуми (така наречените антиноди) и минимуми (така наречените възли). При възникването на това явление изключително важни са честотата, фазата и коефициентът на затихване на вълната в мястото на отражение. За разлика от пътуващите вълни, при стоящата вълна няма трансфер на енергия поради факта, че предната и обратната вълна, които образуват тази вълна, пренасят енергия в равни количества както в предната, така и в противоположната посока. За да разберем ясно появата на стояща вълна, нека си представим пример от домашната акустика. Да кажем, че имаме стоящи на пода високоговорителни системи в някакво ограничено пространство (стая). Като ги накараме да свирят нещо с много баси, нека се опитаме да променим местоположението на слушателя в стаята. Така слушател, който се намира в зоната на минимум (изваждане) на стояща вълна, ще почувства ефекта, че има много малко баси, а ако слушателят се окаже в зона на максимум (добавяне) на честоти, тогава обратното се получава ефект на значително увеличение на басовата област. В този случай ефектът се наблюдава във всички октави на основната честота. Например, ако базовата честота е 440 Hz, тогава явлението „събиране“ или „изваждане“ ще се наблюдава и при честоти от 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz и т.н.

Резонансно явление

Повечето твърди вещества имат естествена резонансна честота. Доста лесно е да разберете този ефект, като използвате примера на обикновена тръба, отворена само в единия край. Нека си представим ситуация, при която към другия край на тръбата е свързан високоговорител, който може да възпроизвежда една постоянна честота, която също може да бъде променена по-късно. И така, тръбата има естествена резонансна честота, да речем на прост език- това е честотата, на която тръбата "резонира" или излъчва своите собствен звук. Ако честотата на високоговорителя (в резултат на настройка) съвпада с резонансната честота на тръбата, тогава ще се получи ефектът от увеличаване на силата на звука няколко пъти. Това се случва, защото високоговорителят възбужда вибрации на въздушния стълб в тръбата със значителна амплитуда, докато се намери същата „резонансна честота“ и се появи ефектът на добавяне. Полученият феномен може да се опише по следния начин: тръбата в този пример „помага“ на високоговорителя, като резонира на определена честота, техните усилия се сумират и „резултират“ в звуков силен ефект. Използвайки примера на музикалните инструменти, това явление може лесно да се види, тъй като дизайнът на повечето инструменти съдържа елементи, наречени резонатори. Не е трудно да се познае какво служи за подобряване на определена честота или музикален тон. Например: тяло на китара с резонатор под формата на дупка, свързваща се с обема; Дизайнът на тръбата на флейтата (и всички тръби като цяло); Цилиндричната форма на тялото на барабана, която сама по себе си е резонатор с определена честота.

Честотен спектър на звука и честотна характеристика

Тъй като на практика практически няма вълни с еднаква честота, става необходимо да се разложи целият звуков спектър на звуковия диапазон на обертонове или хармоници. За тези цели има графики, които показват зависимостта на относителната енергия на звуковите вибрации от честотата. Тази графика се нарича графика на звуковия честотен спектър. Честотен спектър на звукаИма два вида: дискретни и непрекъснати. Дискретна диаграма на спектъра показва отделни честоти, разделени с празни интервали. Непрекъснатият спектър съдържа всички звукови честоти наведнъж.
В случай на музика или акустика най-често се използва обичайната графика Амплитудно-честотни характеристики(съкратено като "AFC"). Тази графика показва зависимостта на амплитудата на звуковите вибрации от честотата в целия честотен спектър (20 Hz - 20 kHz). Разглеждайки такава графика, е лесно да разберете например силните или слабите страни на конкретен високоговорител или акустична система като цяло, най-силните области на изходна енергия, спадове и покачвания на честотата, затихване, а също и да проследите стръмността на упадъка.

Разпространение на звукови вълни, фаза и противофаза

Процесът на разпространение на звуковите вълни се извършва във всички посоки от източника. Най-простият пример за разбиране на това явление е камъче, хвърлено във вода.
От мястото, където е паднал камъкът, вълните започват да се разпространяват по повърхността на водата във всички посоки. Но нека си представим ситуация, използваща високоговорител с определен обем, да речем затворена кутия, която е свързана към усилвател и възпроизвежда някакъв музикален сигнал. Лесно е да забележите (особено ако подадете мощен нискочестотен сигнал, например бас барабан), че високоговорителят прави бързо движение „напред“ и след това същото бързо движение „назад“. Това, което остава да разберем е, че когато високоговорителят се движи напред, той излъчва звукова вълна, която чуваме по-късно. Но какво се случва, когато високоговорителят се движи назад? И парадоксално се случва същото, високоговорителят издава същия звук, само че в нашия пример той се разпространява изцяло в обема на кутията, без да излиза извън нейните граници (кутията е затворена). Като цяло в горния пример могат да се наблюдават доста интересни физически явления, най-значимото от които е понятието фаза.

Звуковата вълна, която говорителят, намирайки се в силата на звука, излъчва по посока на слушателя, е „във фаза“. Обратната вълна, която отива в обема на кутията, ще бъде съответно противофазна. Остава само да разберем какво означават тези понятия? Фаза на сигнала– това е нивото на звуково налягане в текущия момент от времето в дадена точка от пространството. Най-лесният начин да разберете фазата е чрез примера за възпроизвеждане на музикален материал от конвенционална стерео двойка домашни високоговорители, стояща на пода. Да си представим, че две такива подови колони са монтирани в дадена стая и свирят. В този случай и двете акустични системи възпроизвеждат синхронен сигнал с променливо звуково налягане и звуковото налягане на единия високоговорител се добавя към звуковото налягане на другия високоговорител. Подобен ефект възниква поради синхронността на възпроизвеждането на сигнала от левия и десния високоговорител, съответно, с други думи, върховете и спадовете на вълните, излъчвани от левия и десния високоговорител, съвпадат.

Сега нека си представим, че звуковото налягане все още се променя по същия начин (не е претърпяло промени), но само сега те са противоположни едно на друго. Това може да се случи, ако свържете една система от две високоговорители с обратна полярност (кабел "+" от усилвателя към клемата "-" на системата от високоговорители и кабел "-" от усилвателя към клемата "+" на система от високоговорители). В този случай противоположният сигнал ще предизвика разлика в налягането, която може да бъде представена в числа, както следва: левият високоговорител ще създаде налягане от „1 Pa“, а десният високоговорител ще създаде налягане от „минус 1 Pa“. В резултат на това общата сила на звука в местоположението на слушателя ще бъде нула. Това явление се нарича антифаза. Ако разгледаме примера по-подробно за разбиране, се оказва, че два високоговорителя, свирещи „във фаза“, създават идентични зони на уплътняване и разреждане на въздуха, като по този начин всъщност си помагат взаимно. В случай на идеализирана противофаза, областта на сгъстеното въздушно пространство, създадено от един високоговорител, ще бъде придружено от зона на разредено въздушно пространство, създадено от втория високоговорител. Това изглежда приблизително като феномена на взаимно синхронно отмяна на вълните. Вярно е, че на практика силата на звука не пада до нула и ще чуем силно изкривен и отслабен звук.

Най-достъпно това явление може да се опише по следния начин: два сигнала с еднакви трептения (честота), но изместени във времето. С оглед на това е по-удобно да си представим тези явления на изместване, като използваме примера на обикновен кръгъл часовник. Нека си представим, че на стената висят няколко еднакви кръгли часовника. Когато секундните стрелки на този часовник вървят синхронно, на единия часовник 30 секунди, а на другия 30, тогава това е пример за сигнал, който е във фаза. Ако секундните стрелки се движат с изместване, но скоростта е все същата, например на един часовник е 30 секунди, а на друг е 24 секунди, тогава това е класически пример за фазово изместване. По същия начин фазата се измерва в градуси във виртуален кръг. В този случай, когато сигналите са изместени един спрямо друг на 180 градуса (половин период), се получава класическа антифаза. Често в практиката се получават незначителни фазови отмествания, които също могат да бъдат определени в градуси и успешно елиминирани.

Вълните биват плоски и сферични. Плоският вълнов фронт се разпространява само в една посока и рядко се среща в практиката. Сферичният вълнов фронт е прост тип вълна, която произхожда от една точка и се движи във всички посоки. Звуковите вълни имат свойството дифракция, т.е. способност за заобикаляне на препятствия и предмети. Степента на огъване зависи от съотношението на дължината на звуковата вълна към размера на препятствието или дупката. Дифракция възниква и когато има някакво препятствие по пътя на звука. В този случай са възможни два сценария: 1) Ако размерът на препятствието е много по-голям от дължината на вълната, тогава звукът се отразява или поглъща (в зависимост от степента на абсорбиране на материала, дебелината на препятствието и т.н.). ), а зад препятствието се образува зона на „акустична сянка“. 2) Ако размерът на препятствието е сравним с дължината на вълната или дори по-малък от нея, тогава звукът се дифрагира до известна степен във всички посоки. Ако звукова вълна, докато се движи в една среда, удари интерфейса с друга среда (например въздушна среда с твърда среда), тогава могат да възникнат три сценария: 1) вълната ще се отрази от границата 2) вълната може да премине в друга среда без промяна на посоката 3) вълна може да премине в друга среда с промяна на посоката на границата, това се нарича „пречупване на вълната“.

Съотношението на свръхналягането на звуковата вълна към вибрационната обемна скоростнаречен вълнов импеданс. С прости думи, вълнов импеданс на средатаможе да се нарече способност за абсорбиране на звукови вълни или „устояване“ на тях. Коефициентите на отражение и предаване пряко зависят от съотношението на вълновите импеданси на двете среди. Вълновото съпротивление в газообразна среда е много по-ниско, отколкото във вода или твърди вещества. Следователно, ако звукова вълна във въздуха удари твърд обект или повърхността на дълбока вода, звукът или се отразява от повърхността, или се абсорбира до голяма степен. Това зависи от дебелината на повърхността (вода или твърдо вещество), върху която пада желаната звукова вълна. Когато дебелината на твърда или течна среда е малка, звуковите вълни почти напълно "преминават" и обратно, когато дебелината на средата е голяма, вълните се отразяват по-често. В случай на отражение на звукови вълни, този процес се извършва съгласно добре познатия физичен закон: „Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение“. В този случай, когато вълна от среда с по-ниска плътност удари границата със среда с по-висока плътност, възниква явлението пречупване. Състои се в огъване (пречупване) на звукова вълна след „срещане“ на препятствие и задължително е придружено от промяна на скоростта. Пречупването зависи и от температурата на средата, в която се получава отражението.

В процеса на разпространение на звуковите вълни в пространството, тяхната интензивност неизбежно намалява, можем да кажем, че вълните затихват и звукът отслабва. На практика да се сблъскате с подобен ефект е доста лесно: например, ако двама души застанат в поле на някакво близко разстояние (метър или по-близо) и започнат да си говорят нещо. Ако впоследствие увеличите разстоянието между хората (ако те започнат да се отдалечават един от друг), същото ниво на силата на звука на разговора ще става все по-слабо чуваемо. Този пример ясно демонстрира феномена на намаляване на интензитета на звуковите вълни. Защо се случва това? Причината за това са различни процеси на топлообмен, молекулярно взаимодействие и вътрешно триене на звуковите вълни. Най-често в практиката звуковата енергия се преобразува в топлинна. Такива процеси неизбежно възникват във всяка от 3-те среди за разпространение на звука и могат да бъдат характеризирани като абсорбция на звукови вълни.

Интензитетът и степента на поглъщане на звуковите вълни зависи от много фактори, като налягане и температура на средата. Абсорбцията също зависи от конкретната звукова честота. Когато звукова вълна се разпространява през течности или газове, възниква ефект на триене между различни частици, който се нарича вискозитет. В резултат на това триене на молекулярно ниво възниква процесът на преобразуване на вълна от звук в топлина. С други думи, колкото по-висока е топлопроводимостта на средата, толкова по-ниска е степента на поглъщане на вълната. Звукопоглъщането в газообразни среди също зависи от налягането (атмосферното налягане се променя с увеличаване на надморската височина спрямо морското равнище). Що се отнася до зависимостта на степента на абсорбция от честотата на звука, като се вземат предвид гореспоменатите зависимости на вискозитета и топлопроводимостта, колкото по-висока е честотата на звука, толкова по-висока е абсорбцията на звука. Например, когато нормална температураи налягане, във въздуха поглъщането на вълна с честота 5000 Hz е 3 dB/km, а поглъщането на вълна с честота 50 000 Hz ще бъде 300 dB/m.

В твърди среди всички горепосочени зависимости (топлопроводимост и вискозитет) се запазват, но към това се добавят още няколко условия. Те са свързани с молекулярната структура на твърдите материали, която може да бъде различна, със собствени нехомогенности. В зависимост от тази вътрешна твърда молекулярна структура, поглъщането на звуковите вълни в този случай може да бъде различно и зависи от вида на конкретния материал. При преминаване на звука през твърдо тяло, вълната претърпява редица трансформации и изкривявания, което най-често води до разсейване и поглъщане на звуковата енергия. На молекулярно ниво може да възникне ефект на дислокация, когато звукова вълна причини изместване на атомни равнини, които след това се връщат в първоначалното си положение. Или движението на дислокации води до сблъсък с перпендикулярни на тях дислокации или дефекти в кристалната структура, което причинява тяхното инхибиране и, като следствие, известно поглъщане на звуковата вълна. Звуковата вълна обаче може също да резонира с тези дефекти, което ще доведе до изкривяване на оригиналната вълна. Енергията на звукова вълна в момента на взаимодействие с елементи молекулярна структураматериалът се разсейва в резултат на процеси на вътрешно триене.

В тази статия ще се опитам да анализирам характеристиките на човешкото слухово възприятие и някои от тънкостите и характеристиките на разпространението на звука.

Първо, нека погледнем в речника и да потърсим дефинициите на тези думи.

Звук- всичко, което ухото чуе, което достига до ухото. Или по-всеобхватно, това, което се чува, се възприема от ухото: физическо явление, причинено от осцилаторните движения на частици въздух или друга среда. Звукът в широк смисъл е осцилаторно движение на частици от еластична среда, разпространяващи се под формата на вълни в газообразни, течни или твърди среди.

Шум- това са звуци, обединени в несъгласен (обикновено силен) звук. Или, по-подробно, случайни трептения от различна физическа природа, характеризиращи се със сложността на тяхната времева и спектрална структура.

Вибрация— механични вибрации на еластично тяло; треперене. Думата идва от латински " Вибрация- колебание, треперене.

Изучаването на звуците е наука, наречена АКУСТИКА. Акустиката е една от областите на физиката (механиката), която изучава еластични вибрации и вълни от най-ниските (условно от 0 Hz) до високите честоти.

Човешкото ухо възприема определен диапазон от вибрации – обикновено от 16 преди 20 000 вибрации в секунда. Едно трептене в секунда се нарича Херц и е съкратено Hz. Трептенията с по-високи честоти се наричат ​​ултразвук, докато вибрациите с по-ниски честоти се наричат ​​инфразвук.

Звукови характеристики:
дължина на вълната (период, T) и амплитуда (A)

Тъй като звукът е вълна, той се характеризира с две основни величини: дължина на вълната (период на трептене) и амплитуда. Амплитудата е максималната стойност на изместване или промяна на променлива от средната стойност по време на колебателно или вълново движение. Реципрочната стойност на периода се нарича честота (Hz). Самият звук се характеризира и със скоростта на разпространение, която зависи от средата, в която се разпространява еластичната вибрация. Например:

скорост на звука във въздуха = 331 m/s(при температура 0 °C и налягане 101325 Pa);

скорост на звука в чиста вода = 1348 m/s;

скорост на звука в солена вода = 1532,3 m/s(при температура 24°C, соленост 35 ppm и нулева дълбочина).

Връзка между чуваемостта на звука и налягането,
честота и обем

Както вече казахме, човек може идеално да възприема звук с честота от 16 до 20 000 Hz. Самата честота на звука обаче не ни дава възможност да преценим доколко той е безопасен за хората. Честотата на даден звук показва теоретичната възможност да чуем такъв звук, но дали ще го чуем практически или не зависи от амплитудата. Логаритъмът на амплитудата се измерва в децибели (dB). Децибелът е относителна стойност, показваща колко се е увеличил или намалил силата на звука.

Силата на звука е видимата интензивност на звука, измерена в децибели. Зависимостта на силата на звука от нивото на звуковото налягане (и интензитета на звука) е чисто нелинейна крива, има логаритмичен характер. Когато нивото на звуковото налягане се увеличи с 10 dB, силата на звука ще се увеличи 2 пъти.

С какви нива на сила на звука се сблъскваме вие ​​и аз в живота си?

Звук	Сила на звука, dB
Тишина (специална камера)
Тих шепот, тиктакащ часовник
Шумоленето на листата, тиктакането на часовника, нормата за жилищни помещения
Селски район далеч от пътища, библиотека
Тих жилищен район, парк, тих разговор
Разговор със среден обем, тиха улица, тих офис
Нормален разговор на 1м, норма за офиси
Натоварена улица, тел
Силен будилник, шум от камион или мотоциклет
Силен писък, ударен чук, товарен вагон на разстояние 7м
Влак на метрото, сешоар, ковачница, много шумна фабрика
Рок музика, писъци на дете, хеликоптер, трактор на разстояние 1м
Праг на болка, близки тътнежи на гръмотевици, вувузела на разстояние 1 м
Нараняване вътрешно ухо, максимална сила на звука на рок концерт
Контузия, наранявания, възможно спукване на тъпанчето
Шок, травма, спукано тъпанче
Възможно разкъсване на белия дроб, възможна смърт
Макс. налягане на въздушната ударна вълна по време на експлозия на тринитротолуен
Максимално налягане на въздушна ударна вълна по време на ядрен взрив
Налягане в ядрен зарядв момента на ядрена експлозия

Шумовете в нашите домове (жилищни помещения) могат да възникнат от различни причини. В зависимост от източника на шума те се делят на ударни, въздушни, структурни и акустични.

Видове шум (звуци):

Ударен шумвъзниква, когато структурата на стаята се удари и получените вибрации се предават на стените или таваните. При удар в пода се получава ударен шум тежки предмети, движещи се мебели, шум от стъпки, блъскане по стената. Звуковите вибрации могат да се разпространят доста далеч по конструкциите, т.к те се предават на всички съседни стени, тавани и подове.

Въздушен шумсе разпространява във въздуха, но стените и таваните не абсорбират достатъчно добре въздушните звукови вибрации. Способността за поглъщане на звуци от стени и тавани зависи от материала, от който са направени. Колкото по-масивни са преградите, толкова по-голям звукоизолиращ ефект имат. На закрито шумът във въздуха най-често идва от силни гласове, силна музика и лай на кучета.

Структурен шумвъзниква, когато вибрациите се предават от тръби, вентилационни шахти и други комуникационни елементи. Някои комуникационни елементи могат да предават звуци на големи разстояния. Известно е, че тропането на радиатори се чува от много съседи.

Акустичен шумнай-често се среща в необзаведени стаи и се проявява под формата на ехо.

В резултат на взаимодействието на вятъра с различни структури, ако скоростите на потока са много високи и напречните размери на телата в потока са малки, се образуват ултразвукови вибрации, а ако скоростите на потока са малки и напречните размери са големи , се образуват инфразвуци. Например, когато тече около стволове на дървета, телеграфни стълбове, метални ферми, корабен такелаж, последните ще излъчват инфразвуци.

Действащият SanPiN 2.1.2.2801-10 „Изменения и допълнения № 1 към SanPiN 2.1.2.2645-10 „Санитарни и епидемиологични изисквания за условията на живот в жилищни сгради и помещения“ предвижда следните стандарти за жилищни помещения:

Допустими нива на шум в жилищни помещения

Име на помещения, територии	Часове от деня	Нива на звуково налягане, dB, в октавни честоти със средни геометрични честоти, Hz
Всекидневни на апартаменти	7 - 23 ч.
	23 - 7 часа
Територии в непосредствена близост до жилищни сгради	7 - 23 ч.
	23 - 7 часа

Допустими нива на инфразвук в жилищни помещения

Когато правите музика, може да бъде много полезно да разберете като цяло какво е звук и как звукът се записва на компютър. Имайки такива знания, става много по-лесно да разберете какво е например компресията или как се получава изрязването. В музиката, както в почти всеки бизнес, познаването на основите улеснява напредъка.

Какво е звук?

Звукът е физически вибрации на среда, които се разпространяват под формата на вълни. Ние улавяме тези вибрации и ги възприемаме като звук. Ако се опитаме да изобразим графично звукова вълна, ще получим, изненадващо, вълна.

Синусоида

По-горе е синусоида, типът звук, който може да чуете от аналогови синтезатори или от стационарен телефон, ако все още използвате такъв. Между другото, телефонът звучи, говорейки на технически, а не на музикален език.

Звукът има три важни характеристики, а именно: обем, височина и тембър. субективни усещания, но те имат своето отражение във физическия свят във формата физични свойствазвукова вълна.

Амплитуда

Това, което възприемаме като сила на звука, е силата на вибрациите или нивото на звуковото налягане, което се измерва в (dB).

Графично представени от вълни с различна височина:

Колкото по-висока е амплитудата (височината на вълната на графиката), толкова по-силен се възприема звукът и обратното, колкото по-ниска е амплитудата, толкова по-тих е звукът. Разбира се, възприемането на силата на звука също се влияе от честотата на звука, но това са характеристики на нашето възприятие.

Примери за различни обеми, в децибели:

Звук	Сила на звука (dB)	Ефект
Селски район далеч от пътища	25 dB	Почти не се чува
Шепнеш	30 dB	Много тих
Офис в работно време	50-60 dB	Нивото на шума остава комфортно до 60 dB
Прахосмукачка, сешоар	70 dB	Досадно; затруднява разговора по телефона
Кухненски робот, блендер	85-90 dB	Започвайки от сила на звука от 85 dB при продължително (8 часа) слушане, започва увреждане на слуха
Камион, бетонобъркачка, вагон на метрото	95-100 dB	За звуци между 90 и 100 dB се препоръчва излагане на незащитено ухо за не повече от 15 минути.
Моторен трион, ударен чук	110 dB	Редовното излагане на звуци, по-силни от 110 dB за повече от 1 минута, крие риск от трайна загуба на слуха
Рок концерт	110-140 dB	Прагът на болката започва около 125 dB

Честота

Когато казваме, че даден звук е „по-висок“ или „нисък“, разбираме какво имаме предвид, но графично той се показва не по височина, а по разстояние и честота:

Височината на нотата (звука) е честотата на звукова вълна.

Колкото по-малко е разстоянието между звуковите вълни, толкова по-висока е честотата на звука или просто толкова по-висок е звукът.

Мисля, че всеки знае, че човешкото ухо е в състояние да възприема звуци с честота от приблизително 20 Hz до 20 kHz (в изключителни случаи - от 16 Hz до 22 kHz), а музикалните звуци са в диапазона от 16,352 Hz („преди“ subcontractave) до 7,902 kHz („B“ от петата октава).

Тембър

И последната важна характеристика за нас е тембърът на звука. На думи така се „оцветява“ звукът, а графично изглежда като друга сложност, сложността на звуковата вълна. Ето, например, графично представяне на звуковите вълни на цигулка и пиано:

Звуков тембър - сложност (комплексност) на звукова вълна

Синусоидите са по-сложни, нали?

Има няколко начина за запис на звук: нотиране, аналогов запис и цифров запис.

Нотни записи- това са просто данни за честотата, продължителността и силата на звуците, които трябва да бъдат възпроизведени на инструмент. В компютърния свят има аналог - MIDI данни. Но разглеждането на този въпрос е извън обхвата на тази статия, ще го разгледаме подробно друг път.

Аналогов запис- по същество записва физическите вибрации, каквито са на всеки носител: винилова плоча или магнитна лента. Любителите на топъл лампов звук трябва незабавно да започнат да отделят обилна слюнка, но ние не сме от тези хора и аналоговите устройства имат силни грешки и фундаментални ограничения, това въвежда изкривяване и влошава качеството на записа, а физическият носител се износва с течение на времето, което допълнително намалява качеството на фонограмата, така че аналоговият запис вече е нещо от миналото.

Цифров аудио запис- технология, която даде възможност на всеки да се пробва като звуков инженер или продуцент. И така, как работи? В края на краищата компютърът може да записва само числа и по-точно само нули и единици, в които са кодирани други цифри, букви и изображения. Как да запишете такива сложни данни като звука в числа?

Решението е съвсем просто - нарежете звуковата вълна на малки части, тоест преобразувайте непрекъсната функция (звукова вълна) в дискретна. Този процес се нарича вземане на проби, не от думата “кретин”, а от думата “дискретност” (лат. discretus - разделен, непостоянен). Всяко такова малко парче от звукова вълна вече е много лесно да се опише в числа (нивото на сигнала в определен момент от времето), което се случва при цифровия запис. Този процес се нарича аналогово-цифрово преобразуване(аналогово-цифрово преобразуване), а преобразуващото устройство (чип), съответно, е аналогово-цифров преобразувател (аналогово-цифров преобразувател) или ADC (ADC).

Ето пример за клип със звукова вълна от почти пет милисекунди от чинел за каране:

Виждате ли как всичко е съставено от карамфил? Това са дискретни малки парчета, на които се нарязва звуковата вълна, но при желание през тези зъбци-колони може да се начертае непрекъсната извита линия, която ще бъде оригиналната звукова вълна. По време на възпроизвеждане това се случва в устройство (също микросхема), наречено цифрово-аналогов преобразувател или DAC. ADC и DAC са основните части на аудио интерфейс и неговото качество и възможности зависят от тяхното качество.

Честота на семплиране и битова дълбочина

Сигурно вече съм уморил и най-упоритите читатели, но не се отчайвайте, това е частта от статията, заради която е започната.

Процесът на преобразуване на аналогов сигнал в цифров сигнал (и обратно) има две важни свойства - честота на дискретизация (известна също като честота на дискретизация или честота на дискретизация) и дълбочина на дискретизация (битова дълбочина).

Честота на вземане на проби- това е честотата, при която звуковият сигнал се нарязва на части (семплове). Не повтаряйте грешката ми: честотата на дискретизация е свързана с честотата на звука самочрез теоремата на Котелников, която казва: за да се възстанови еднозначно оригиналния сигнал, честотата на дискретизация трябва да бъде повече от два пъти най-високата честота в спектъра на сигнала. По този начин честотата на семплиране от 44,1 kHz се използва при запис на компактдискове и музикални корици
чуваем от човека честотен диапазон.

Битова дълбочинае дълбочината на дискретизация, измерена в битове, т.е. това е броят битове, използвани за запис на амплитудата на сигнала. При запис на CD се използват 16 бита, което е достатъчно за 96 dB, тоест можем да запишем звук, при който разликата между най-тихата и най-силната част е 96 dB, което почти винаги е достатъчно за запис на всякаква музика. Когато записват в студиа, те обикновено използват 24-битова битова дълбочина, което дава динамичен обхват от 144 dB, но тъй като 99% от устройствата, които възпроизвеждат звук (касетофони, плейъри, звукови карти, които идват с компютър), могат да обработват само 16 -битов звук, при рендиране все пак ще трябва да се загубят 48 dB (144 минус 96) от динамичния обхват при използване на 16-битова резолюция.

И накрая, нека изчислим битрейта на музика на аудио компактдиск:
16 бита x 44 100 проби в секунда x 2 канала = 1 411 200 bps = 1 411,2 kbps.

Така една секунда запис на аудио компактдиск заема 172 килобайта или 0,168 мегабайта.

Това е всичко, което исках да ви кажа за записа на звук на компютър.
Е, или почти всичко.

Последният раздел е за хардкор читатели.

Трептене

При рендиране на проекти в звукови редактори, когато изберете 44 100 kHz 16 бита формат, понякога се появява квадратчето за отметка Dither. Какво е?
Това е смесването на псевдослучаен сигнал. Малко вероятно е тази формулировка да ви накара да се почувствате по-добре, но сега ще ви обясня.

По време на аналогово-цифровото преобразуване амплитудата се закръгля. Тоест, с 16-битова дълбочина на семплиране имаме 2 16 = 65 536 налични възможни вариантиамплитудно ниво. Но ако амплитудата на звука в една от пробите се окаже равна на 34 цели и 478 хилядни, тогава ще трябва да я закръглим до 34.

За малки нива на амплитуда на входния сигнал, такова закръгляване носи Отрицателни последиципод формата на изкривявания, срещу които се бори трептене.

Това вече е сигурно. Благодаря ви, че прочетохте!

Не забравяйте да напишете коментар и да кликнете върху красивите бутони на социалните медии в долната част на статията.

Звук (звукова вълна ) –това е еластична вълна, възприемана от слуховия орган на хора и животни. С други думи, звукът е разпространението на колебания в плътността (или налягането) на еластична среда, които възникват, когато частиците на средата взаимодействат една с друга.

Атмосферата (въздухът) е една от еластичните среди. Разпространението на звука във въздуха се подчинява на общите закони на разпространение на акустичните вълни в идеалните газове, а също така има особености, дължащи се на променливостта на плътността, налягането, температурата и влажността на въздуха. Скоростта на звука се определя от свойствата на средата и се изчислява по формулите за скоростта на еластична вълна.

Има изкуствени и естествени източници звук. Изкуствените излъчватели включват:

Вибрации на твърди тела (струни и звукови табла на музикални инструменти, дифузори на високоговорители, телефонни мембрани, пиезоелектрически плочи);

Въздушни вибрации в ограничен обем (органни тръби, свирки);

Перкусии (клавири на пиано, звънец);

Електрически ток (електроакустични преобразуватели).

Естествените източници включват:

Експлозия, колапс;

Въздушен поток около препятствия (вятър, който духа ъгъла на сграда, гребен на морска вълна).

Има и изкуствени и естествени приемници звук:

Електроакустични преобразуватели (микрофон във въздуха, хидрофон във вода, геофон в земната кора) и други устройства;

Слухови апарати на хора и животни.

При разпространението на звукови вълни са възможни явления, характерни за вълни от всякакво естество:

Отражение от препятствие

Пречупване на границата на две среди,

Намеса (добавка),

Дифракция (огъване около препятствия),

Дисперсия (зависимост на скоростта на звука в вещество от честотата на звука);

Абсорбция (намаляване на енергията и интензитета на звука в среда поради необратимото преобразуване на звуковата енергия в топлина).

Обективни звукови характеристики

Честота на звука

Честотата на звука, чуваем от хората, варира от 16 Hz преди 16 - 20 kHz . Еластични вълни с честота По-долу звуков диапазон Наречен инфразвук (включително сътресение), с по-висок честота – ултразвук , а еластичните вълни с най-висока честота са хиперзвук .

Целият честотен диапазон на звука може да бъде разделен на три части (Таблица 1).

Шум има непрекъснат спектър от честоти (или дължини на вълните) в областта на нискочестотния звук (таблици 1, 2). Плътен спектър означава, че честотите могат да имат произволна стойност от даден интервал.

Музикален , или тонален , звуци имат линеен честотен спектър в областта на средночестотния и частично високочестотния звук. Останалата част от високочестотния звук е заета от свирене. Линейният спектър означава, че музикалните честоти имат само строго определени (дискретни) стойности от определен интервал.

Освен това интервалът от музикални честоти е разделен на октави. октава – това е честотният интервал, затворен между две гранични стойности, горната от които е два пъти по-голяма от долната(Таблица 3)

Общи октавни честотни ленти

Октавни честотни ленти	 мин , Hz	 макс , Hz	 ср , Hz

Примери за честотни интервали на звук, създаден от човешкия гласов апарат и възприет от човешкия слухов апарат, са дадени в таблица 4.

Контраалт, алт
Мецосопран
Колоратурен сопран

Примери за честотни диапазони на някои музикални инструменти са дадени в таблица 5. Те покриват не само звуковия диапазон, но и ултразвуковия диапазон.

Музикален инструмент	Честота Hz
Саксофон

Животните, птиците и насекомите създават и възприемат звук в различни честотни диапазони от хората (Таблица 6).

В музиката всяка синусоидална звукова вълна се нарича с прост тон,или тон.Височината зависи от честотата: колкото по-висока е честотата, толкова по-висок е тонът. Основен тон сложен музикален звук се нарича съответния тон най-ниска честота в неговия спектър. Извикват се тонове, съответстващи на други честоти обертонове. Ако обертонове кратничестота на основния тон, тогава се наричат ​​обертоновете хармоничен. Обертонът с най-ниска честота се нарича първи хармоник, този със следващия се нарича втори и т.н.

Музикалните звуци с еднакъв основен тон може да се различават тембър.Тембърът зависи от състава на обертоновете, техните честоти и амплитуди, естеството на тяхното покачване в началото на звука и спада в края.

Скорост на звука

За звук в различни медии са валидни общи формули (22) – (25). Трябва да се има предвид, че формула (22) е приложима в случай на сух атмосферен въздух и, като се вземат предвид числените стойности на коефициента на Поасон, моларната маса и универсалната газова константа, може да се запише като:

Истинският атмосферен въздух обаче винаги има влажност, която влияе върху скоростта на звука. Това се дължи на факта, че коефициентът на Поасон  зависи от съотношението на парциалното налягане на водната пара ( стр пара) Да се атмосферно налягане (стр). Във влажен въздух скоростта на звука се определя по формулата:

.

От последното уравнение се вижда, че скоростта на звука във влажен въздух е малко по-голяма, отколкото в сух въздух.

Числените оценки на скоростта на звука, като се вземе предвид влиянието на температурата и влажността на атмосферния въздух, могат да се извършат с помощта на приблизителната формула:

Тези оценки показват, че когато звукът се разпространява в хоризонтална посока ( 0 х) с повишаване на температурата с 1 0 ° Сскоростта на звука се увеличава с 0,6 m/s. Под въздействието на водна пара с парциално налягане не повече от 10 Paскоростта на звука се увеличава с по-малко от 0,5 m/s. Но като цяло, при максималното възможно парциално налягане на водните пари на повърхността на Земята, скоростта на звука се увеличава с не повече от 1 m/s.

Звуково налягане

При липса на звук атмосферата (въздухът) е ненарушена среда и има статично атмосферно налягане (
).

Когато звуковите вълни се разпространяват, допълнително променливо налягане се добавя към това статично налягане поради кондензация и разреждане на въздуха. В случай на равнинни вълни можем да напишем:

Където стр звук, макс– амплитуда на звуковото налягане,  - циклична честота на звука, k – вълново число. Следователно атмосферното налягане във фиксирана точка в този моментвремето става равно на сумата от тези налягания:

Звуково налягане е променливо налягане, равно на разликата между моментното действително атмосферно налягане в дадена точка по време на преминаването на звукова вълна и статичното атмосферно налягане при липса на звук:

Звуковото налягане променя стойността и знака си по време на периода на трептене.

Звуковото налягане почти винаги е много по-малко от атмосферното

То става голямо и сравнимо с атмосферното налягане, когато възникнат ударни вълни по време на мощни експлозии или по време на преминаването на реактивен самолет.

Единиците за звуково налягане са както следва:

- паскалв SI
,

- барв GHS
,

- милиметър живачен стълб,

- атмосфера.

На практика уредите не измерват моментната стойност на звуковото налягане, а т.нар ефикасен (или текущ )звук налягане . То е равно корен квадратен от средната стойност на квадрата на моментното звуково налягане в дадена точка от пространството в даден момент

(44)

и затова също се нарича средно квадратично звуково налягане . Замествайки израз (39) във формула (40), получаваме:

. (45)

Звуков импеданс

Звукова (акустична) устойчивост наречено амплитудно съотношениезвуково налягане и скорост на вибрациите на частиците на средата:

. (46)

Физическо значение на звукоустойчивостта: числено е равно на звуковото налягане, предизвикващо вибрации на частиците на средата с единица скорост:

SI единица за измерване на звуков импеданс – паскал секунда на метър:

.

В случай на плоска вълна скорост на трептене на частицитеравна на

.

Тогава формула (46) ще приеме формата:

. (46*)

Съществува и друго определение за съпротивление на звука като произведение на плътността на средата и скоростта на звука в тази среда:

. (47)

Тогава е физически смисъле, че числено е равна на плътността на средата, в която еластичната вълна се разпространява с единична скорост:

.

В допълнение към акустичното съпротивление, акустиката използва концепцията механична устойчивост (Р м). Механичното съпротивление е съотношението на амплитудите на периодичната сила и скоростта на колебание на частиците на средата:

, (48)

Където С– повърхност на излъчвателя на звука. Механичното съпротивление се измерва в нютон секунди на метър:

.

Енергия и сила на звука

Звуковата вълна се характеризира със същите енергийни количества като еластичната вълна.

Всеки обем въздух, в който се разпространяват звукови вълни, има енергия, която е сумата от кинетичната енергия на осцилиращите частици и потенциалната енергия на еластичната деформация на средата (виж формула (29)).

Интензитетът на звука обикновено се наричасилата на звука . То е равно

. (49)

Ето защо физическо значение на звуковата мощносте подобно на значението на плътността на енергийния поток: числено равно на средната стойност на енергията, която се пренася от вълна за единица време през напречната повърхност на единица площ.

Единицата за интензитет на звука е ват на квадратен метър:

.

Интензитетът на звука е пропорционален на квадрата на ефективното звуково налягане и обратно пропорционален на звуковото (акустично) налягане:

, (50)

или, като се вземат предвид изрази (45),

, (51)

Където Р ак – акустично съпротивление.

Звукът може да се характеризира и със звукова мощност. Звукова мощност е общото количество звукова енергия, излъчена от източник за определено време през затворена повърхност, заобикаляща източника на звук:

, (52)

или, като се вземе предвид формула (49),

. (52*)

Звуковата мощност, както всяка друга, се измерва в ватове:

.

Звукови вълни или просто звукобикновено наричани вълни, възприемани от човешкото ухо. Аудио честотният диапазон е приблизително 20 Hz до 20 kHz. Наричат ​​се вълни с честота по-малка от 20 Hz инфразвук , и с честота над 20 kHz - ултразвук . Звуковите вълни могат да се разпространяват не само в газ, но и в течност (надлъжни вълни) и в твърдо тяло (надлъжни и напречни вълни). Особен интерес обаче представляват вълните в газовата среда - нашето местообитание. Разделът от физиката, който изучава звуковите явления, се нарича акустика .

Когато звукът се разпространява в газ, атомите и молекулите вибрират по посока на разпространение на вълната. Това води до промени в локалната плътност ρ и налягането стр. Звуковите вълни в газ често се наричат ​​вълни на плътност или вълни на налягане.

При прости хармонични звукови вълни, разпространяващи се по оста ОХ, промяна на налягането стр (х, T) зависи от координатата хи време Tв правото

Два знака в косинусния аргумент съответстват на две посоки на разпространение на вълната. Връзки между кръгова честота ω, вълново число к, дължина на вълната λ, скорост на звука υ са същите като за напречните вълни в струна или ластик (2.6):

Важна характеристика на звуковите вълни е скоростта на разпространението им . Определя се от инертните и еластични свойства на средата. Скоростта на разпространение на надлъжни вълни във всяка безгранична хомогенна среда се определя по формулата

Където б- модул на равномерно свиване, ρ - средна плътност на средата. Нютон също се опита да изчисли скоростта на звука във въздуха. Той приема, че еластичността на въздуха е просто равна на атмосферното налягане стр atm, тогава скоростта на звука във въздуха е по-малка от 300 m/s, докато истинската скорост на звука при нормални условия(т.е. при температура 0 °C и налягане 1 atm) е равна на 331,5 m/s, а скоростта на звука при температура 20 °C и налягане 1 atm е равна на 343 m/s. Само повече от сто години по-късно френският учен Пиер Лаплас показа, че предположението на Нютон е равносилно на предположението за бързо изравняване на температурата между областите на разреждане и компресия. Това предположение не е изпълнено поради лошата топлопроводимост на въздуха и малкия период на трептене в звуковата вълна. Всъщност възниква температурна разлика между областите на разреждане и компресия на газа, което значително влияе върху еластичните свойства. Лаплас предполага, че компресията и разреждането на газ в звукова вълна се случват според адиабатен закон, т.е. без влиянието на топлопроводимостта. Формулата на Лаплас (1816) има формата

Където стр- средно налягане в газа, ρ - средна плътност, γ - някаква константа в зависимост от свойствата на газа. За двуатомни газове γ = 1,4. Изчисляването на скоростта на звука по формулата на Лаплас дава стойността υ = 332 m/s (при нормални условия).

В термодинамиката е доказано, че коефициентът γ е равен на отношението на топлинните мощности при постоянно налягане ° Сстри при постоянен обем ° СV. Формулата на Лаплас може да бъде представена в друга форма, ако използваме уравнение на състоянието на идеалния газ. Ето крайния израз:

Където T - абсолютна температура, М - моларна маса , Р= 8,314 J/mol K - универсална газова константа. Скоростта на звука зависи до голяма степен от свойствата на газа. Колкото по-лек е газът, толкова по-голяма е скоростта на звука в този газ. Така например във въздуха ( М= 29·10 -3 kg/mol) при нормални условия υ = 331,5 m/s, в хелий ( М= 4·10 -3 kg/mol) υ = 970 m/s, във водород ( М= 2·10 -3 kg/mol) υ = 1270 m/s.

В течности и твърди вещества скоростта на звуковите вълни е още по-голяма. Във вода, например, υ = 1480 m/s (при 20 °C), в стомана υ = 5-6 km/s.

Когато възприема различни звуци, човешкото ухо ги оценява предимно по нивото им. сила на звука, в зависимост от енергийния поток или интензивност звукова вълна. Ефектът на звуковата вълна върху тъпанчето зависи от звуково налягане, т.е. амплитуди стр 0 колебания на налягането във вълната. Човешкото ухо е съвършено творение на природата, способно да възприема звуци в огромен диапазон от интензитети: от слаб писък на комар до рев на вулкан. Праг на чуване съответства на стойността стр 0 е около 10 -10 atm, т.е. 10 -5 Pa. При такъв слаб звук молекулите на въздуха вибрират в звукова вълна с амплитуда само 10 -7 cm! Праг на болка съответства на стойността стр 0 е около 10 -4 atm или 10 Pa. Така човешкото ухо е способно да възприема вълни, в които звуковото налягане се променя милиони пъти. Тъй като интензитетът на звука е пропорционален на квадрата на звуковото налягане, обхватът на интензитета е около 10 12! Човешкото ухо, способно да възприема звуци в такъв огромен диапазон от интензитети, може да се сравни с инструмент, който може да се използва за измерване както на диаметъра на атом, така и на размера на футболно игрище.

За сравнение, нека посочим, че при обикновени разговори на хора в една стая интензитетът на звука е приблизително 10 6 пъти по-висок от прага на чуваемост, а интензитетът на звука на рок концерт се доближава до прага на болката.

Друга характеристика на звуковите вълни, която ги определя слухово възприятие, е стъпка . Вибрациите в хармонична звукова вълна се възприемат от човешкото ухо като музикален тон . Високочестотните вибрации се възприемат като звуци висок тон, нискочестотни вибрации - като звуци нисък тон. Звуци, издавани от музикални инструменти, както и звуци човешки гласможе да варира значително по височина и честотен диапазон. Така например диапазонът на най-ниския мъжки глас е бас- се простира от приблизително 80 до 400 Hz, а диапазонът на високия женски глас е сопрано- от 250 до 1050 Hz.

Диапазонът от звукови вибрации, съответстващ на удвояване на честотата на вибрациите, се нарича октава. Гласът на цигулка, например, обхваща приблизително три и половина октави (196-2340 Hz), а звуците на пиано покриват седем и половина октави (27,5-4186 Hz).

Когато говорят за честотата на звука, произведен от струните на всеки струнен музикален инструмент, те имат предвид честотата f 1 основен тон. Но вибрациите на струните могат да съдържат и хармоници, честоти fнкоито удовлетворяват отношението:

fн = nf 1 , (н = 1, 2, 3...).

Следователно звучащата струна може да излъчва едно цяло диапазонвълни с множество честоти. Амплитуди Антези вълни зависят от метода на възбуждане на струната (лък, чук); определят музикалната окраска на звука или тембър . Подобно е положението и с духовите музикални инструменти. Тръби на духови инструменти са акустични резонатори, тоест акустични трептящи системи, способни да се възбуждат (резонират) от звукови вълни с определени честоти. При определени условия във въздуха вътре в тръбите възникват стоящи звукови вълни. На фиг. Фигура 2.7.1 показва няколко вида стоящи вълни (модове) в органна тръба, която е затворена в единия край и отворена в другия. Звуците, произвеждани от тръбите на духовите инструменти, се състоят от цял ​​спектър от вълни с множество честоти.

При настройка на музикални инструменти, устройство, наречено камертон. Състои се от дървен акустичен резонатор и прикрепена към него метална вилица, настроена на резонанс. Когато чукът удари вилицата, цялата система се възбужда и произвежда чист музикален тон.

Ларинксът на певеца също е акустичен резонатор. На фиг. 2.7.2 показва спектрите на звуковите вълни, излъчвани от камертон, струна на пиано и нисък женски глас (алт), звучащи на една и съща нота.

Звукови вълни, чиито честотни спектри са показани на фиг. 2.7.2, имам същата височина, но различни тембри.

Нека сега разгледаме явлението, което възниква, когато се наслагват две хармонични звукови вълни с близки, но все пак малко различни честоти. Това явление се нарича удари . Получава се например, когато два камертона или две китарни струни, настроени на почти еднакви честоти, звучат едновременно. Тактът се възприема от ухото като хармоничен тон, чийто обем периодично се променя във времето. Нека звуковото налягане стр 1 и стр 2, действащи на ухото, променят се според законите

стр 1 = А 0 cos ω 1 TИ стр 2 = А 0 cos ω 2 T.

В съответствие със принцип на суперпозицияобщото налягане, причинено от двете вълни във всеки момент от времето, е равно на сумата от звуковите налягания, причинени от всяка вълна поотделно в същия момент от време.

Общото действие на двете вълни може да бъде представено чрез тригонометрични трансформации във формата

На фиг. 2.7.3(1) са показани зависимостите на налягането стр 1 и стр 2 от времето T. В даден момент T= 0 и двете трептения са във фаза и амплитудите им се сумират. Тъй като честотите на трептене са малко по-различни една от друга, след известно време T 1 трептения ще бъдат в противофаза. В този момент общата амплитуда ще достигне нула (колебанията се „отменят“ взаимно). По времето T 2 = 2T 1 трептенията отново ще са във фаза и т.н. (фиг. 2.7.3 (2)).

Нарича се минималният интервал между два момента от време с максимална (или минимална) амплитуда на трептенията период на биенеT b. Бавно променяща се амплитуда Аполученото трептене е равно на

Период T b промяна на амплитудата е равна на 2π / Δω. Това може да се покаже по друг начин, като се приеме, че периодите на колебания на налягането в звуковите вълни T 1 и T 2 са такива, че T 1 < T 2 (т.е. ω 1 > ω 2). По време на бийт периода T b среща се някакво число нпълни цикли на трептения на първата вълна и ( н- 1) цикли на трептения на втората вълна.