18. februar 2016
Hjemmeunderholdningsverdenen er ganske variert og kan omfatte: se en film på et godt hjemmekinoanlegg; morsomt og vanedannende spill eller lytte til musikk. Som regel finner alle noe eget i dette området, eller kombinerer alt på en gang. Men uansett hvilke mål en person har med å organisere fritiden sin og uansett hvilken ytterlighet de går til, er alle disse koblingene fast forbundet med en enkel og forståelig ord- "lyd". Faktisk, i alle disse tilfellene vil vi bli ledet av håndtaket av lydsporet. Men dette spørsmålet er ikke så enkelt og trivielt, spesielt i tilfeller der det er et ønske om å oppnå høykvalitetslyd i et rom eller andre forhold. For å gjøre dette er det ikke alltid nødvendig å kjøpe dyre hi-fi eller hi-end komponenter (selv om det vil være veldig nyttig), men god kunnskap om fysisk teori, som er i stand til å eliminere de fleste problemene som oppstår for alle som ønsker å få stemmeskuespill av høy kvalitet.
Deretter vil teorien om lyd og akustikk vurderes fra et fysikksynspunkt. PÅ denne saken Jeg vil prøve å gjøre det så tilgjengelig som mulig for forståelsen av enhver person som kanskje er langt fra kunnskapen om fysiske lover eller formler, men likevel lidenskapelig drømmer om realiseringen av drømmen om å skape et perfekt akustisk system. Jeg antar ikke å påstå at for å oppnå gode resultater på dette området hjemme (eller i en bil, for eksempel) må du kjenne disse teoriene grundig, men å forstå det grunnleggende vil unngå mange dumme og absurde feil, samt tillate for å oppnå maksimal lydeffekt fra systemet.
Generell lydteori og musikalsk terminologi
Hva er lyd? Dette er følelsen som hørselsorganet oppfatter. "øre"(selve fenomenet eksisterer selv uten "ørets" deltagelse i prosessen, men det er lettere å forstå på denne måten), som oppstår når trommehinnen blir opphisset av en lydbølge. Øret i dette tilfellet fungerer som en "mottaker" lydbølger annen frekvens. 
Lydbølge Det er faktisk en sekvensiell serie av tetninger og utslipp av mediet (oftest luftmiljøet under normale forhold) med forskjellige frekvenser. Naturen til lydbølger er oscillerende, forårsaket og produsert av vibrasjoner fra alle kropper. Fremveksten og forplantningen av en klassisk lydbølge er mulig i tre elastiske medier: gassformig, flytende og fast. Når en lydbølge oppstår i en av disse typene rom, skjer det uunngåelig noen endringer i selve mediet, for eksempel en endring i luftens tetthet eller trykk, bevegelse av partikler av luftmasser, etc.
Siden lydbølgen har en oscillerende natur, har den en slik karakteristikk som frekvens. Frekvens målt i hertz (til ære for den tyske fysikeren Heinrich Rudolf Hertz), og angir antall vibrasjoner over en tidsperiode lik ett sekund. De. for eksempel betyr en frekvens på 20 Hz en syklus på 20 svingninger på ett sekund. Det subjektive konseptet om høyden avhenger også av lydens frekvens. Jo flere lydvibrasjoner som lages per sekund, jo "høyere" virker lyden. Lydbølgen har også en annen viktig egenskap, som har et navn - bølgelengden. Bølgelengde Det er vanlig å vurdere avstanden som en lyd av en viss frekvens reiser i en periode lik ett sekund. For eksempel er bølgelengden til den laveste lyden i det menneskelige hørbare området ved 20 Hz 16,5 meter, og bølgelengden til den høyeste lyden ved 20 000 Hz er 1,7 centimeter.
Det menneskelige øret er utformet på en slik måte at det bare er i stand til å oppfatte bølger i et begrenset område, omtrent 20 Hz - 20 000 Hz (avhengig av egenskapene til en bestemt person, noen er i stand til å høre litt mer, noen mindre) . Dermed betyr ikke dette at lyder under eller over disse frekvensene ikke eksisterer, de blir rett og slett ikke oppfattet av det menneskelige øret, og går utover det hørbare området. Lyd over det hørbare området kalles ultralyd, kalles lyd under det hørbare området infralyd. Noen dyr er i stand til å oppfatte ultra- og infralyder, noen bruker til og med dette området for orientering i verdensrommet (flaggermus, delfiner). Hvis lyden passerer gjennom et medium som ikke kommer direkte i kontakt med det menneskelige høreorganet, kan det hende at en slik lyd ikke høres eller blir sterkt svekket senere.
I den musikalske terminologien til lyd er det så viktige betegnelser som oktav, tone og overtone av lyd. Oktav betyr et intervall der forholdet mellom frekvenser mellom lyder er 1 til 2. En oktav er vanligvis svært hørbar, mens lyder innenfor dette intervallet kan være svært like hverandre. En oktav kan også kalles en lyd som lager dobbelt så mange vibrasjoner som en annen lyd i samme tidsperiode. For eksempel er en frekvens på 800 Hz ikke annet enn en høyere oktav på 400 Hz, og en frekvens på 400 Hz er i sin tur neste oktav av lyd med en frekvens på 200 Hz. En oktav er bygd opp av toner og overtoner. Variable oscillasjoner i en harmonisk lydbølge av én frekvens oppfattes av det menneskelige øret som musikalsk tone. svingninger høy frekvens kan tolkes som høye lyder, lavfrekvente vibrasjoner som lavfrekvente lyder. Det menneskelige øret er i stand til tydelig å skille lyder med en forskjell på én tone (i området opptil 4000 Hz). Til tross for dette brukes et ekstremt lite antall toner i musikk. Dette er forklart fra betraktninger av prinsippet om harmonisk konsonans, alt er basert på prinsippet om oktaver.
Tenk på teorien om musikalske toner ved å bruke eksemplet med en streng strukket på en bestemt måte. En slik streng vil, avhengig av strekkkraften, være "innstilt" til en bestemt frekvens. Når denne strengen utsettes for noe med én spesifikk kraft, som vil få den til å vibrere, vil en spesifikk tone av lyd bli observert jevnt og trutt, vi vil høre ønsket tuning frekvens. Denne lyden kalles grunntonen. For hovedtonen i det musikalske feltet er frekvensen til tonen "la" i den første oktaven, lik 440 Hz, offisielt akseptert. Imidlertid gjengir de fleste musikkinstrumenter aldri rene grunntoner alene; de er uunngåelig akkompagnert av overtoner kalt overtoner. Det er verdt å huske her viktig definisjon musikalsk akustikk, konseptet klangfarge. Timbre- dette er en egenskap ved musikalske lyder som gir musikkinstrumenter og stemmer deres unike gjenkjennelige lydspesifisitet, selv når man sammenligner lyder med samme tonehøyde og lydstyrke. Klangen til hvert musikkinstrument avhenger av fordelingen av lydenergi over overtonene i det øyeblikket lyden vises.
Overtoner danner en spesifikk farge på grunntonen, som vi lett kan identifisere og gjenkjenne et bestemt instrument med, samt tydelig skille lyden fra et annet instrument. Det er to typer overtoner: harmoniske og ikke-harmoniske. Harmoniske overtoner er per definisjon multipler av grunnfrekvensen. Tvert imot, hvis overtonene ikke er multipler og avviker merkbart fra verdiene, kalles de uharmonisk. I musikk er driften av ikke-flere overtoner praktisk talt utelukket, derfor er begrepet redusert til begrepet "overtone", som betyr harmonisk. For noen instrumenter, for eksempel piano, rekker ikke hovedtonen engang å dannes, i løpet av en kort periode øker lydenergien til overtonene, og da skjer nedgangen like raskt. Mange instrumenter skaper en såkalt "overgangstone"-effekt, når energien til visse overtoner er maksimal på et bestemt tidspunkt, vanligvis helt i begynnelsen, men så brått endres og flyttes til andre overtoner. Frekvensområdet til hvert instrument kan vurderes separat og er vanligvis begrenset av frekvensene til grunntonene som dette spesielle instrumentet er i stand til å gjengi.
I teorien om lyd er det også noe slikt som STØY. Bråk- dette er enhver lyd som er skapt av en kombinasjon av kilder som er inkonsistente med hverandre. Alle er godt klar over støyen fra trærnes blader, svaiet av vinden osv.
Hva bestemmer lydvolumet? Det er åpenbart at et slikt fenomen direkte avhenger av mengden energi som bæres av lydbølgen. For å bestemme de kvantitative indikatorene for lydstyrke, er det et konsept - lydintensitet. Lydintensitet er definert som strømmen av energi som passerer gjennom et område i rommet (for eksempel cm2) per tidsenhet (for eksempel per sekund). I en vanlig samtale er intensiteten ca 9 eller 10 W/cm2. Det menneskelige øret er i stand til å oppfatte lyder med et ganske bredt følsomhetsområde, mens følsomheten til frekvenser ikke er ensartet innenfor lydspekteret. Så det best oppfattede frekvensområdet er 1000 Hz - 4000 Hz, som mest dekker menneskelig tale.
Siden lyder varierer så mye i intensitet, er det mer praktisk å tenke på det som en logaritmisk verdi og måle det i desibel (etter den skotske forskeren Alexander Graham Bell). Lavere terskel for hørselsfølsomhet menneskelig øre er 0 dB, de øvre 120 dB, kalles det også "smerteterskel". Øvre grense følsomhet er også oppfattet av det menneskelige øret er ikke det samme, men avhenger av den spesifikke frekvensen. Lavfrekvente lyder må ha mye større intensitet enn høye frekvenser for å fremkalle en smerteterskel. For eksempel oppstår smerteterskelen ved en lav frekvens på 31,5 Hz ved et lydintensitetsnivå på 135 dB, når smertefølelsen ved en frekvens på 2000 Hz vises allerede ved 112 dB. Det er også begrepet lydtrykk, som faktisk utvider den vanlige forklaringen på forplantningen av en lydbølge i luft. Lydtrykk- dette er et variabelt overtrykk som oppstår i et elastisk medium som følge av at en lydbølge passerer gjennom det.
Bølge natur av lyd
For bedre å forstå systemet for lydbølgegenerering, se for deg en klassisk høyttaler plassert i et rør fylt med luft. Hvis høyttaleren gjør en skarp bevegelse fremover, blir luften i umiddelbar nærhet av diffusoren komprimert et øyeblikk. Etter det vil luften ekspandere, og derved skyve trykkluftområdet langs røret. 
Det er denne bølgebevegelsen som senere vil være lyd når den når hørselsorganet og "begeistrer" trommehinnen. Når en lydbølge oppstår i en gass, dannes overtrykk og tetthet, og partikler beveger seg med konstant hastighet. Om lydbølger er det viktig å huske det faktum at stoffet ikke beveger seg sammen med lydbølgen, men bare en midlertidig forstyrrelse av luftmasser oppstår.
Hvis vi ser for oss et stempel opphengt i ledig plass på en fjær og gjør gjentatte bevegelser "frem og tilbake", vil slike svingninger kalles harmoniske eller sinusformede (hvis vi representerer bølgen i form av en graf, så får vi i dette tilfellet en ren sinusbølge med gjentatte opp- og nedturer ). Hvis vi ser for oss en høyttaler i et rør (som i eksemplet beskrevet ovenfor), som utfører harmoniske svingninger, vil i øyeblikket høyttaleren beveger seg "fremover", oppnås den allerede kjente effekten av luftkomprimering, og når høyttaleren beveger seg "bakover" , oppnås den omvendte effekten av rarfaksjon. I dette tilfellet vil en bølge av vekslende kompresjoner og sjeldnere forplante seg gjennom røret. Avstanden langs røret mellom tilstøtende maksima eller minima (faser) vil bli kalt bølgelengde. Hvis partikler oscillerer parallelt med bølgeutbredelsesretningen, kalles bølgen langsgående. Hvis de svinger vinkelrett på forplantningsretningen, kalles bølgen tverrgående. Vanligvis er lydbølger i gasser og væsker langsgående, mens det i faste stoffer kan forekomme bølger av begge typer. Tverrbølger i faste stoffer oppstår på grunn av motstand mot formendringer. Hovedforskjellen mellom disse to bølgetypene er at en tverrbølge har egenskapen til polarisering (svingninger forekommer i et visst plan), mens en langsgående bølge ikke har det.
Lydhastighet
Lydens hastighet avhenger direkte av egenskapene til mediet den forplanter seg i. Det bestemmes (avhengig) av to egenskaper til mediet: elastisitet og tetthet av materialet. Lydhastigheten i faste stoffer avhenger direkte av typen materiale og dets egenskaper. Hastigheten i gassformige medier avhenger av bare én type mediumdeformasjon: kompresjon-sjeldne reaksjoner. Endringen i trykk i en lydbølge skjer uten varmeveksling med de omkringliggende partiklene og kalles adiabatisk. 
Lydhastigheten i en gass avhenger hovedsakelig av temperatur - den øker med økende temperatur og avtar med synkende. Også lydhastigheten i et gassformig medium avhenger av størrelsen og massen til selve gassmolekylene - jo mindre massen og størrelsen på partiklene er, jo større er henholdsvis "ledningsevne" til bølgen og jo større hastighet.
I flytende og faste medier er prinsippet om forplantning og lydhastighet lik hvordan en bølge forplanter seg i luft: ved kompresjonsutladning. Men i disse mediene, i tillegg til den samme avhengigheten av temperatur, er mediets tetthet og dets sammensetning/struktur ganske viktig. Jo lavere tetthet stoffet har, jo høyere er lydhastigheten og omvendt. Avhengigheten av sammensetningen av mediet er mer komplisert og bestemmes i hvert enkelt tilfelle, under hensyntagen til plasseringen og interaksjonen mellom molekyler/atomer.
Lydhastighet i luft ved t, °C 20: 343 m/s
Lydhastighet i destillert vann ved t, °C 20: 1481 m/s
Lydhastighet i stål ved t, °C 20: 5000 m/s
Stående bølger og forstyrrelser
Når en høyttaler lager lydbølger i et begrenset rom, oppstår uunngåelig effekten av bølgerefleksjon fra grensene. Som et resultat, oftest interferenseffekt- når to eller flere lydbølger er lagt over hverandre. Spesielle tilfeller av fenomenet interferens er dannelsen av: 1) Bankende bølger eller 2) Stående bølger. Bølgenes takt- dette er tilfellet når det er et tillegg av bølger med nære frekvenser og amplituder. Mønsteret for forekomsten av slag: når to bølger som er like i frekvens er lagt over hverandre. På et tidspunkt, med en slik overlapping, kan amplitudetoppene falle sammen "i fase", og også resesjonene i "motfase" kan også falle sammen. Slik karakteriseres lydbeats. Det er viktig å huske at, i motsetning til stående bølger, forekommer ikke fasesammenfall av topper konstant, men med noen tidsintervaller. Ved øret avviker et slikt mønster av beats ganske tydelig, og høres som henholdsvis en periodisk økning og reduksjon i volum. Mekanismen for forekomsten av denne effekten er ekstremt enkel: i øyeblikket av sammenfall av topper, øker volumet, i øyeblikket av sammenfall av resesjoner, reduseres volumet.
stående bølger oppstår i tilfelle av superposisjon av to bølger med samme amplitude, fase og frekvens, når når slike bølger "møtes" en beveger seg i foroverretningen, og den andre i motsatt retning. I romområdet (hvor en stående bølge ble dannet), oppstår et bilde av superposisjon av to frekvensamplituder, med alternerende maksima (såkalte antinoder) og minima (såkalte noder). Når dette fenomenet oppstår, er frekvensen, fasen og dempningskoeffisienten til bølgen på refleksjonsstedet ekstremt viktig. I motsetning til vandrende bølger, er det ingen energioverføring i en stående bølge på grunn av det faktum at forover- og bakoverbølgene som danner denne bølgen bærer energi i like store mengder i forover og motsatte retninger. For en visuell forståelse av forekomsten av en stående bølge, la oss forestille oss et eksempel fra hjemmeakustikk. La oss si at vi har gulvhøyttalere i et begrenset rom (rom). Etter å ha fått dem til å spille en sang med mye bass, la oss prøve å endre plasseringen til lytteren i rommet. Således vil lytteren, etter å ha kommet inn i sonen med minimum (subtraksjon) av den stående bølgen, føle effekten av at bassen har blitt veldig liten, og hvis lytteren går inn i sonen med maksimum (tillegg) av frekvenser, så det motsatte effekten av en betydelig økning i bassområdet oppnås. I dette tilfellet observeres effekten i alle oktaver av basisfrekvensen. For eksempel, hvis basisfrekvensen er 440 Hz, vil fenomenet "addisjon" eller "subtraksjon" også bli observert ved frekvenser på 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, etc.
Resonansfenomen
De fleste faste stoffer har sin egen resonansfrekvens. For å forstå denne effekten er ganske enkelt på eksemplet med et konvensjonelt rør, åpent bare i den ene enden. La oss forestille oss en situasjon der en høyttaler er koblet til fra den andre enden av røret, som kan spille av en konstant frekvens, den kan også endres senere. Så, røret har sin egen resonansfrekvens, sier enkelt språk er frekvensen som røret "resonerer" eller avgir sin egen lyd. Hvis frekvensen til høyttaleren (som et resultat av justering) faller sammen med resonansfrekvensen til røret, vil det være en effekt av å øke volumet flere ganger. Dette er fordi høyttaleren eksiterer vibrasjonene til luftsøylen i røret med en betydelig amplitude inntil samme "resonansfrekvens" er funnet og tilleggseffekten oppstår. Det resulterende fenomenet kan beskrives som følger: røret i dette eksemplet "hjelper" høyttaleren ved å gi resonans ved en spesifikk frekvens, deres innsats summerer seg og "heller ut" til en hørbar høy effekt. På eksemplet med musikkinstrumenter spores dette fenomenet lett, siden utformingen av flertallet inneholder elementer som kalles resonatorer. 
Det er ikke vanskelig å gjette hva som tjener formålet med å forsterke en viss frekvens eller musikalsk tone. For eksempel: en gitarkropp med en resonator i form av et hull, matchet med volumet; Utformingen av røret ved fløyten (og alle rør generelt); Den sylindriske formen på trommelkroppen, som i seg selv er en resonator med en viss frekvens.
Frekvensspekter av lyd og frekvensrespons
Siden det i praksis praktisk talt ikke er noen bølger med samme frekvens, blir det nødvendig å dekomponere hele lydspekteret til det hørbare området til overtoner eller harmoniske. For disse formålene er det grafer som viser avhengigheten av den relative energien til lydvibrasjoner av frekvens. En slik graf kalles en lydfrekvensspektrumgraf. Frekvensspekter av lyd Det er to typer: diskret og kontinuerlig. Det diskrete spektrumplottet viser frekvensene individuelt, atskilt med tomme mellomrom. I det kontinuerlige spekteret er alle lydfrekvenser tilstede på en gang. 
Ved musikk eller akustikk brukes oftest vanlig timeplan. Topp-til-frekvens-karakteristikk(forkortet "AFC"). Denne grafen viser avhengigheten av amplituden til lydvibrasjoner av frekvens gjennom hele frekvensspekteret (20 Hz - 20 kHz). Når man ser på en slik graf, er det lett å forstå for eksempel styrkene eller svakhetene til en bestemt høyttaler eller høyttalersystem som helhet, de sterkeste områdene med energiretur, frekvensfall og -stigninger, demping, samt å spore nedgangens bratthet.
Forplantning av lydbølger, fase og motfase
Prosessen med forplantning av lydbølger skjer i alle retninger fra kilden. Det enkleste eksemplet for å forstå dette fenomenet: en småstein kastet i vannet. 
Fra stedet der steinen falt, begynner bølger å divergere på overflaten av vannet i alle retninger. La oss imidlertid forestille oss en situasjon med en høyttaler i et visst volum, la oss si en lukket boks, som er koblet til en forsterker og spiller et slags musikalsk signal. Det er lett å legge merke til (spesielt hvis du gir et kraftig lavfrekvent signal, for eksempel en basstromme), at høyttaleren gjør en rask bevegelse "fremover", og deretter den samme raske bevegelsen "bakover". Det gjenstår å forstå at når høyttaleren beveger seg fremover, sender den ut en lydbølge, som vi hører etterpå. Men hva skjer når høyttaleren beveger seg bakover? Men paradoksalt nok skjer det samme, høyttaleren lager den samme lyden, bare den forplanter seg i vårt eksempel helt innenfor volumet til boksen, uten å gå utover det (boksen er lukket). Generelt, i eksemplet ovenfor, kan man observere ganske mange interessante fysiske fenomener, hvorav det viktigste er konseptet om en fase.
Lydbølgen som høyttaleren, som er i volum, utstråler i retning av lytteren - er "i fase". Den omvendte bølgen, som går inn i volumet av boksen, vil være tilsvarende motfase. Det gjenstår bare å forstå hva disse begrepene betyr? Signalfase- dette er lydtrykknivået på gjeldende tidspunkt på et tidspunkt i verdensrommet. Fasen er lettest å forstå av eksemplet med avspilling av musikalsk materiale med en konvensjonell stereo gulvstående par hjemmehøyttalere. La oss forestille oss at to slike gulvhøyttalere er installert i et bestemt rom og leker. Begge høyttalerne i dette tilfellet gjengir et synkront variabelt lydtrykksignal, dessuten legges lydtrykket til den ene høyttaleren til lydtrykket til den andre høyttaleren. En lignende effekt oppstår på grunn av synkroniseringen av signalgjengivelsen til henholdsvis venstre og høyre høyttaler, med andre ord faller toppene og dalene til bølgene som sendes ut av venstre og høyre høyttaler sammen.
La oss nå forestille oss at lydtrykket fortsatt endrer seg på samme måte (de har ikke endret seg), men nå er de motsatte av hverandre. Dette kan skje hvis du kobler en av de to høyttalerne i motsatt polaritet ("+"-kabelen fra forsterkeren til "-"-terminalen på høyttalersystemet, og "-"-kabelen fra forsterkeren til "+"-terminalen på høyttaleren system). I dette tilfellet vil signalet i motsatt retning forårsake en trykkforskjell, som kan representeres som tall som følger: venstre høyttaler vil skape et trykk på "1 Pa", og høyre høyttaler vil skape et trykk på "minus 1 Pa ". Som et resultat vil det totale lydvolumet ved lytterens posisjon være lik null. Dette fenomenet kalles antifase. Hvis vi vurderer eksemplet mer detaljert for å forstå, viser det seg at to dynamikker som spiller "i fase" skaper de samme områdene med luftkompresjon og sjeldnere, som faktisk hjelper hverandre. I tilfelle av en idealisert motfase, vil området med komprimering av luftrom skapt av en høyttaler bli ledsaget av et område med sjeldne luftrom skapt av den andre høyttaleren. Det ser omtrent ut som fenomenet med gjensidig synkron demping av bølger. Riktignok synker ikke volumet i praksis til null, og vi vil høre en sterkt forvrengt og dempet lyd.
På den mest tilgjengelige måten kan dette fenomenet beskrives slik: to signaler med samme oscillasjoner (frekvens), men forskjøvet i tid. I lys av dette er det mer praktisk å representere disse forskyvningsfenomenene ved å bruke eksemplet med vanlige runde klokker. La oss tenke oss at det henger flere like runde klokker på veggen. Når sekundviserne på disse klokkene går synkronisert, 30 sekunder på den ene klokken og 30 sekunder på den andre, så er dette et eksempel på et signal som er i fase. Hvis sekundviserne kjører med skift, men hastigheten fortsatt er den samme, for eksempel på den ene klokken 30 sekunder, og på den andre 24 sekunder, så er dette et klassisk eksempel på faseskift (shift). På samme måte måles fase i grader, innenfor en virtuell sirkel. I dette tilfellet, når signalene forskyves i forhold til hverandre med 180 grader (halvparten av perioden), oppnås en klassisk motfase. Ofte i praksis er det mindre faseskift, som også kan bestemmes i grader og med hell elimineres.
Bølger er flate og sfæriske. En flat bølgefront forplanter seg i bare én retning og treffes sjelden i praksis. En sfærisk bølgefront er en enkel type bølge som stråler ut fra et enkelt punkt og forplanter seg i alle retninger. Lydbølger har eiendommen diffraksjon, dvs. evnen til å unngå hindringer og gjenstander. Graden av omhylling avhenger av forholdet mellom lydbølgelengden og dimensjonene til hindringen eller hullet. Diffraksjon oppstår også når det er en hindring i lydbanen. I dette tilfellet er to scenarier mulig: 1) Hvis dimensjonene til hindringen er mye større enn bølgelengden, blir lyden reflektert eller absorbert (avhengig av absorpsjonsgraden til materialet, tykkelsen på hindringen osv.). ), og en "akustisk skygge"-sone dannes bak hindringen. 2) Hvis dimensjonene til hindringen er sammenlignbare med bølgelengden eller enda mindre enn den, så diffrakterer lyden til en viss grad i alle retninger. Hvis en lydbølge, når den beveger seg i ett medium, treffer grensesnittet med et annet medium (for eksempel et luftmedium med et fast medium), kan tre scenarier oppstå: 1) bølgen vil bli reflektert fra grensesnittet 2) bølgen kan passere inn i et annet medium uten å endre retning 3) en bølge kan passere inn i et annet medium med en retningsendring ved grensen, dette kalles "bølgebrytning".
Forholdet mellom overtrykket til lydbølgen og det oscillerende volumetrisk hastighet kalt bølgemotstand. Med enkle ord, bølgemotstanden til mediet kan kalles evnen til å absorbere lydbølger eller "motstå" dem. Refleksjons- og overføringskoeffisientene avhenger direkte av forholdet mellom bølgeimpedansene til de to mediene. Bølgemotstanden i et gassmedium er mye lavere enn i vann eller faste stoffer. Derfor, hvis en lydbølge i luften faller inn på en fast gjenstand eller på overflaten av dypt vann, blir lyden enten reflektert fra overflaten eller absorbert i stor grad. Det avhenger av tykkelsen på overflaten (vann eller faststoff) som den ønskede lydbølgen faller på. Med lav tykkelse på et fast eller flytende medium "passerer" lydbølgene nesten fullstendig, og omvendt, med en stor tykkelse på mediet, reflekteres bølgene oftere. Når det gjelder refleksjon av lydbølger, skjer denne prosessen i henhold til en velkjent fysisk lov: "Innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen." I dette tilfellet, når en bølge fra et medium med lavere tetthet treffer grensen til et medium med høyere tetthet, oppstår fenomenet brytning. Den består i å bøye (bryte) en lydbølge etter "møte" med en hindring, og er nødvendigvis ledsaget av en endring i hastighet. Refraksjon avhenger også av temperaturen på mediet der refleksjon oppstår.
I prosessen med forplantning av lydbølger i rommet, reduseres deres intensitet uunngåelig, vi kan si dempningen av bølgene og svekkelsen av lyden. I praksis er det ganske enkelt å støte på en slik effekt: for eksempel hvis to personer står i et felt på en kort avstand (en meter eller nærmere) og begynner å snakke med hverandre. Hvis du deretter øker avstanden mellom personer (hvis de begynner å bevege seg bort fra hverandre), vil det samme nivået av samtalevolum bli mindre og mindre hørbart. Et lignende eksempel demonstrerer klart fenomenet med å redusere intensiteten til lydbølger. Hvorfor skjer dette? Årsaken til dette er de ulike prosessene med varmeoverføring, molekylær interaksjon og intern friksjon av lydbølger. Oftest i praksis skjer omdannelsen av lydenergi til termisk energi. Slike prosesser oppstår uunngåelig i hvilket som helst av de 3 lydformidlingsmediene og kan karakteriseres som absorpsjon av lydbølger.
Intensiteten og graden av absorpsjon av lydbølger avhenger av mange faktorer, som trykk og temperatur på mediet. Absorpsjon avhenger også av den spesifikke frekvensen til lyden. Når en lydbølge forplanter seg i væsker eller gasser, er det en effekt av friksjon mellom ulike partikler, som kalles viskositet. Som et resultat av denne friksjonen på molekylært nivå, oppstår prosessen med transformasjon av bølgen fra lyd til termisk. Med andre ord, jo høyere termisk ledningsevne til mediet, desto lavere grad av bølgeabsorpsjon. Lydabsorpsjon i gassformige medier avhenger også av trykk (atmosfærisk trykk endres med økende høyde i forhold til havnivå). Når det gjelder avhengigheten av absorpsjonsgraden av frekvensen av lyd, og tar hensyn til de ovennevnte avhengighetene av viskositet og termisk ledningsevne, er absorpsjonen av lyd jo høyere, jo høyere frekvens. For eksempel når normal temperatur og trykk, i luft er absorpsjonen av en bølge med en frekvens på 5000 Hz 3 dB/km, og absorpsjonen av en bølge med en frekvens på 50000 Hz vil allerede være 300 dB/m.
I faste medier er alle de ovennevnte avhengighetene (termisk ledningsevne og viskositet) bevart, men noen flere forhold er lagt til dette. De er assosiert med den molekylære strukturen til faste materialer, som kan være forskjellige, med sine egne inhomogeniteter. Avhengig av denne interne solide molekylstrukturen, kan absorpsjonen av lydbølger i dette tilfellet være forskjellig, og avhenger av typen bestemt materiale. Når lyd passerer gjennom et fast legeme, gjennomgår bølgen en rekke transformasjoner og forvrengninger, som oftest fører til spredning og absorpsjon av lydenergi. På molekylært nivå kan effekten av dislokasjoner oppstå når en lydbølge forårsaker en forskyvning av atomplan, som deretter går tilbake til sin opprinnelige posisjon. Eller bevegelsen av dislokasjoner fører til en kollisjon med dislokasjoner vinkelrett på dem eller defekter i krystallstrukturen, noe som forårsaker deres retardasjon og som et resultat en viss absorpsjon av lydbølgen. Imidlertid kan lydbølgen også resonere med disse defektene, noe som vil føre til forvrengning av den opprinnelige bølgen. Energien til en lydbølge i øyeblikket av interaksjon med elementene molekylær struktur materiale forsvinner som følge av interne friksjonsprosesser.
I vil jeg prøve å analysere funksjonene ved menneskelig auditiv persepsjon og noen av subtilitetene og egenskapene til lydutbredelse.
La oss først se i ordboken og se definisjonene av disse ordene der.
Lyd- alt som øret hører, som kommer til øret. Eller mer detaljert - det som høres oppfattes av øret: et fysisk fenomen forårsaket av oscillerende bevegelser av partikler av luft eller annet medium. Lyd, i vid forstand, er den oscillerende bevegelsen av partikler av et elastisk medium, som forplanter seg i form av bølger i et gassformig, flytende eller fast medium.
Bråk- dette er lyder som har smeltet sammen til en disharmonisk (vanligvis høy) lyd. Eller, mer spesifikt, tilfeldige svingninger av forskjellig fysisk natur, preget av kompleksiteten til den tidsmessige og spektrale strukturen.
Vibrasjon— mekaniske vibrasjoner av en elastisk kropp; jitter. Ordet kommer fra latin Vibrasjon» - fluktuasjon, skjelving.
Vitenskapen om akustikk er studiet av lyder. Akustikk er et av områdene innen fysikk (mekanikk) som studerer elastiske vibrasjoner og bølger fra de laveste (betinget fra 0 Hz) til høye frekvenser.
Det menneskelige øret oppfatter et visst spekter av vibrasjoner - vanligvis fra 16 før 20 000 vibrasjoner per sekund. En svingning per sekund kalles Hertz og forkortes som Hz. Vibrasjoner med høyere frekvens kalles ultralyd, en lavere frekvens - infralyd.
Lydegenskaper:
bølgelengde (periode, T) og amplitude (A)
Siden lyd er en bølge, er den preget av to hovedstørrelser: bølgelengde (oscillasjonsperiode) og amplitude. Amplitude - den maksimale verdien av forskyvningen eller endringen av en variabel fra gjennomsnittsverdien under oscillerende eller bølgebevegelse. Periodens gjensidighet kalles frekvensen (Hz). Selve lyden er også preget av forplantningshastigheten, som avhenger av mediet som den elastiske vibrasjonen forplanter seg i. For eksempel:
Sammenheng mellom hørsel og trykk
frekvens og volum
Som vi allerede har sagt, kan en person ideelt sett oppfatte lyd med en frekvens på 16 til 20 000 Hz. Selve lydfrekvensen gir oss imidlertid ikke mulighet til å vurdere hvor trygt det er for mennesker. Lydens frekvens indikerer den teoretiske muligheten for å høre en slik lyd, men praktisk talt om vi hører den eller ikke avhenger av amplituden. Amplitudens logaritme måles i desibel (dB). En desibel er et relativt mål på hvor mye volumet til en lyd har økt eller redusert.
Lydstyrke er den tilsynelatende styrken til en lyd og måles i desibel. Lydstyrkens avhengighet av lydtrykknivået (og lydintensiteten) er en rent ikke-lineær kurve, den har en logaritmisk karakter. Når lydtrykknivået økes med 10 dB vil lydvolumet øke med 2 ganger.
Hvilke volumnivåer møter vi i livene våre?
Lyd |
Lydstyrke, dB |
Stillhet (spesielt kammer) |
|
En stille hvisking, tikken fra en klokke |
|
Raslingen av løv, klokkens tikk, normen for boligkvarter |
|
Landsbygd utenfor veien, bibliotek |
|
Rolig boligområde, park, rolig samtale |
|
Middels volum samtale, stille gate, stille kontor |
|
Normal samtale på 1m, normen for kontorer |
|
Travel gate, telefon |
|
Høy vekkerklokke, lastebil eller motorsykkelstøy |
|
Høyt skrik, jackhammer, godsvogn i en avstand på 7m |
|
T-banetog, hårføner, smedbutikk, veldig bråkete fabrikk |
|
Rockemusikk, skrik av et barn, helikopter, traktor på 1 meters avstand |
|
Smerteterskel, tett torden, vuvuzela i en avstand på 1m |
|
Skade indre øre, maksimalt volum på en rockekonsert |
|
Kontusjon, traumer, mulig brudd på trommehinnen |
|
Sjokk, traumer, trommehinneruptur |
|
Mulig lungeruptur, mulig død |
|
Maks. trykk fra luftsjokkbølgen under eksplosjonen av trinitrotoluen |
|
Det maksimale trykket til en luftsjokkbølge under en atomeksplosjon |
|
Trykk inn atomladning på tidspunktet for en atomeksplosjon |
Støy i våre boliger (boliglokaler) kan oppstå pga ulike årsaker. Avhengig av støykilden er de delt inn i sjokk, luft, strukturell og akustisk.
Typer støy (lyder):
Som et resultat av vindens interaksjon med ulike strukturer, hvis strømningshastighetene er svært høye og tverrdimensjonene til legemene i strømmen er små, dannes det ultralydvibrasjoner, og hvis strømningshastighetene er lave og tverrdimensjonene er store, infralyder dannes. For eksempel, når de flyter rundt trestammer, telegrafstolper, metallstoler, skipsutstyr, vil sistnevnte avgi infralyder.
Gjeldende SanPiN 2.1.2.2801-10 «Endringer og tillegg nr. 1 til SanPiN 2.1.2.2645-10 «Sanitære og epidemiologiske krav til levekår i boligbygg og lokaler» inneholder følgende standarder for boliglokaler:
Tillatte støynivåer i boliglokaler
Navn på lokaler, territorier |
Tider på dagen |
Lydtrykknivåer, dB, i oktavfrekvenser |
||||||||
Stuer til leiligheter |
7 - 23 timer |
|||||||||
23-7 |
||||||||||
Territorier i direkte tilknytning til boligbygg |
7 - 23 timer |
|||||||||
23-7 |
||||||||||
Tillatte nivåer av infralyd i boliger
Når du lager musikk, kan det være veldig nyttig å ha en generell ide om hva lyd er og hvordan lyd tas opp på en datamaskin. Med denne kunnskapen blir det mye lettere å forstå hva for eksempel komprimering er, eller hvordan klipping skjer. I musikk, som i nesten alt annet, gjør det å kjenne det grunnleggende det lettere å gå videre.
Hva er lyd?
Lyd er de fysiske vibrasjonene til mediet som forplanter seg i form av bølger. Vi fanger opp disse vibrasjonene og oppfatter dem som lyd. Hvis vi prøver å avbilde en lydbølge grafisk, får vi overraskende nok bølge.
Sinusformet lydbølge
Ovenfor er en sinusbølgelyd som kan høres fra analoge synthesizere eller fra et fasttelefon hvis du fortsatt bruker det. Forresten, det høres på telefonen, snakker på et teknisk, ikke et musikalsk språk.
Lyd har tre viktige egenskaper, nemlig: lydstyrke, tonehøyde og klang. subjektive følelser, men de har sin refleksjon i den fysiske verden i formen fysiske egenskaper lydbølge.
Amplitude
Det vi oppfatter som lydstyrke er vibrasjonsstyrken eller lydtrykknivået, som måles i (dB).
Grafisk representert av bølger i forskjellige høyder:
Jo høyere amplitude (bølgehøyde på grafen), jo høyere oppfattes lyden, og omvendt, jo mindre amplitude, jo roligere lyd. Selvfølgelig påvirker lydens frekvens også oppfatningen av lydstyrke, men dette er egenskapene til vår oppfatning.
Eksempler på ulik lydstyrke, i desibel:
| Lyd | Volum (dB) | Effekt |
| Landlig område vekk fra veier | 25 dB | Nesten uhørlig |
| Hviske | 30 dB | Veldig stille |
| Kontor i arbeidstiden | 50-60 dB | Støynivået forblir behagelig opp til 60 dB |
| Støvsuger, hårføner | 70 dB | importunate; gjør det vanskelig å snakke i telefon |
| Foodprosessor, blender | 85-90 dB | Fra et volum på 85 dB med langvarig (8 timer) lytting begynner hørselsskader |
| Lastebil, betongblander, t-banevogn | 95-100 dB | For lyder fra 90 til 100 dB anbefales eksponering på ikke mer enn 15 minutter for det ubeskyttede øret. |
| Motorsag, jackhammer | 110 dB | Regelmessig eksponering for lyder høyere enn 110 dB i mer enn 1 minutt er i fare for permanent hørselstap |
| Rockekonsert | 110-140 dB | Smerteterskel starter rundt 125 dB |
Frekvens
Når vi sier at lyden er "høyere" eller "lavere", forstår vi hva vi snakker om, men grafisk vises dette ikke etter høyde, men etter avstand og frekvens:
Merk (lyd) tonehøyde - lydbølgefrekvens
jo mindre avstanden er mellom lydbølgene, jo høyere frekvens er lyden, eller rett og slett, jo høyere lyd.
Jeg tror alle vet at det menneskelige øret er i stand til å oppfatte lyder med en frekvens på omtrent 20 Hz til 20 kHz (i unntakstilfeller - fra 16 Hz til 22 kHz), og musikalske lyder er i området fra 16.352 Hz ("til" subcontroctave) til 7,902 kHz ("si" av den femte oktaven).
Timbre
Og den siste viktige egenskapen for oss er klangen til klangen. Med ord er det slik lyden er "farget", og grafisk ser den ut som en annen kompleksitet, kompleksiteten til en lydbølge. Her er for eksempel en grafisk representasjon av lydbølgene til en fiolin og piano:
Lydens klang er kompleksiteten (kompleksiteten) til en lydbølge
Mer komplisert enn en sinusoid, er det ikke?
Det er flere måter å ta opp lyd på: musikalsk notasjon, analog notasjon og digital notasjon.
Musikalsk notasjon- dette er ganske enkelt data om frekvensen, varigheten og volumet til lyder som må spilles på et instrument. I dataverdenen er det en analog - MIDI-data. Men vurderingen av dette problemet ligger utenfor rammen av denne artikkelen, vi vil analysere det i detalj en annen gang.
analogt opptak- i hovedsak en oversikt over fysiske vibrasjoner slik de er på et hvilket som helst medium: en vinylplate eller magnetbånd. Her bør elskere av varm rørlyd umiddelbart begynne å spytte, men vi er ikke en av dem som analoge enheter har en sterk feil og grunnleggende begrensninger, dette introduserer forvrengninger og forringer kvaliteten på opptaket, og fysiske medier slites ut over tid, som ytterligere reduserer kvaliteten på lydsporet, så analogt opptak er nå en saga blott.
Digital lydopptak– en teknologi som gjorde det mulig for hvem som helst å prøve seg som lydtekniker eller produsent. Så hvordan fungerer det? Tross alt kan en datamaskin bare registrere tall, og for å være presis, bare nuller og enere, der andre tall, bokstaver, bilder er kodet. Hvordan registrere så komplekse data som lyd i tall?
Løsningen er ganske enkel - kutt lydbølgen i små biter, det vil si konverter en kontinuerlig funksjon (lydbølge) til en diskret. Denne prosessen kalles diskretisering, ikke fra ordet "nerd", men fra ordet "diskrethet" (latin discretus - delt, intermitterende). Hver slik liten bit av en lydbølge er allerede veldig lett å beskrive i tall (signalnivå på et bestemt tidspunkt), noe som skjer med digitalt opptak. Denne prosessen kalles analog til digital konvertering(analog til digital konvertering), og konverteringsenheten (mikrokrets), henholdsvis av en analog-til-digital omformer (analog til digital omformer) eller ADC (ADC).
Her er et eksempel på et nesten fem millisekunder langt lydbølgesnutt fra en ridecymbal:
Ser du hvordan det er alle tenner? Dette er diskrete små biter som lydbølgen kuttes i, men om ønskelig kan det trekkes en kontinuerlig buet linje gjennom disse søylene, som vil være den originale lydbølgen. Når du spiller, skjer dette i en enhet (også en mikrokrets) som kalles en digital-til-analog-omformer (digital til analog-omformer) eller DAC (DAC). ADC og DAC er hoveddelene av lydgrensesnittet, og dets kvalitet og muligheter avhenger av kvaliteten.
Samplingshastighet og bitdybde
Jeg har nok allerede slitt selv de mest iherdige leserne, men fortvil ikke, dette er den delen av artikkelen den ble startet for.
Prosessen med å konvertere et analogt signal til digitalt (og omvendt) har to viktige egenskaper - samplingshastigheten (aka samplingshastigheten eller samplingshastigheten) og samplingsdybden (bitdybden).
Prøvetakingsfrekvens er frekvensen som lydsignalet kuttes i biter (samples). Ikke gjenta feilen min: samplingsfrekvensen er relatert til lydens frekvens bare gjennom Kotelnikov-teoremet, som sier: for å gjenopprette det opprinnelige signalet unikt, må samplingsfrekvensen være mer enn det dobbelte av den høyeste frekvensen i signalspekteret. Dermed dekker samplingsfrekvensen på 44,1 kHz brukt i CD- og musikkinnspilling
menneskelig hørbart frekvensområde.
Bithet er samplingsdybden, målt i biter, det vil si at det er antall biter som brukes til å registrere amplituden til signalet. Når du spiller inn en CD, brukes 16 bits, som er nok til 96 dB, det vil si at vi kan ta opp en lyd med en forskjell mellom de stilleste og høyeste delene av den er 96 dB, som nesten alltid er nok til å spille inn musikk. I studioer bruker de ved opptak vanligvis 24-bits bitdybde, noe som gir et dynamisk område på 144 dB, men siden 99 % av enhetene som gjengir lyd (båndopptakere, spillere, lydkort som følger med en datamaskin) bare kan behandle 16-bits lyd, når gjengivelsen fortsatt må miste 48 dB (144 minus 96) av dynamisk område ved å bruke 16-biters oppløsning.
Til slutt, la oss beregne bithastigheten til musikk på en lyd-CD:
16 bits x 44 100 samples per sekund x 2 kanaler = 1 411 200 bits per sekund = 1 411,2 kbps.
Dermed tar ett sekund med opptak på en lyd-CD 172 kilobyte eller 0,168 megabyte.
Det var alt jeg ville fortelle deg om lydopptak på en datamaskin.
Vel, nesten alt.
Siste del for hardcore lesere.
Dither
Når du gjengir prosjekter i lydredigerere, når du velger 44 100 kHz 16 bit-formatet, vises avmerkingsboksen Dither noen ganger. Hva det er?
Dette er blandingen av et pseudo-tilfeldig signal. Det er usannsynlig at du føler deg bedre av en slik formulering, men jeg skal forklare nå.
Under analog-til-digital konvertering avrundes amplituden. Det vil si at med en 16-bits samplingsdybde har vi 2 16 = 65 536 alternativer amplitudenivå. Men hvis amplituden til lyden i en av prøvene viste seg å være 34 heltall og 478 tusendeler, må vi runde den opp til 34.
For små nivåer av inngangssignalets amplitude, bærer slik avrunding Negative konsekvenser i form av forvrengninger, som den kjemper med ryste.
Nå er det helt sikkert. Takk for at du leste!
Ikke glem å skrive en kommentar og klikk på de vakre sosiale medieknappene nederst i artikkelen.
Lyd (lydbølge ) –er en elastisk bølge som oppfattes av menneskers og dyrs høreorgan. Med andre ord, lyd er forplantningen av tetthets- (eller trykk-) svingninger i et elastisk medium, som oppstår fra samspillet mellom partikler i mediet med hverandre.
Atmosfæren (luft) er et av de elastiske mediene. Forplantningen av lyd i luft overholder de generelle lovene for forplantning av akustiske bølger i ideelle gasser, og har også funksjoner på grunn av variasjonen av tetthet, trykk, temperatur og luftfuktighet. Lydens hastighet bestemmes av mediets egenskaper og beregnes ut fra formlene for hastigheten til en elastisk bølge.
Det er kunstige og naturlige kilder lyd. Kunstige emittere inkluderer:
Vibrasjoner av solide kropper (strenger og dekk av musikkinstrumenter, høyttalerdiffusorer, telefonmembraner, piezoelektriske plater);
Luftvibrasjoner i et begrenset volum (orgelpiper, fløyter);
Beat (pianotaster, bjelle);
Elektrisk strøm (elektroakustiske transdusere).
Naturlige kilder inkluderer:
Eksplosjon, kollaps;
Luftstrøm rundt hindringer (vind blåser hjørnet av en bygning, toppen av en havbølge).
Det er også kunstige og naturlige mottakere lyd:
Elektroakustiske transdusere (mikrofon i luft, hydrofon i vann, geofon i jordskorpen) og andre enheter;
Høreapparater til mennesker og dyr.
Under forplantningen av lydbølger er fenomener som er karakteristiske for bølger av enhver art mulig:
Refleksjon fra et hinder
Refraksjon på grensen til to medier,
interferens (tillegg),
Diffraksjon (unngåelse av hindringer),
Dispersjon (avhengighet av lydhastigheten i et stoff på lydens frekvens);
Absorpsjon (reduksjon i energien og intensiteten til lyd i mediet på grunn av den irreversible konverteringen av lydenergi til varme).
Objektive lydegenskaper
lydfrekvens
Frekvensen av lyden som er hørbar for en person ligger i området fra 16 Hz før 16 - 20 kHz . Elastiske bølger med frekvens under hørbar rekkevidde kalt infralyd (inkludert hjernerystelse), s høyere Frekvens – ultralyd , og de elastiske bølgene med høyest frekvens er hypersonisk .
Hele lydens frekvensområde kan deles inn i tre deler (tabell 1.).
Bråk har et kontinuerlig spektrum av frekvenser (eller bølgelengder) i området med lavfrekvent lyd (tabell 1, 2). Et kontinuerlig spektrum betyr at frekvensene kan ha hvilken som helst verdi fra det gitte intervallet.
Musikalsk , eller tonal , lyder har et linjefrekvensspektrum i området mellom mellomfrekvent og delvis høyfrekvent lyd. Resten av den høyfrekvente lyden er opptatt av en fløyte. Linjespekteret betyr at musikalske frekvenser kun har strengt definerte (diskrete) verdier fra det angitte intervallet.
I tillegg er intervallet til musikalske frekvenser delt inn i oktaver. Oktav er frekvensintervallet innelukket mellom to grenseverdier, hvor den øvre er dobbelt så stor(Tabell 3)
Vanlige oktavfrekvensbånd
|
Oktavband |
min , Hz |
maks , Hz |
ons , Hz |
Eksempler på frekvensintervaller for lyd produsert av det menneskelige vokalapparatet og oppfattet av det menneskelige hørselsapparatet er vist i tabell 4.
|
kontralto, bratsj | |||
|
mezzosopran | |||
|
Koloratursopran | |||
Eksempler på frekvensområdene til noen musikkinstrumenter er vist i tabell 5. De dekker ikke bare lydområdet, men også ultralydområdet.
|
Musikk Instrument |
Frekvens Hz |
|
Saksofon | |
Dyr, fugler og insekter lager og oppfatter lyd i andre frekvensområder enn mennesker (tabell 6).
I musikk kalles hver sinusformet lydbølge enkel tone, eller tone. Tonehøyden avhenger av frekvensen: jo høyere frekvens, jo høyere tone. Hovedtone kompleks musikalsk lyd kalles tonen som tilsvarer laveste frekvens i sitt spektrum. Toner som tilsvarer andre frekvenser kalles overtoner. Hvis overtoner multipler frekvensen til grunntonen, så kalles overtonene harmonisk. Overtonen med den laveste frekvensen kalles den første harmoniske, med den neste - den andre, etc.
Musikklyder med samme grunntone kan variere klang. Klangen avhenger av sammensetningen av overtonene, deres frekvenser og amplituder, arten av deres stigning i begynnelsen av lyden og forfallet på slutten.
Lydhastighet
For lyd i ulike medier er generelle formler (22) - (25) gyldige. I dette tilfellet bør det tas i betraktning at formel (22) er anvendelig i tilfelle av tørr atmosfærisk luft, og under hensyntagen til numeriske verdier av Poissons forhold, molar masse og universell gasskonstant, kan skrives som :
Imidlertid har ekte atmosfærisk luft alltid fuktighet, noe som påvirker lydhastigheten. Dette er fordi Poissons forhold avhenger av forholdet mellom partialtrykket til vanndamp ( s damp) til atmosfærisk trykk (s). I fuktig luft bestemmes lydhastigheten av formelen:
.
Fra den siste ligningen kan man se at lydhastigheten i fuktig luft er litt større enn i tørr luft.
Numeriske estimater av lydens hastighet, tatt i betraktning påvirkningen av temperaturer og fuktighet i atmosfærisk luft, kan utføres ved å bruke den omtrentlige formelen:
Disse estimatene viser at når lyd forplanter seg langs horisontal retning ( 0 x) med en økning i temperatur med 1 0 C lydhastigheten øker med 0,6 m/s. Under påvirkning av vanndamp med et partialtrykk på ikke mer enn 10 Pa lydhastigheten øker med mindre enn 0,5 m/s. Men generelt, ved maksimalt mulig partialtrykk av vanndamp nær jordoverflaten, øker lydhastigheten med ikke mer enn 1 m/s.
Lydtrykk
I fravær av lyd er atmosfæren (luft) et uforstyrret medium og har et statisk atmosfærisk trykk ( 
).
Når lydbølger forplanter seg, legges et ekstra variabelt trykk til dette statiske trykket, på grunn av kondensering og sjeldne luft. Når det gjelder plane bølger, kan vi skrive:
hvor s sv, maks er lydtrykkamplituden, - syklisk frekvens av lyd, k - bølgetall. Derfor er det atmosfæriske trykket på et fast punkt i dette øyeblikket tiden blir lik summen av disse trykkene:
Lydtrykk - dette er et variabelt trykk lik forskjellen mellom det øyeblikkelige faktiske atmosfæriske trykket ved et gitt punkt under passering av en lydbølge og det statiske atmosfæriske trykket i fravær av lyd:
Lydtrykk i løpet av oscillasjonsperioden endrer verdi og fortegn.
Lydtrykket er nesten alltid mye mindre enn atmosfærisk trykk.
Den blir stor og står i forhold til atmosfærisk trykk når sjokkbølger oppstår under kraftige eksplosjoner eller når et jetfly passerer.
Lydtrykkenhetene er som følger:
- pascal i SI 
,
- bar i GHS 
,
- millimeter kvikksølv,
- atmosfære.
I praksis måler enheter ikke den øyeblikkelige verdien av lydtrykk, men den såkalte effektive (eller strøm )lyd press . Det tilsvarer kvadratroten av gjennomsnittsverdien av kvadratet av det øyeblikkelige lydtrykket på et gitt punkt i rommet på et gitt tidspunkt
(44)
og derfor også kalt RMS lydtrykk . Ved å erstatte uttrykk (39) med formel (40), får vi:
.
(45)
Lydimpedans
Lyd (akustisk) impedans kalt amplitudeforholdetlydtrykk og vibrasjonshastighet for partikler i mediet:
.
(46)
Den fysiske betydningen av lydimpedans: det er numerisk lik lydtrykket, og forårsaker oscillasjoner av partiklene i mediet med en enhetshastighet:
Måleenheten for lydimpedans i SI er pascal sekund per meter:
.
I tilfelle av en plan bølge partikkeloscillasjonshastighet er lik
.
Deretter har formel (46) formen:
.
(46*)
Det er også en annen definisjon av lydmotstand, som produktet av mediets tetthet og lydhastigheten i dette mediet:
.
(47)
Da det fysisk mening er at den er numerisk lik tettheten til mediet der den elastiske bølgen forplanter seg med enhetshastighet:
.
I tillegg til akustisk motstand i akustikk, brukes konseptet mekanisk motstand (R m). Mekanisk motstand er forholdet mellom amplitudene til den periodiske kraften og oscillerende hastigheten til partiklene i mediet:
,
(48)
hvor S er overflatearealet til lydgiveren. Mekanisk motstand måles i newton sekunder per meter:
.
Energi og kraft av lyd
En lydbølge kjennetegnes av de samme energimengdene som en elastisk bølge.
Hvert luftvolum som lydbølger forplanter seg i har en energi som består av den kinetiske energien til oscillerende partikler og den potensielle energien til elastisk deformasjon av mediet (se formel (29)).
Lydintensitet kalleslydkraft . Hun er likestilt
.
(49)
Derfor den fysiske betydningen av lydkraft ligner på betydningen av energiflukstettheten: numerisk lik gjennomsnittsverdien av energien som overføres av en bølge per tidsenhet gjennom den tverrgående overflaten av en enhetsareal.
Enheten for lydintensitet er watt per kvadratmeter:
.
Lydeffekten er proporsjonal med kvadratet av det effektive lydtrykket og omvendt proporsjonalt med lydtrykket (akustisk):
,
(50)
eller, tatt i betraktning uttrykk (45),
,
(51)
hvor R ak – akustisk impedans.
Lyd kan også preges av lydkraft. Lydkraft er den totale mengden lydenergi som sendes ut av en kilde i en viss tid gjennom en lukket overflate som omgir lydkilden:
,
(52)
eller, tatt i betraktning formel (49),
.
(52*)
Lydstyrke, som alle andre, måles i watt:
.
lydbølger eller rett og slett lyd kalt bølgene som oppfattes av det menneskelige øret. Lydfrekvensområdet er omtrent 20 Hz til 20 kHz. Bølger med en frekvens på mindre enn 20 Hz kalles infralyd , og med en frekvens på mer enn 20 kHz - ultralyd . Bølger i lydområdet kan forplante seg ikke bare i en gass, men også i en væske (langsgående bølger) og i et fast legeme (langsgående og tverrgående bølger). Imidlertid er bølger i et gassformig medium - vårt habitat - av spesiell interesse. Den grenen av fysikk som omhandler studiet av lydfenomener kalles akustikk .
Når lyd forplanter seg i en gass, svinger atomer og molekyler i bølgeretningen. Dette fører til endringer i den lokale tettheten ρ og trykk s. Lydbølger i en gass omtales ofte som tetthetsbølger eller trykkbølger.
I enkle harmoniske lydbølger som forplanter seg langs aksen OKSE, trykkendring s (x, t) avhenger av koordinaten x og tid t i lov
To tegn i cosinusargumentet tilsvarer to retninger for bølgeutbredelse. Sammenhenger mellom sirkulær frekvens ω, bølgetall k, bølgelengde λ, lydhastighet υ er de samme som for tverrgående bølger i en streng eller strikk (2.6):
En viktig egenskap ved lydbølger er hastigheten på spredningen deres . Det bestemmes av mediets inerte og elastiske egenskaper. Utbredelseshastigheten til langsgående bølger i ethvert uendelig homogent medium bestemmes av formelen
hvor B er modulen for jevn kompresjon, ρ er den gjennomsnittlige tettheten til mediet. Newton prøvde også å beregne lydhastigheten i luft. Han foreslo at elastisiteten til luft rett og slett er lik atmosfærisk trykk. s atm, da er lydhastigheten i luft mindre enn 300 m/s, mens den sanne lydhastigheten ved normale forhold(det vil si ved en temperatur på 0 ° C og et trykk på 1 atm) er 331,5 m / s, og lydhastigheten ved en temperatur på 20 ° C og et trykk på 1 atm er 343 m / s. Bare mer enn hundre år senere viste den franske forskeren Pierre Laplace at Newtons antakelse var ensbetydende med antakelsen om en rask utjevning av temperatur mellom sjeldne områder og kompresjonsområder. Denne forutsetningen er ikke oppfylt på grunn av luftens dårlige varmeledningsevne og den lille perioden med svingninger i lydbølgen. Faktisk oppstår en temperaturforskjell mellom områdene for sjeldne og kompresjon av gassen, noe som i betydelig grad påvirker de elastiske egenskapene. Laplace foreslo at kompresjon og sjeldnegjøring av gass i en lydbølge skjer iht adiabatisk lov, dvs. uten påvirkning av termisk ledningsevne. Laplaces formel (1816) har formen
hvor s- gjennomsnittlig trykk i gassen, ρ - gjennomsnittlig tetthet, γ - noe konstant avhengig av gassens egenskaper. For diatomiske gasser γ = 1,4. Beregningen av lydhastigheten ved hjelp av Laplace-formelen gir verdien υ = 332 m/s (under normale forhold).
I termodynamikk er det bevist at koeffisienten γ er lik forholdet mellom varmekapasiteter ved konstant trykk Cs og med konstant volum CV. Laplaces formel kan representeres i en annen form hvis vi bruker ideell gassligning av tilstand. Her er det endelige uttrykket:
hvor T - absolutt temperatur, M - molar masse , R\u003d 8,314 J / mol K - universell gasskonstant. Lydens hastighet er svært avhengig av gassens egenskaper. Jo lettere gassen er, jo større er lydhastigheten i den gassen. Så for eksempel i luften ( M\u003d 29 10 -3 kg / mol) under normale forhold υ \u003d 331,5 m / s, i helium ( M\u003d 4 10 -3 kg / mol) υ \u003d 970 m / s, i hydrogen ( M\u003d 2 10 -3 kg / mol) υ \u003d 1270 m / s.
I væsker og faste stoffer er hastigheten på lydbølgene enda større. I vann er for eksempel υ = 1480 m/s (ved 20 °C), i stål υ = 5-6 km/s.
Når det oppfatter ulike lyder, vurderer det menneskelige øret dem først og fremst etter nivå. volum, avhengig av energiflyten eller intensitet lydbølge. Virkningen av lydbølger på trommehinnen avhenger av lydtrykk, dvs. amplituder s 0 trykksvingninger i bølgen. Det menneskelige øret er en perfekt skapelse av naturen, i stand til å oppfatte lyder i et stort spekter av intensiteter: fra det svake knirket fra en mygg til brølet fra en vulkan. hørselsterskel tilsvarer verdien s 0 i størrelsesorden 10 -10 atm, dvs. 10 -5 Pa. Med en så svak lyd svinger luftmolekyler i en lydbølge med en amplitude på kun 10 -7 cm! smerteterskel tilsvarer verdien s 0 ordre 10 -4 atm eller 10 Pa. Dermed er det menneskelige øret i stand til å oppfatte bølger der lydtrykket endres en million ganger. Siden lydintensiteten er proporsjonal med kvadratet av lydtrykket, er intensitetsområdet i størrelsesorden 10 12 ! Det menneskelige øret, som er i stand til å oppfatte lyder i et så stort intensitetsområde, kan sammenlignes med et instrument som kan brukes til å måle både diameteren til et atom og størrelsen på en fotballbane.
Til sammenligning peker vi på at under vanlige samtaler med mennesker i et rom er lydintensiteten omtrent 10 6 ganger høyere enn terskelen for hørbarhet, og lydintensiteten på en rockekonsert nærmer seg smerteterskelen.
En annen egenskap ved lydbølger som definerer dem auditiv persepsjon, er tonehøyde . Oscillasjoner i en harmonisk lydbølge oppfattes av det menneskelige øre som musikalsk tone . Høyfrekvente vibrasjoner oppfattes som lyder høy tone, lavfrekvente vibrasjonslignende lyder lav tone. Lyder laget av musikkinstrumenter, så vel som lyder menneskelig stemme kan variere sterkt i tonehøyde og frekvensområde. Så for eksempel rekkevidden til den laveste mannsstemmen er bass- strekker seg fra omtrent 80 til 400 Hz, og rekkevidden til en høy kvinnelig stemme - sopran- fra 250 til 1050 Hz.
Omfanget av lydvibrasjoner som tilsvarer en endring i frekvensen av vibrasjoner med en faktor på to kalles oktav. Stemmen til fiolinen, for eksempel, dekker omtrent tre og en halv oktaver (196-2340 Hz), og lydene til pianoet dekker mer enn syv oktaver (27,5-4186 Hz).
Når de snakker om frekvensen til lyden som sendes ut av strengene til et strengemusikkinstrument, er det som menes frekvensen f 1 hovedtone. Men strengvibrasjoner kan også inneholde harmoniske, frekvenser fn som tilfredsstiller forholdet:
|
fn = nf 1 , (n = 1, 2, 3...). |
Derfor kan en klingende streng utstråle en helhet spektrum bølger med flere frekvenser. Amplituder ENn disse bølgene avhenger av metoden for eksitasjon av strengen (bue, hammer); de bestemmer den musikalske fargen på lyden eller klang . Det samme gjelder for blåsemusikkinstrumenter. Vindinstrumentrør er akustiske resonatorer, det vil si akustiske oscillerende systemer som er i stand til å bli eksitert (resonnere) fra lydbølger med visse frekvenser. Under visse forhold oppstår det stående lydbølger i luften inne i rørene. På fig. Figur 2.7.1 viser flere typer stående bølger (modes) i en orgelpipe lukket i den ene enden og åpen i den andre. Lydene som produseres av pipene til blåseinstrumenter består av et helt spekter av bølger med flere frekvenser.
Når du stiller musikkinstrumenter, kalles en enhet stemmegaffel. Den består av en akustisk treresonator og en metallplugg festet til den, innstilt til resonans. Når hammeren slår gaffelen, er hele systemet begeistret og avgir en ren musikalsk tone.
Sangerens strupehode er også en akustisk resonator. På fig. 2.7.2 viser spektra av lydbølger som sendes ut av en stemmegaffel, en pianostreng og en lav kvinnestemme (alt), som lyder på samme tone.
Lydbølger, hvis frekvensspektre er vist i fig. 2.7.2, har samme tonehøyde, men forskjellige klangfarger.
La oss nå se på fenomenet som oppstår når to harmoniske lydbølger med nære, men likevel litt forskjellige frekvenser er overlagret. Dette fenomenet kalles beats . Det oppstår for eksempel når to stemmegafler eller to gitarstrenger er stemt til nesten samme frekvens samtidig. Beats oppfattes av øret som en harmonisk tone, hvis volumet endres med jevne mellomrom over tid. La lyden presse s 1 og s 2 som virker på øret, endre i henhold til lovene
|
s 1 = EN 0 cos ω 1 t og s 2 = EN 0 cos ω 2 t. |
I samsvar med superposisjonsprinsipp det totale trykket forårsaket av begge bølgene i hvert øyeblikk er lik summen av lydtrykkene forårsaket i samme øyeblikk av hver bølge separat.
Den totale handlingen til begge bølgene ved bruk av trigonometriske transformasjoner kan representeres som
På fig. 2.7.3(1) viser trykkavhengighetene s 1 og s 2 av tid t. På tidspunktet t= 0, begge oscillasjonene er i fase, og deres amplituder summerer seg. Siden oscillasjonsfrekvensene er noe forskjellige fra hverandre, etter en stund t 1 svingninger vil være i motfase. I dette øyeblikket vil den totale amplituden snu til null (svingninger "slukker" hverandre). Innen t 2 = 2t 1, vil svingningene igjen være i fase osv. (Fig. 2.7.3 (2)).
Minimumsintervallet mellom to tidspunkter med maksimal (eller minimum) oscillasjonsamplitude kalles beat-periodeT b. Langsomt skiftende amplitude EN den resulterende fluktuasjonen er
Periode T b amplitudeendring er lik 2π / Δω. Dette kan vises på en annen måte, forutsatt at periodene med trykksvingninger i lydbølger T 1 og T 2 er slik at T 1 < T 2 (dvs. ω 1 > ω 2). For beatperioden T b noen tall skjer n hele sykluser av svingninger av den første bølgen og ( n- 1) sykluser av oscillasjoner av den andre bølgen.