И диффузор рождает звук

И диффузор рождает звук

– Это началось еще в детстве. Я начал учиться играть на скрипке и разбил четыре стакана и блюдце.

– Как это так? – спросил я. Я сразу вспомнил какой-то анекдот, где одна дама говорит другой: «Вы представляете, вчера дворник бросал нам дрова и разбил люстру». Есть такой старый анекдот.

– Это известный физический закон, – пояснил он неожиданно. Явление резонанса. – И он, не переводя дыхания, изложил мне соответствующий анекдот из школьной физики, как через мост шла в ногу колонна солдат, и мост рухнул. Потом он объяснил мне, что стаканы и блюдца тоже можно дробить резонансом, если подобрать звуковые колебания соответствующих частот. Должен сказать, что именно с тех пор я начал отчетливо понимать, что звук – это тоже колебания.

А. и Б. Стругацкие «Стажеры»

Наш мир наполнен звуками. Шорох листвы в парке, стук падающих с деревьев яблок, пение птиц и грохот океанского прибоя, все это – звуки природы. Человечество тоже очень шумит, многократно перекрывая лязгом своих машин звуки природы. Но кроме способности создавать шумные механизмы, люди наделены даром речи, а некоторые способны сочинять музыку. Речь и музыка – это тоже звуки, только очень сложные.

Значение музыки в жизни человека люди поняли очень давно. В античной Греции музыка входила в семерку обязательных для изучения дисциплин, наравне с математикой, логикой и риторикой. Греки считали, что музыка должна строиться по простым и логичным законам, так же как речь на судебном процессе или решение математической задачи. Интересно, что бы они сказали, если бы услышали музыку Шнитке или Губайдуллиной…

Потом, в Средневековье, музыка надолго стала военной и церковной, и только в эпоху Возрождения вновь обрела светский характер, дав мировой культуре плеяду великих композиторов.

Не менее важно для человечества – уметь записывать и сохранять для потомков речь и музыку великих актеров и музыкантов, причем не в книгах и нотах, а в подлинном, живом звучании. Даже примитивные патефонные записи начала XX века позволяют нам насладиться шаляпинским басом или грассирующим тенором Вертинского, а вот голоса Пушкина, читающего свои стихи, мы никогда не услышим…

Все, что связано со звуком и его взаимодействием с веществом изучают в разделе физики, который называется «Акустика». Акустика – одна из древнейших областей физики, но только в ХХ веке с появлением радиоэлектроники она обрела вторую жизнь, выдвинулась на первый план среди многих научных дисциплин, определяющих образ жизни современного человека.

Звук – это волны, возникающие в воздухе (или другой упругой среде, например, в воде) под действием каких-либо колеблющихся предметов. Человек воспринимает эти волны с помощью органов слуха.

Человеческое ухо

Человеческое ухо состоит из наружного, среднего и внутреннего уха.

Наружное ухо – это ушная раковина и начало слухового прохода до барабанной перепонки. За ней следует область среднего уха: полость, заполненная воздухом, и три слуховые косточки. Первая из них, молоточек, одним концом соединена с барабанной перепонкой, а другим – со второй косточкой, наковальней. Наковальня соединена с третьей косточкой – стременем, которая упирается в перепонку, отделяющую среднее ухо от внутреннего. Внутреннее ухо – это полость, свернутая улиткой и заполненная жидкостью. Внутри лабиринта есть мембрана, соприкасающаяся со слуховыми нервами. Молоточек, наковальня и стремя – это, по сути, рычажный механизм, передающий колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо. Когда давление воздуха в наружном ухе возрастает, барабанная перепонка прогибается внутрь, рычаги из косточек передают колебания на перепонку среднего уха. В жидкости лабиринта возникают упругие волны, приводящие в движение мембрану улитки, которая, в свою очередь, касается кончиков нервных корешков, идущих в мозг и создающих ощущение звука. Вот, как все сложно устроено!

Скорость звука и звуковое давление

Как уже говорилось, звуковые волны образуются в результате колебаний предметов. В воздухе эти волны распространяются со скоростью около 340 м/с, которую принято называть скоростью звука. В более плотных средах звук распространяется гораздо быстрее. Например, в воде скорость звука составляет почти 1500 м/с, а в стали – 6000 м/с. Когда Чингачгук Большой Змей прикладывал ухо к земле, желая услышать топот копыт лошадей бледнолицых, он, не зная физики, интуитивно поступал совершенно правильно!

В воздухе эти волны распространяются со скоростью около 340 м/с, которую принято называть скоростью звука.

Область пространства, в которой фиксируются звуковые волны, называется звуковым полем. Из физики известно, что волны в упругих средах бывают двух видов. Если частицы среды смещаются в направлении, перпендикулярном распространению волны, то это – поперечные волны, а если вдоль распространения, то – продольные. Акустические волны – всегда продольные, причем частицы среды колеблются, не перемещаясь в пространстве. Чередуются лишь области сжатия и разряжения.

Остап Бендер любил повторять: «...на каждого гражданина давит столб воздуха силою в двести четырнадцать кило! Это научно-медицинский факт. И мне это стало с недавнего времени тяжело. Вы только подумайте! Двести четырнадцать кило! Давят круглые сутки, в особенности по ночам. Я плохо сплю». Великий комбинатор имел в виду давление атмосферное. Звуковые волны тоже создают давление, которое по отношению к атмосферному является избыточным. В фазе сжатия среды звуковое давление положительное, а в фазе разряжения – отрицательное.

Ощущаемая на слух разность между полным давлением воздуха и средним, которое возникает в среде при отсутствии звука, называется звуковым давлением.

В системе СИ звуковое давление измеряется в Паскалях. 1 Паскаль равен давлению, создаваемому силой в 1 ньютон на 1 квадратный метр площади. Ранее давление измеряли в барах, 1 Па = 10 бар.

Время t распространения звука от источника, находящегося на расстоянии S до приемника, определяется как:
t = S/ν

Все звуковые волны характеризуются: длиной волны λ (м), частотой f (Гц), периодом Т (с) и скоростью распространения v (м/с).

Эти параметры связаны простыми соотношениями:

T = 1/f, а   λ = c/f

где с – скорость звука в воздухе.

Музыканты частоту звука называют высотой звука или тоном. Низкие частоты воспринимаются как басовые ноты, а высокие – как звуки с высоким тоном, например, детский голос.

Время t распространения звука от источника, находящегося на расстоянии S до приемника, определяется как:
t = S/ν

Что слышит человек

Молодой человек с нормальным слухом, в принципе способен воспринимать звуковые колебания в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Эту полосу частот называют звуковым диапазоном. Колебания с частотами ниже 20 Гц называют инфразвуком, а выше 20 кГц –ультразвуком. С возрастом человеческий слух, как правило, ухудшается. Из-за снижения эластичности барабанной перепонки, люди старшего возраста не слышат звуки высоких частот. На практике, с учетом этого обстоятельства, звуковоспроизводящая аппаратура среднего класса редко способна воспроизводить звуки с частотой выше 14 кГц. Иначе обстоит дело с низкими частотами, там, как говорится, «каждый герц на счету». Без низких частот звук становится «плоским», неинтересным.

Важнейшей характеристикой звука является сила (интенсивность) звука

Сила звука – это среднее по времени значение плотности потока энергии, переносимой звуковой волной:

I = p²/2ρc

где: р – амплитуда звукового давления, Па;

       ρ – плотность воздуха, кг/м³;

       с – скорость звука в воздухе, м/с.

Важно заметить, что сила звука пропорциональна квадрату давления, т.е. с увеличением звукового давления сила звука растет очень быстро.

Человеческое ухо способно воспринимать звуки, лежащие в определенном диапазоне, ограниченном слева порогом слышимости, а справа – болевым порогом. Чувствительность человеческого уха сильно зависит от частот воспринимаемых звуков. Самый низкий порог слышимости лежит в диапазоне от 1 до 5 кГц, он примерно соответствует диапазону частот, в котором лежит человеческая речь.

Разность между болевым порогом и порогом слышимости называют динамическим диапазоном слуха. Динамический диапазон слуха измеряют в децибелах (дБ).

Интересно, что человек с нормальным слухом способен отчетливо воспринимать звуковые давления на уровне 3*10^-5 Н/м², то есть в 3*10¹⁰ раз меньше атмосферного давления! Можно подсчитать, что такое давление отклоняет барабанную перепонку уха на расстояние меньшее, чем размер атома. Каким образом человек слышит такие слабые звуки, ученые не могут понять до сих пор…

Громкость

На практике вместо понятия силы звука удобнее пользоваться понятием громкость звука.

Громкостью называют субъективное ощущение звука, возникающее у слушателя под воздействием звуковых колебаний. Громкость – это именно субъективная характеристика, так как она зависит не только от звукового давления, но и от частотного состава звука, от условий, в которых находится слушатель, от времени, в течение которого он слушает звук.

Интересно, что человек с нормальным слухом способен отчетливо воспринимать звуковые давления на уровне 3*10^-5 Н/м², то есть в 3*10¹⁰ раз меньше атмосферного давления!

Для сравнения звуков с различной громкостью используется следующая формула:

L_N = 20lg(p*_эфф/p*₀)

 p*₀ – стандартный порог слышимости для звука, частотой 1 кГц, равный 20 мкПа;

 p*_эфф – эффективное звуковое давление для звука стандартной частоты 1 кГц, равногромкое с исследуемым звуком.

Громкость звука измеряется в фонах.

Для примера приведем уровни громкости некоторых источников звука, взятые из книги Б. Я. Меерзона «Акустические основы звукорежиссуры»

Уровни громкости измеряют с помощью специальных приборов – шумомеров.

Кривые равной громкости

Как уже говорилось, чувствительность слуха зависит от частоты звукового сигнала. Экспериментально получено семейство кривых, которые называют кривыми равной громкости. По оси абсцисс откладывается частота звука, а по оси ординат – уровень громкости. Особое значение эти кривые приобретают для конструкторов радиоаппаратуры. Дело в том, что самый большой наклон эти кривые имеют на малых уровнях громкости, а на больших – как бы выпрямляются. Именно поэтому в современной звуковоспроизводящей аппаратуре регуляторы громкости – тонкомпенсированные. На малых уровнях громкости, чтобы не «обеднять» звук приходится искусственно поднимать усиление в области низких частот.

Кривые Флетчера-Мансона

Звуки, с которыми мы имеем дело, сильно отличаются от простых синусоидальных волн, это – сложные созвучия.

Звуковая волна, проходя через среду, вызывает ее вынужденные колебания. Если частоты возбуждающей волны и собственных свободных колебаний среды совпадают, то возникает усиление, называемое резонансом. Это явление используется в духовых инструментах и рупорах акустических систем

На практике звуки, с которыми мы имеем дело, сильно отличаются от простых синусоидальных волн, это – сложные созвучия. Для анализа таких сигналов используют прием, широко используемый в радиоэлектронике. С помощью преобразования Фурье сложный сигнал преобразуют в гармонический ряд Фурье, состоящий из синусоид с различными частотами и амплитудами.

Первую гармонику такого спектра музыканты называют основным тоном, а гармоники с более высокими частотами – обертонами. Основной тон определяет высоту звука, а обертона-гармоники придают звуку определенную окраску, создавая тембр голоса или музыкального инструмента.

Для исследования спектров звуковых сигналов используют сложные и дорогостоящие приборы – анализаторы спектра.

С помощью таких приборов можно установить, что некоторые музыкальные инструменты, например скрипка, имеют относительно равномерный спектр, а некоторые духовые инструменты имеют спектры с ярко выраженными максимумами и минимумами, называемыми формантами.

Терминов, прямо описывающих тембровую окраску голоса человека или музыкальных инструментов, не существует, поэтому приходится прибегать к различным метафорам, вроде «Глубокий тембр, жесткий тембр, металлическое или даже транзисторное звучание».

И здесь наука бессильно разводит руками и уступает свое место искусству.