Звук

Материал из МагВики::Справочник по автозвуку и электронике

Звук, волновой колебательный процесс , в широком смысле — упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.^[1]

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше, до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь, и музыкальные звуки, из которых состоит музыка.

Понятие о звуке

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Особенности звукового материала

Поскольку громкоговорители предназначены для воспроизведения речевых и музыкальных звуков и технические требования в отношении частотных характеристик громкоговорителей основываются на свойствах натуральных звуков, целесообразно кратко остановиться на особенностях того звукового материала, который должен воспроизводиться громкоговорителем.

Речь и музыка представляет собой сочетание различных по частоте и силе звуков, непрерывно меняющихся в процессезвучания. Звук, произведенный голосом певца или музыкальным инструментом и воспринимаемый как тон определенной высоты, на самом деле содержит ряд дополнительных тонов различной интенсивности — обертонов, частоты которых в 2, 3, 4 и т. д. раза больше основной частоты звука. Их относительной силой определяется тембр звука. Тональность (высоту звука) определяет основная, самая низкая частота такого сложного колебания. При определении необходимой полосы частот звуковоспроизводящих устройств и их звеньев (усилителей, громкоговорителей и т. п.), а также при оценке качества той или иной звукоусилительной системы по ее параметрам или техническим характеристикам исходят из точных данных о натуральном частотном диапазоне и особенностях звучания музыкальных инструментов. Основные частоты звуков, производимых различными музыкальными инструментами, охватывают полосу частот приблизительно от 16 до 4 000 гц, но со стороны низших частот этот диапазон практически ограничивается частотой 30 гц, так как музыкальные тоны более низких частот встречаются очень редко. Таким образом, полосу от 30 до 4 000 гц следует считать нормальным диапазоном основных частот музыкальных инструментов. Однако для сохранения специфической тембровой окраски звучания музыкальных инструментов и обеспечения этим большей натуральности звучания необходимо воспроизвести и обертоны, создаваемые инструментами. Это требование передвигает верхнюю границу воспроизводимых частот к 16—20 кгц.

Звуки речи охватывают более узкий частотный диапазон: женская речь от 200 до 1 300 гц по основным частотам и до 8 000 гц С обертонами, мужская речь от 70 до 700 гц по основным частотам и до 5 000 гц с обертонами. Певческие голоса имеют следующие диапазоны звучания основных частот: бас 90 — 350 гц, тенор 130— 500 гц, сопрано 250—1 200 гц. Помимо частотных свойств, звучание различных инструментов и голосов характеризуется динамическим диапазоном, причем более мощные инструменты имеют больший диапазон. Также различен и динамический диапазон музыкальных ансамблей, что является следствием того, какими инструментами и в каком количестве создается максимальная и минимальная интенсивность звука (фортиссимо и пианиссимо). Наибольшим динамическим диапазоном обладает симфонический оркестр, у которого отношение интенсивности звука всего состава музыкальных инструментов к интенсивности звука скрипки—соло составляет 65—75 дб, т.е. в среднем 70 дб, что соответствует отношению интенсивностей в 107 раз. Звуковоспроизведение диапазона частот от 30 гц до 16 кгц технически довольно трудная задача, которая решается путем усложнения аппаратуры и в первую очередь громкоговорителей, что приводит к значительному ее удорожанию. В связи с тем, что это не всегда требуется, были проведены тщательные экспериментальные исследования, позволившие установить нормы допустимых ограничений полосы воспроизводимых частот и неравномерности частотной характеристики для различных классов качества воспроизведения (см. стр. 20).

Другие исследования были посвящены изучению статистических характеристик различных натуральных звучаний музыкального характера. В частности, было исследовано распределение динамических уровней большого числа звучаний, которое позволило решить вопрос о соотношении номинальных мощностей, двухполосной и эквивалентной ей широкополосной звуковоспроизводящих систем при различных частотах разделения всего диапазона на две части. Так, при частоте разделения 570 гц мощность низкочастотной части составляет 0,84, высокочастотной — 0,59 мощности широкополосной системы.

При частоте разделения 900 гц мощность низкочастотной части составляет 0,91, высокочастотной — 0,51; при частоте разделения 1430 гц мощность низкочастотной части составляет 0,98, высокочастотной — 0,4 мощности широкополосной системы.

Таким образом, по мере увеличения частоты разделения растет отношение мощностей низкочастотной и высокочастотной частей; для частоты разделения 570 гц оно равно 1,42; для частоты 900 гц отношение мощностей равно 1,78 и 2,45 для частоты разделения 1430 гц.