Звук: физика, химия, биология (стр. 4 из 5)

Методы перевода звукового поля в электрическую форму и возбуждения похожего звукового поля в другом помещении.

Дадим несколько определений.

Звук. Слово "звук" определяет два понятия: первое - звук как физическое явление; второе - звук как ощущение.

1. В результате вибрации (колебания) какого-либо упругого тела, например струны, возникает волнообразное распространение колебаний воздушной среды. Источником звука является колеблющееся тело. Оно приводит в колебательное движение прилегающие к нему частицы упругой среды (как правило, воздуха), которые заставляют колебаться соседние частицы и т.д. Процесс распространения колебаний частиц упругой среды называют звуковой волной.

2. Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервным волокнам в головной мозг, возбуждая ощущение звука.

Звуковое поле - одна из форм существования материи, проявляется в виде кинетической энергии колеблющихся материальных тел, а также звуковых волн в твердой, жидкой и газообразной средах, обладающих упругой структурой.

Естественные источники звука, параметры, виды.

Музыкальные источники.

Речевые источники.

Звук как таковой (например, в охранных системах).

3.1. Музыкальные источники

Для начала определим некоторые из используемых музыкальных терминов. Сложность в том, что нельзя рассматривать характеристики источников в отрыве от свойств слуха и наоборот. Но с чего-то надо начинать, поэтому рассмотрим характеристики источников звука, полагаясь пока на Ваше обыденное знание о свойствах слуха.

Все звуки, используемые в музыке, по периодичности спектра можно разделить на:

1) тональные (имеющие выраженную периодичность со слышимой частотой);

2) нетональные (шумовые).

Основные слышимые свойства установившегося тонального звука следующие: высота, громкость, тембр. При организации звуков в систему большое значение имеет также длительность.

Высота звука определяется частотой колебаний издающего тональный звук тела.

Громкость - слуховая оценка мощности источника звука. Наиболее близким по смыслу физическим параметром является огибающая звукового сигнала. Реально же ощущение громкости складывается из оценки дальности до источника звука (из двух источников, создающих одинаковое звуковое давление у барабанной перепонки, более громким ощущается более удаленный), спектрального состава (более звонкий звук оценивается более громким; это связано с учетом априорной информации о меньшей линейности процессов большей амплитуды), а также наличия и характера реверберации.

Спектр периодического сигнала (представление его в виде суперпозиции синусоидальных колебаний) является линейчатым, т.е. в суперпозиции участвуют только кратные частоты (поскольку закончить период все синусоиды должны в той же фазе, что и начинали, иначе следующий период будет другим по форме). Наиболее глухим, без призвуков, слышится звук, максимально близкий к синусоиде. Чисто синусоидальный звук называется чистым тоном. А под собственно тоном (основным тоном) понимается наименьшая по частоте составляющая в ряду кратных частот спектра тонального звука, имеющая определенную высоту и обозначаемая определенной нотой.

Остальные составляющие спектра тонального звука с частотами, кратными тону, называемые обертонами (нем. obertone - высшие тона), частичными тонами, призвуками, гармониками, определяют тембр (слышимый характер) звука.

В отличие от громкости и высоты, тембр не является одномерной характеристикой и не ощущается параметрически, например, в виде слуховой оценки уровней обертонов, поэтому его аналитическое описание (в виде совокупности частных характеристик) чрезвычайно затруднительно. В лучшем случае для его характеристики используются слова из слуховой области ощущений, например:

1. Глухой / звонкий - физически означает низкий / высокий уровень обертонов. Причем нечетные гармоники и гармоники высших порядков способствуют ощущению звонкого тембра в большей степени.

2. Бубнящий - физически означает наличие низкочастотного сигнала значительной амплитуды с малым уровнем обертонов и медленно изменяющейся громкостью.

2. Рокочущий - физически означает небольшое периодическое изменение громкости и (или) высоты звука. В спектральной области означает возникновение боковых полос вокруг тона и гармоник.

3. Шепелявый, свистящий, шипящий, шумящий (для нетональных звуков) - означает наличие в звуке непериодических, случайных колебаний с достаточно широким непрерывным спектром. Первые три характеристики используются в основном по отношению к высокочастотным шумам.

Неплохим вариантом является также использование для описания тембра общих характеристик динамических процессов: отрывистый, резкий, слитный, вибрирующий. Но этого часто недостаточно и тогда используется множество слов из других областей ощущений - густой, мягкий, жесткий, прозрачный. Это следствие попытки передать непараметрическое ощущение тембра путем его ассоциации с другими явлениями. Такие описания желательно использовать только по необходимости, т.к. велика вероятность отличия ассоциаций собеседника от Ваших собственных.

Все три характеристики (высота, громкость, тембр) являются весьма парадоксальными. Вот некоторые (далеко не все) признаки этого.

1. Кривая огибающей, которая определяет громкость, может быть построена не единственным образом. Точный способ и параметры, которыми руководствуется слуховой аппарат, неизвестны.

2.Частота, определяющая ощущение высоты, и спектр, определяющий тембр, требует для своего определения некоторого времени. Однако высота, громкость и тембр слишком длительного тона на слух воспринимаются с большими погрешностями.

Ряд кратных частот, включающий основной тон и обертоны, называется натуральным звукорядом. Звукорядом вообще называется расположение звуков по высоте. Полный звукоряд современной музыкальной системы состоит из 88 звуков с частотами от 16 до 4176 Гц. Такой шаг сетки приблизительно соответствует разрешающей способности слуха по частоте (хотя существуют и мнения о значительно большей разрешающей способности слуха). Звуки, входящие в звукоряд называются ступенями. Ступени, частоты которых укладываются в ряд 1,2,4,8,16..., при одновременном воспроизведении сливаются, поэтому все ступени этого ряда имеют одинаковые наименования. Интервал между ними называется октавой (от лат. octava - восьмая), потому что этот интервал разбит на семь частей, и каждый восьмой звук образует интервал в 1 октаву. Так что термин "октава" - музыкальный и в технику пришел, вероятно, через электроакустику.

Семь ступеней, образующие октаву, называются до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Весь звукоряд состоит из 7 полных и двух неполных октав:

-субконтроктава (3 звука);

-контроктава;

-большая октава;

-малая октава;

-1-4 октавы;

-5 октава (1 звук).

Музыкальный строй - ряд абсолютных частот ступеней. Современный музыкальный строй делит каждую октаву на 12 частей (называемых полутонами), причем ля 1-й октавы имеет частоту 440 Гц. Расстояние в два полутона называется целым тоном. Полутона определяют все основные ступени звукоряда (рис. 2.1, белые клавиши) и 5 дополнительных частот (черные клавиши).

Рис. 2.1. Фрагмент клавиатуры фортепиано

Промежуточные 5 ступеней считаются образуемыми от основных (альтерация) и называются так же, но с добавлениями: если повышать основную ступень на 0,5 тона, то добавляется "диез", если понижать, то "бемоль". Повышение / понижение на тон называется "дубль-диез" / "дубль-бемоль". При этом образуется ситуация, когда один звук может называться по-разному (энгармонизм звуков).

Диапазон музыкального инструмента - диапазон частот его тонов.

Форманта - область частот (не зависящая от высоты звука), в которой заметно усиливается звучание попадающих в нее обертонов или основного тона. Это своеобразное описание "амплитудно-частотной характеристики" музыкального инструмента.

Вибрато - небольшое периодическое изменение высоты (частотное вибрато) или амплитуды (амплитудное вибрато) музыкального звука. Периодичность вибрато находится в пределах от 5 до 7 Гц. Вероятно, красота вибрато связана с погрешностями слухового восприятия монохроматического звука.

Фазы музыкального звука

Атака.

Стабильная фаза.

Затухание.

Атака - переходный процесс, характеризующий установление музыкального звука. Это короткий (от долей до десятков мс), но важнейший этап звучания, в большой степени определяющий узнаваемость и натуральность звучания музыкальных инструментов (эффект присутствия). Попробуйте воспроизвести фонограмму "задом-наперед", при этом атака и затухание меняются местами. Определить вид музыкального инструмента оказывается практически невозможным.

Чередованием стабильных фаз создается мелодия.

Затухание определяет пространственность и глубину звука. В значительной степени характер затухания зависит от акустических свойств помещения.

3.2 Виды музыкальных источников

Совет: сопоставьте приводимые частотные диапазоны со стремлением обеспечить воспроизведение электроакустической аппаратурой диапазона от 20 Гц до 20 кГц.

Певческий голос - диапазон от 80 до 1000 Гц для мужского голоса и от 160 до 1300 Гц для женского.

Основные характеристики качества:

1) тональный баланс между нижней (около 500 Гц) и верхней (около 3000 Гц) формантами. Нижняя форманта отвечает за теплоту и округлость звучания голоса, верхняя - за его блеск;

2) живость (изменчивость), динамические оттенки;

3) чистота вибрато и интонации;

4) разборчивость артикуляции.

Смычковые инструменты.

1) скрипка - диапазон от 136 до 2000 Гц;

2) альт - от 131 до 1100 Гц;

3) виолончель - от 65 до 700 Гц;

4) контрабас - от 41 до 240 Гц.