Корзина
12 отзывов

Природа звука

Природа звука

25.03.16

Природа звука
 

 

Немного о звуке и его природе

Что такое звук? Звук, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальным органом чувств человека и животных. 

В нашем случае интересно, как связаны эти оба "смысла". Это важно нам потому, что мы обязаны рассматривать понятие звука как просто колебание, и как нечто имеющее художественный, так сказать, субъективный смысл. В итоге мы создаём (как звукорежиссёры) некую "звуковую картинку". И красота её, или уродство зависит, в том числе, от понимания физики процессов.

Для более простого понимания советую представить волны на поверхности воды от брошенного камня.

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде.

В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях.
В жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах.

В воздухе при нормальных условиях скорость звука составляет 331.46 м/с (1193 км/ч).
В воде скорость звука составляет 1485 м/с.
В твёрдых телах скорость звука составляет 2000-6000 м/с.

Громкость — это кажущаяся сила звука. Громкость сложным образом зависит от звукового давления, частоты звуковых колебаний, их тембра и других факторов. 

К важным характеристикам именно для музыки относят так же и длительность звука, хотя на физические свойства это не влияет.

Звуковое давление — дополнительное давление, возникающее в упругой среде при прохождении в ней звуковых волн; единица измерения — Паскаль (Па). Кстати, его часто измеряют в относительной шкале: в децибелах (дБ).

Частота — характеристика процесса, повторяющегося во времени. Определяет количество повторений за единицу времени. Измеряется в Герцах (Гц). Величина, обратная частоте, называетсяпериодом и имеет размерность времени, измеряется в секундах (с).

На рисунке показаны два примера звуковых колебаний с одинаковым уровнем давления и разной частотой.
 

 

Длина волны обозначает физическое расстояние между двумя соседними точками волны, соответствующими пиковому состоянию.
 

 

Численное значение длины волны получается делением скорости распространения этого вида волн на её частоту. Таким образом, гипотетическая волна со скоростью 20 м/с и частотой 2000 Гц имеет длину 1 см.
 

 

Таким образом, звуки ВЧ диапазона представляют собой короткие звуковые волны, а звуки НЧ диапазона, соответственно, длинные звуковые волны. Естественно, СЧ диапазон представлен звуковыми волнами средней длины (относительно двух первых позиций).

Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц. 

Звук, ниже диапазона слышимости человека, называют инфразвуком.
От 20 000Гц до 1 ГГц — ультразвуком.
От 1 ГГц до 10 ТГц — гиперзвуком.

Весь звуковой (то есть — слышимый) частотный диапазон (от 20 Гц до 20 кГц) условно разбит на три основных поддиапазона:

1) Низкочастотный (басовый) (НЧ) — от 20 до 200 Гц;

2) Среднечастотный (СЧ) — от 200 Гц до 4 кГц (в некоторых источниках - до 5 кГц);

3) Высокочастотный (ВЧ) — от 4 до 20 кГц.

Высокие частоты (ВЧ). Обычно самые высокочастотные звуки (16-20 кГц) субъективно воспринимаются в виде «сипа», в отличие от звуков, имеющих частоту около 4 кГц, воспринимаемых как «шипение».

Избыток ВЧ обычно проявляется в виде резких, неприятных, «металлического» оттенка скрипичных партиях, навязчивых тарелках хета, с трудом переносимых челесте и ксилофоне. Если такой эффект сопровождается ещё и высоким уровнем реверберации (пояснения дальше по тексту) в данном диапазоне, то слушать симфонический оркестр становится просто невозможным, а игра на щёточках тон-барабана превращается в пытку.

Недостаток ВЧ — также весьма неприятное явление. Звук теряет пространственную глубину, появляется ощущение «ваты в ушах». Отсутствие звукового «флёра» или, как ещё говорят «воздуха», придает музыке элемент «искусственности», схоластики. Джаз теряет «теплоту» («интимность»), концертные записи - «ощущение зала», а вокал становится «холодным» и «глухим». Тарелки хета «шипят», как, впрочем, и звуки «ц» и «с».

Средние частоты (СЧ) — это важнейший информационный канал. Весь СЧ диапазон, учитывая его огромную протяжённость, в свою очередь, содержит два поддиапазона — НСЧ (нижние СЧ), и ВСЧ (высокие СЧ). По этой же причине СЧ диапазон гораздо более сложен для изучения, чем ВЧ диапазон. Дело в том, что значения границ СЧ диапазона отличаются друг от друга почти в 40 раз! И на границах этого диапазона царствует различная по своему характеру физика: нижние СЧ по акустическому поведению ближе к НЧ, а высокие СЧ — к ВЧ (подробнее читайте ниже по тексту).

В данном частотном диапазоне сосредоточено основное тональное звучание человеческого голоса, звуков живой природы (с человеческой, естественно, точки зрения) и музыкальных инструментов, за некоторым исключением. Понятно, что к качеству звукопередачи по этому каналу предъявляются особые требования. Разборчивость речи или качество артикуляции должно быть таким, чтобы отчетливо понимать даже шепот.

Низкочастотный (басовый) диапазон (НЧ). Стоит отметить, что своей любовью к музыке человек почти целиком обязан басам. Благодаря уникальной способности баса полностью заполнять окружающее пространство (в большинстве случаев практически невозможно определить локализацию НЧ-источника), мы воспринимаем СЧ и ВЧ составляющие музыки в «бульоне» низкочастотного фона, что наделяет, например, рок-музыку силой магического воздействия.

В басовом диапазоне также выделяют два поддиапазона: 

Высокий бас (mid-bass) — выше 160 Гц.
Низкий бас (глубокий, low-bass) — ниже 160 Гц.

Выделяют также Сверхнизкий бас с частотами ниже 20 Гц. Такие звуковые колебания называютсяинфразвуком.

На приведённой ниже диаграмме изображены частотные полосы голоса и некоторых музыкальных инструментов:
 

 

Различные части диапазона воспринимаются ухом неравномерно. Лучше всего слышны тоны средних частот и особенно в зоне 800-2000 Гц, хуже — крайние части диапазона: ниже 50 и выше 10 000 Гц.

Собственная частота колебаний барабанной перепонки равна приблизительно 1000 Гц. Эту частоту с полным основанием можно назвать "собственным тоном" барабанной перепонки, при воздействии звуковых колебаний этой частоты отмечается наилучший ее резонанс.

Небезынтересны результаты исследований, проведенных в акустической лаборатории Московского университета, которые показали, что в большинстве окружающих человека "приятных" звуков — шум леса, дождя, моря и т.д. — определяющей является именно частота в 1000 Гц.

Высокие и низкие звуки, имеющие одинаковый уровень, субъективно воспринимаются нами как звуки разной громкости. А значение уровня звука и субъективно слышимой громкости совпадают только на частоте 1000 Гц. 

На основании исследований человеческого слуха были построены графики, которые известны каждому звукорежиссеру как кривые равной громкости. На них изображены линии (они расположены с интервалом в 10 дБ на частоте 1000 Гц), которые соответствуют одинаково воспринимаемой громкости на разных частотах. 
 

 

Из графика видно, что мы гораздо лучше слышим на средних частотах. А вот на низких и высоких частотах чувствительность слуха притупляется.

Отсюда следует крайне важный с практической точки зрения вывод: наиболее линейно мы воспринимаем звук при уровнях 80-90 дБ. То есть при таких уровнях громкости наши уши наиболее адекватно воспринимают реальную звуковую картину.

Однако не следует забывать, что длительное прослушиване музыки на высокой громкости может привести к ухудшению слухового аппарата и даже к чстичной потере слуха. 

Поэтому берегите уши! Потому, что жизнь без слуха – это жизнь без музыки. А, Фридрих Ницше по этому поводу выразился так: «Без музыки жизнь была бы ошибкой».


Звуковой диапазон

Если мы представим себе, например, клавиатуру рояля и то, как выглядят ноты "ля", то можно получить условную взаимосвязь этих нот и соответствующих им частот (при условии, что рояль нормально настроил дядя Фима из цеха настройки музыкальных инструментов консерватории). 

7040 Гц — "ля" 5-й октавы 
3520 Гц — "ля" 4-й октавы 
1760 Гц — "ля" 3-й октавы 
880 Гц — "ля" 2-й октавы 
440 Гц — "ля" 1-й октавы 
220 Гц — "ля" Малой октавы 
110 Гц — "ля" Большой октавы 

100 Гц — частота гудения сетевого трансформатора и мерцания люминесцентной лампы в Европе 
60 Гц — частота сетевого переменного тока в Америке и Японии 
50 Гц — частота сетевого переменного тока в Европе 
17-20 Гц — нижний порог слуха взрослого человека (зависит от человека) 


Тон. Рапространение звуковых волн

Тон (от греч. tonos — напряжение, повышение голоса, ударение) — это:
1) физическая характеристика звука, определяемая частотой колебания... 
2) в музыке — звук, обладающий определенной высотой.

По характеру колебательных движений звуки можно разделить на чистые тоны, сложные тоны и шумы. 

В природе мы практически не встречаемся с чистыми тонами, они подобны дистиллированной воде лабораторий, нас же окружает вода ручьёв, речек, озер, прудов. Чистые тоны можно воспроизвести только с помощью камертона. Окружающие нас звуки — сложные.

Помимо основного тона, имеется масса добавочных тонов, или обертонов.

Звуки, состоящие из смеси тонов самых разных частот, в которых невозможно выделить основной тон, называются шумами.

Наше ухо воспринимает звуки шумовые и музыкальные. Шумовые звуки не имеют четко определенной высоты звука, к шумовым инструментам относят ударные инструменты. Физические свойства музыкального звука определяет громкость, высота и тембр.

Распространению звуковой волны мешают препятствия, встречающиеся на ее пути. Способность звуковой волны огибать препятствия называется дифракцией.

Низкие звуки обладают лучшей дифракцией, чем высокие. Этим, например, объясняется тот факт, что когда группа поющих людей сворачивает за угол, то сначала перестают быть слышны высокие голоса, а затем уже низкие.

Волна может отражаться от большой поверхности, оказавшейся на ее пути. При этом возникает явление, называемое эхом. Каждый из нас встречался с ним в лесу, в горах, где отражающими поверхностями являются деревья, скалы.

Эхо может наблюдаться и в закрытых помещениях, где звук будет отражаться от стен, потолка, мебели. Такое многократное отражение звука в закрытых помещениях от различных предметов носит название реверберации.

Реверберация может быть сильной, и тогда мы говорим о "гулкости" помещения. Реверберацию можно ослабить путем изоляции отражающих поверхностей пористыми или губчатыми материалами, занавесями, коврами.

Эхо — физическое явление, заключающееся принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны.

Звуковое эхо — отражённый звук. Обычно эхо замечают, если слышат также прямой звук от источника, когда в одной точке пространства можно несколько раз услышать звук из одного источника, пришедший по прямому пути и отражённый (возможно несколько раз) от окружающих предметов.

Так как при отражении звуковая волна теряет энергию, то звуковая волна от более сильного источника звука сможет отразиться от поверхностей (например, стоящих друг напротив друга домов или стен) много раз, проходя через одну точку, что вызовет многократное эхо (такое эхо можно наблюдать от грома). Эхо становится различимым на слух, если интервал между прямой и отражённой звуковой волной составляет 50‑60 мс.

Поскольку звуковые волны в воздушной среде обладают постоянной скоростью распространения (около 300 метров в секунду), то время, необходимое звуку для возвращения может служить источником данных об удалении предмета.

Чтобы примерно определить расстояние до предмета в метрах, необходимо засечь время в секундах до возвращения эха, разделить его на два (звук проходит расстояние до предмета и обратно) и умножить на 300. На этом принципе основана эхолокация, применяемая, в основном, для промеров глубины водоемов (в этом случае необходимо учитывать, что в воде звуковые волны распространяются быстрее, чем в воздухе).

Эхо является существенной помехой для аудиозаписи. Поэтому стены комнат, в которых проходит запись песен, радиорепортажей, а также начитка текстов телерепортажей, обычно оборудуются звукопоглащающими экранами из мягких или ребристых материалов. 

Принцип их работы в том, что звуковая волна, попадая на такую поверхность, начинает отражаться не обратно, а на саму поверхность, как бы запутывается в ней. Этому особенно способствуют пористые поверхности.

Эхо в музыке — приём, заключающийся в повторении музыкальной фразы с постепенным затуханием, возможно даже другими инструментами.

Физические объективные признаки звука, воздействуя на акустический анализатор, вызывают в нем появление субъективных физиологических ощущений: высоты, громкости и тембра звука. 

Оценка высоты звука производится в Герцах (Гц) по имени немецкого физика Генриха Герца. Эта величина означает число колебаний за 1 секунду.

В средние века высоту звука обозначали не частотной характеристикой, а октавой. Понятие "октава" существует столько же, сколько существует музыкальная грамота. 

Октава, как известно, состоит из 7 нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Самый низкий звук нашего диапазона, равный 16 Гц, представляет собой "до" субконтроктавы, самый высокий — "ре-ми" седьмой октавы. Диапазон нашего слуха охватывает около 16 октав. 

Октава (обыкновенная октава) (от лат. octava — восьмая) — музыкальный интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1:2.

Субъективно на слух октава воспринимается как устойчивый, базисный музыкальный интервал. Два последовательных звука, отстоящие на октаву, воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя явно различаются по высоте.

Интервал октавы охватывает восемь ступеней диатонического звукоряда, например, от "до" до "до" или от "ре" до "ре", отсюда название. Октава делится на 6 тонов или 12 полутонов в европейской традиции или 24 четверть тона — в индийской.

В принципе, для начала достаточно, чтоб понять, насколько глубоко возможно копать эту тему. Хотя для настоящего, глубокого понимания природы звука, этого явно недостаточно. Но таковая цель и не стояла. Поскольку это именно попытка дать хоть какое-то представление о предмете интереса. 


Источники: 
1. Природа звука. — 06.02.2009. — 2j.at.ua.
2. Что такое звук. — 19.06.2012. — music-4life.ru.
3. Акустическая философия домашней музыкальной студии. — 16.12.2010. — doctor-sound.com.ua.

Источник: Sound House Pro

МУЗЫКАЛЬНАЯ КОМПАНИЯ MUZ.ON
Валерий
+380
98
942-43-44
Украина Запорожская область Мелитополь Проспект 50 лет Победы 36/1
Карта