Музыкальная акустика. ЗВУК
Музыкальная акустика. Понятия "волна" и "спектр"
Элементы психоакустики


Основные понятия и определения

Звук - механические колебания в упругих средах и телах (твердых, жидких, газообразных), частоты которых лежат в пределах 20 - 20000 гц (слышимый звук).

Колебания на частотах меньше 20 гц - инфразвук,
Колебания на частотах больше 20000 гц - ультразвук.

Изучением звука как физического явления занимается наука акустика.

Закономерности восприятия звука человеком имеют нелинейный характер.
Часто мы слышим то, чего нет на самом деле, даже не отдавая себе в этом отчета.
Изучением законов восприятия звуковых явлений человеком занимается наука психоакустика.

Любые исследования в области музыкальной теории, а также акустики музыкальных инструментов, возможны только при условии объединения данных обеих наук. Именно этим и занимается наука музыкальная акустика .

Изучение музыкальной акустики является неотъемлимой частью любого курса композиции электроакустической музыки, главным материалом которой является собственно природа звука и его восприятия человеком.

В обыденной акустической ситуации те или иные объекты (мембраны, деки, струны и т.п.), совершая механические колебания в воздушной среде, создают области повышенного и пониженного давления, что приводит к формированию распространяющихся в пространстве звуковых волн. Измеряя с помощью приборов (например, микрофона) временную зависимость изменения давления в определенной точке пространства, можно построить график, иллюстрирующий колебательный процесс - так называемое волновое представление звука. Тем же способом осуществляется запись звука на различные носители: магнитные, оптические, цифровые и т.п.

Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний,
высота звука определяется частотой этих колебаний,
тембр звука, вообще говоря, определяется амплитудой колебаний обертонов, хотя, строго говоря, это понятие не имеет однозначного определения. «Самым сложным субъективно ощущаемым параметром является тембр. С определением этого термина возникают сложности, сопоставимые с определением понятия «жизнь»: все понимают, что это такое, однако над научным определением наука бьется уже несколько столетий» (И.Алдошина).

Фазой колебания называют стадию или состояние движения колеблющегося тела относительно какого-либо его положения, например относительно положения равновесия; это положение можно принять за начало отсчета фазы. Любое другое положение тела при его колебаниях будет иметь определенную стадию движения или фазу относительно выбранного начала отсчета.

Скорость звука

Скорость распространения звуковой волны - 340 м / сек при нормальной температуре.

Длина звуковой волны на частотах
340 гц - 1 м.
1700 гц. - 20 см.
10200 гц - 3,3 см.

Интерференция волн — сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Когда мы слышим звуки разных, но достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Он используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.

Звуковая волна при падении на границу раздела с другой средой может отразиться от нее, пройти в другую среду, изменить направление движения, т. е. преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Этот эффект называют поглощением звуковых волн. Важно отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.

Стоячая волна — колебания в распределенных колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом, крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения. Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе

Собственная резонансная частота- это такая частота колебаний, с которой данное физическое тело начнет колебаться, будучи выведенным из состояния покоя какой-либо внешней возбуждающей силой, например толчком, как качели, маятник часов и др., или ударом, как ножки камертона, корпус колокола, струна рояля, или потоком воздуха, как труба органа или бутылка, если подуть в ее горлышко и т.д.. Собственную резонансную частоту называют иногда частотой свободных колебаний.

Резонанс (фр. resonance, от лат. resono — откликаюсь) - это явление возникновения и усиления колебаний какого-либо тела или его части под действием возбуждающей эти колебания внешней силы, частота воздействия которой совпадает с собственной резонансной частотой данного тела.

Струны таких инструментов, как лютня, гитара, скрипка или фортепиано, имеют собственную резонансную частоту, напрямую зависящую от длины и силы натяжения струны. Длина волны первого резонанса струны равна её удвоенной длине. При этом, его частота зависит от скорости v, с которой волна распространяется по струне.

Три закона резонанса:

Первый закон. Резонатор является усилителем колебаний воздействующей на него возбуждающей силы. В этом легко убедиться, приставив звучащий камертон к корпусу резонатора: еле слышный звук камертона возрастает до такой силы, что становится слышным в большой аудитории.

Второй закон. Резонатор избирательно реагирует на частоту воздействующей на него возбуждающей силы: усиливает только те колебания, которые соответствуют его собственной резонансной частоте. Максимальный подъем (пик) резонансных кривых происходит только в точке совпадения частоты воздействующей силы и собственной резонансной частоты резонирующего тела.

Третий закон. Резонатор усиливает колебания, соответствующие его собственной частоте, не требуя практически никакой дополнительной энергии.

Формантами называют области устойчивых резонансов, характерных для той или иной акустической системы и существенно влияющих на тембр. Например, каждому звуку речи (простейший звук речи называется фонемой) соответствует своя форма вокального тракта, которая варьируется за счет изменения положения языка, губ, зубов и т.п. и, соответственно, свое положение формант на частотной шкале. Вместе с тем есть области частот, которые певческими резонаторами усиливаются наиболее значительно и постоянно. Это так называемые высокая и низкая певческие форманты.

Реверберация - сложный акустический процесс, возникающий при многократном отражении звуковой волны от различных объектов. Двигаясь в замкнутом пространстве (комната, зал), звуковая волна претерпевает многократные отражения от поверхности стен, различных объектов и т.п. Отраженные звуковые колебания, складываясь, могут сильно влиять на конечное восприятие звука — изменять его окраску, насыщенность, глубину, создавая характерное послезвучание, обусловленное приходом в точку измерения запоздавших отраженных или рассеянных звуковых волн.

Способность огибать препятствия — еще одно ключевое свойство звуковых волн, называемое дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если препятствие оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размер препятствия сопоставим с длиной волны или меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.

Эффект Доплера — еще одно интересное явление, связанное с распространением звуковых волн в пространстве. Он состоит в том, что длина волны (а, значит, и ее частота) изменяется в соответствии со скоростью движения слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель (регистрирующий датчик) приближается к источнику звуковых колебаний, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот.

Относительное изменение интенсивности звука измеряют в децибелах

Величина в децибелах (по интенсивности) =
6 db - изменение в 2 раза
6 + 6 = 12 db - изменение в 4 раза
6 + 6 + 6 = 18 db - изменение в 8 раз и т.п.

0 db - предел чувствительности уха
10 db - шорох листьев
20 db - тихий сад
30 db - тихая комната
40 db - тихая музыка, шум в жилом помещении
50 db - шум в ресторане
60 db - средний уровень разговорной речи на расстоянии 1 м., громкий радиоприемник
70 db - шум мотора грузового автомобиля
80 db - шумная улица
90 db - fff симфонического оркестра, автомобильный гудок
100 db - сирена
110 db - пневматический молот
120 db - реактивный двигатель на расстоянии 5 м.
130 db - болевой порог

Изменение мощности также измеряют в децибелах, но в этом случае число децибел равно десятичному логарифму отношения мощностей, умноженному на 10
величина в децибелах (по мощности) =
Предположим, что мощность P 2 в 2 раза больше начальной мощности P 1 , тогда
10 log 10 (P 2 /P 1 ) = 10 log 10 2 ? 3 дБ ,
т. е. изменение мощности на 3 дБ означает её увеличение в 2 раза.

Аналогично изменение мощности в 10 раз:
10 log 10 ( P 2 / P 1 ) = 10 log 10 10 = 10 дБ,

а в 1000 раз:
10 log 10 (P 2 /P 1 ) = 10 log 10 1000 = 30 дБ,

Вычисления вполне реально производить в уме, для этого достаточно помнить примерную несложную таблицу (для мощностей):

1дБ = 1.25
3дБ = 2
6дБ = 4
9дБ = 8
10дБ = 10
20дБ = 100
30дБ = 1000

Закономерности восприятия человеком громкости, высоты и тембра звука имеют
существенно нелинейный характер.

Пороги слышимости и болевого ощущения

Важная деталь восприятия звука слуховым аппаратом человека - так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность звука, с которой начинается восприятие сигнала. Как мы видели, уровни равной громкости звука для человека не остаются постоянными с изменением частоты. Иными словами, чувствительность слуховой системы сильно зависит как от громкости звука, так и от его частоты. В частности, и порог слышимости также не одинаков на разных частотах. Например, порог слышимости сигнала с частотой около 3 кГц чуть менее 0 дБ, а с частотой 200 Гц - около 15 дБ. Напротив, болевой порог слышимости мало зависит от частоты и колеблется в пределах 100-130 дБ. Обратим внимание, что, поскольку острота слуха с возрастом меняется, порог слышимости в верхней полосе частот различен для разных возрастов.

Кривые равных уровней громкости

Громкость звука соответствует субъективному восприятию силы звука. Ощущение приблизительно пропорционально логарифму раздражения.

Восприятие интенсивности звука нелинейно и сильно зависит от частоты. При этом нормированная громкость звука измеряется в единицах, называемых фонами.

Кривые, устанавливающие соответствие определенным уровням громкости соответствующие им интенсивности звука в зависимости от частоты называют кривыми равной громкости.

Восприятие громкости одного и гого же тона также зависит и от интенсивности звука.

Зависимость субъективно воспринимаемой человеком высоты звука от его частоты

Высота тона - субъективно воспринимаемая слухом частота звукового сигнала.
Субъективно воспринимаемую высоту тона называют мелодической и измеряют в мелах.

Зависимость высота тона от его реальной частоты - нелинейна.

Субъективно воспринимаемая человеком высота звука сильно зависит от его частоты.
Этот феномен учитывают при настройке музыкальных инструментов. К примеру, настройка фортепиано производится с учетом так называемой "кривой Рейлсбека".

Зависимость ощущения высоты звука от его интенсивности

Диаграмма настройки роялей (кривая "Рейлсбека")

Понятия "волна" и "спектр"

Элементы психоакустики