1.1. Звуковые колебания и волны. Некоторые акустические определения
Природа звуковых волн такова, что при деформации среды в каком-либо элементарном участке в соседних с ним участках возникают последовательные во времени сжатия и разряжения среды, которые распространяются с определенной скоростью с (в воздухе около 331 м/с), образуя звуковую волну. Сами частицы среды при этом не покидают своего места, а лишь отклоняются в ту или иную сторону на очень незначительное расстояние. Длина звуковой волны λ связана с частотой колебаний / и их периодом Τ соотношением:
где Τ измерено в секундах, а f — в герцах.
Различают сферическую, цилиндрическую и плоскую волну.
Поле сферической волны формируется при излучении звука точечным источником звука в неограниченном пространстве. Направление звуковых лучей совпадает с радиусами сферы. Интенсивность звука Ir с удалением от источника звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния:
где I1 — интенсивность звука на расстоянии единицы длины от
центра источника звука, r — расстояние фронта волны от этого центра,
а звуковое давление рr — обратно пропорционально расстоянию:
где р1 — звуковое давление на расстоянии единицы длины от центра источника звука.
Цилиндрическая волна имеет фронт волны цилиндрической формы, ось которой совпадает с осью источника звука. Интенсивность звука с расстоянием убывает обратно пропорционально расстоянию:
а звуковое давление — по закону:
Плоская волна имеет фронт в виде плоскости, звуковые лучи идут параллельно друг другу. Энергия в плоской волне не расходится в стороны, интенсивность звука теоретически не зависит от расстояния, прошедшего волной, если пренебречь потерями на вязкость среды, молекулярное рассеяние, турбулентное затухание и дифракцию волн. В природе перечисленные виды волн в чистом виде встречаются в ограниченном пространстве.
Субъективными характеристиками звука являются: высота, громкость и тембр. Им соответствуют следующие акустические величины:
♦ громкости — звуковое давление,
♦ высоте — частота,
♦ тембру звука — спектральный состав (совокупность синусоидальных составляющих сложного звука).
Громкость — субъективное ощущение интенсивности звука. Она изменяется приблизительно пропорционально логарифму изменения интенсивности. Для сложного сигнала из-за эффекта маскировки имеет сложную зависимость. За уровень громкости любого звука (или шума) условились принимать уровень в децибелах равногромкого с ним чистого тона частотой 1000 Гц. За единицу уровня громкости принят фон.
Звуковое давление — разность между статическим (атмосферным) давлением и давлением в данной точке звукового поля. Мгновенное звуковое давление — звуковое давление в рассматриваемый момент времени. По аналогии с переменным током пользуются эффективным значением. За единицу звукового давления принят ньютон на метр квадратный (1 Н/м2) или как ее еще называют — паскаль (Па).
Интенсивность звука — количество звуковой энергии, проходящее в единицу времени через единичную площадь, расположенную перпендикулярно направлению распространения звука. Иными словами — плотность звуковой энергии (мощность, приходящаяся на единицу поверхности). При интенсивности звука 10 Вт/м2 или 130 дБ ощущение звука переходит в боль (болевой предел). Самая малая интенсивность звука, при которой мы его слышим, равна примерно 10-12 Вт/м2 (порог слышимости), что соответствует звуковому давлению около 2 · 10-5 Па. Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, т.е.:
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона
Тон — это сигнал определенной частоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.
Тембр — субъективное отображение сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (мягкий, сочный, натуральный, живой, сухой, жесткий, металлический, ненатуральный и т.п.). Условием правильной передачи тембра звуков является неискаженная передача спектра сигнала.
Простейшим спектром обладает чистый тон — встречается в электромузыкальных инструментах. Звуки музыкальных инструментов и голосов помимо основного тона содержат широкий спектр обертонов (высших тонов), причем различного состава, что, прежде всего и определяет их различное звучание по тембру.