1. звуковое давление, уровень звукового давления, Громкость. уровень громкости. Кривые равной громкости.

Разность между мгновенными значениями давления в данной точке среды и атмосферным давлением называется звуковым давлением. Микрофон показывает изменение давления при прохождении через эту точку среды звуковой волны (зон сжатия - разжатия). Звуковой давление – величина знакопеременная, в зонах сгущения она +, а в зонах разряжения -, измеряется в Па. Слух определяет огромный диапазон разности между мговенным значением звукового давления и атмосферным, которое равно 100 000 Па. Скорость распрастранения частиц в среде зависит от частоты и амплитуды звукового давления. Если частицы преобретают малую скорость, то можно сказать, что данное тело оказывает большое сопротивление приложенному звуковому давлению. Для этого вводится понятие: удельное акустическое сопротивление среды (импеданс) – это отношение звукового давления к скорости колебания частиц среды. Импеданс является комплексной величиной, т.е. есть активная и реактивная часть.

Уровень звукового давления Из-за огромного диапазона принято решение измерять её используя логарифмическую шкалу. Уровень измеряется в дБ. Увеличение з.д. в 2 раза соответствует изменению уровня звукового давления на 6 дБ. Уровни зд нескольких, одновременно работающих различных источников никогда не складываются.

Громкость. Субъективное ощущение звука, возникающее у слушателя под воздействием звукового колебания. Громкость не может быть определена только величиной силы звука, т.к. она зависит и от частотного состава звукового сигнала, от условий его восприятия и длительности восприятия. В акустике для количественной оценки Г. Используют метод субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным, в качестве которого применяется синусоидальный тон частоты 1кГц. В процессе сравнения уровень эталонного тона изменяют до тех пор, пока эталонный и измеренный звуки станут казаться равногромкими.

Уровень громкости – это величина численно равная уровню эталонного тона частотой 1 кГц, равногромкого с данным звуком. Выражается в фонах. Фоны численно совпадают с уровнем звука, выраженным в дБ, на частоте эталонного тона 1000Гц. Чувствительность слуха зависит от частоты звукового давления. Порог слышимости изображённый графически, представляет кривую, опускающуюся ниже всего в области частот 3-4 кГц и поднимающуюся к краям звукового диапазона. Для равногромкого ощущения интенсивность высоких и низких частот должны быть выше чем средних С помощью кривых равной громкости – кривые Флетчера-Менсона, можно по уровню звука на любой частоте определить соответствующий этому звуку уровень громкости. Частотная зависимость слуха в большей степени сказывается при тихом прослушивании, чем при громком. Это важно учитывать если, музыка при записи контролировалась на высоких уровнях громкости, а прослушиваться будет тихо. Каждя из представленных кривых называется изофон, и характеризует уровень громкости звуков разной частоты.

Ощущение громкости зависит от длительности. 2 сигнала одной интенсивности: короткий менее громкий. При увеличении длительности сигнала ощущение громкости постепенно возрастает пока его длительность не достигнет величины 200 мс. Возрастание уровня громкости происходит почти линейно с увеличением длительности слух обладает свойством адаптачии.

2. Звуковые колебания. Звуковые волны. Звуковые явления. (дифракция, интерференция, эффект Доплера).

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

Звуковая волна – это процесс переноса энергии механических колебаний в упругой среде.

Звуковая волна называется продольной, если направление движения частиц совпадает с направлением распространения возмущения (т.е. передачи энергии механических колебаний) в упругой среде. Если направление частиц перпендикулярно направлению распространения возмущения, то такая волна называется поперечной. В газах распространяются только продольные волны, в твёрдых телах могут быть и продольные и поперечные. Область пространства, в котором наблюдаются звуковые волны, называется звуковым полем. Длина волны это наименьшее расстояние между точками звукового поля с одинаковыми фазами колебания. Поскольку за один период колебаний образуется одно сжатие и одно разрежение плотности среды, то расстояние между двумя сжатиями (или разрежениями) в звуковой волне и равно длине волны. Следует подчеркнуть, что звуковая волна переносит только механическую энергию движения (возмущения); сами частицы среды не переносятся, они только колеблются около своего положения равновесия. После прохождения волны среда остаётся неподвижной (т.е. при распространении звуковой волны нет ощущения ветра, поскольку массы воздуха при этом не переносятся).

Скорость звуковой волны – это скорость передачи звуковой энергии в упругой среде. Она определяется как расстояние, на которое распространилось возмущение за единицу времени. Скорость имеет размерность м/с.. Длина волны равна скорости поделённой на частоту. Скорость звуковой волны зависит от свойств среды, в которой звуковая волна распространяется, а именно от плотности и упругости среды. Скорость звука в твёрдых телах больше чем в жидкостях и газах. В газообразной среде скорость звука сильно зависит от температуры. В воздухе скорость звука не зависит от частоты. При изменении частоты меняется длина волны, но скорость остаётся постоянной. В воздушной среде отсутствует дисперсия – зависимость скорости распространения звука от частоты. Если бы она была, то высокие и низкие звуки, сыгранные одновременно, приходили бы к слушателю в разное время.

При больших расстояниях до источника звуковую волну можно считать плоской, а в плоской волне звуковое давление и интенсивность не должны меняться с расстоянием. Однако в реальной среде происходит постепенное уменьшение звукового давления (интенсивности) с расстоянием, т.е. происходит постепенное затухание звука из-за поглощения его энергии за счёт вязкости и теплопроводности воздуха. Часть энергии звуковой волны расходуется на преодоление внутреннего трения между молекулами. А другая часть энергии расходуется на нагревание воздуха. При распространении звука на очень большие расстояния начинает играть роль турбулентность воздуха. Звуковые волны сильнее затухают при распространении вдоль поглощающей поверхности, при этом высокие частоты поглощаются быстрее. При достижении звуковой волной границы раздела среды, происходит 3 процесса: отражение, поглощение и прохождение через границу раздела среды в другую среду. Процессы описываются с помощью трёх коэффициентов. Их сумма равна 1. Коэффициент поглощения зависит от величины угла падения звуковой волны.

Рефракция – это изменение направления распространения звуковой волны при переходе из одной среды в другую. Если среда имеет другие физические свойства, значительно отличающиеся от свойств первой (плотность, температура), то скорость звука в ней меняется и звуковая волна вследствие этого меняет направление своего распространения.

Дифракция. Способность волн к огибанию препятствий. Благодаря этому звуковая волна может огибать углы, проникать через щели отверстия и распространяться за ними ( иначе звук можно было бы услышать только в прямой видимости источника). Способность к дифракции зависит от соотношения длины волны и размера препятствия.

Если длина волны много больше препятствия, то волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя своей структуры и интенсивности, так же она проходит и через отверстие, оно становится как бы новым источником сферической волны.

Если длина сопоставима с размерами препятствия, то звуковая волна огибает его частично, за препятствием интенсивность становится меньше, появляются области акустической тени. В случае отверстия звуковая волна начинает концентрироваться вперёд, при этом края её размыты.

Если она меньше, то звуковая волна отражается от него, и за препятствием образуется акустическая тень, а через отверстие проходит только узкий звуковой пучок. Поэтому за колонной или балконом темб звука меняется (низкие и средние частоты огибают их, а высокие нет).

Интерференция. Это сложение волн от двух или нескольких когерентных источников, при котором образуется устойчивое пространственной распределение амплитуды и фазы результирующей волны. Под когерентностью понимается согласованное по времени протекание колебательных процессов, которое приводит к созданию звуковых волн, одинаковых по направлению, по частоте и имеющих постоянный сдвиг фаз во времени, т.е. волны, имеющие постоянную разность фаз. При наложении двух когерентных волн образуется так называемая интерференционная картина. Если две волны имеют одинаковые амплитуды, то в тех точках, где волны имеют одинаковую фазу, будет сложение колебаний и будут колебаться с максимальной суммарной амплитудой и наоборот. Если волны не когерентны, среднее значение амплитуды результирующей волны выравнивается в разных точках пространства, при этом происходит сложение потоков энергии (интенсивностей) составляющих волн (а не их амплитуд).

Эффект Доплера. Изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Когда источник приближается, число звуковых волн, проходящих в секунду, увеличивается, и высота тона повышается и наоборот.

Биение – это периодическое изменение амплитуды колебания, возникающее при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами. Если разница между ними примерно 15 Гц и меньше, то суммарное колебание воспринимается слуховой системой как единый сигнал с частотой, равной среднему звучанию двух частот и изменением амплитуды с частотой равной разности частот. Т.е. это особый случай амплитудной модуляции. Биения имеют большое значение в музыкальной практике для настройки музыкальных инструментов, для восприятия консонансов и диссонансов в музыке.

3. созвучия и спектры натуральных созвучий. Тембр звука. Форманты.

Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, практически никогда не бывают чистыми синусоидальными тонами, а являются созвучиями. Это означает, что источник вместе с основными колебаниями излучает волны с частотами в 2,3,4,5 раз и т.д. большими основной частоты. По принятой в музыкальной акустике терминологии эти колебания называются соответственно основным тоном и обертонами. Основной тон определяет высоту звука, обертоны, накладываясь в определённых соотношениях, придают звуку специфическую окраску, или, иными словами, присущий данному источнику тембр. Распределение элементарных тонов созвучия по частотам может не подчиняться какому-либо простому закону. От чистого тона созвучие отличается тем, что его временнАя функция не является синусоидальной.

Тембр звука - окраска звука; качественная оценка звука, издаваемого музыкальным инструментом, звуковоспроизводящим устройством или голосовым аппаратом людей и животных. Тембр звука: - характеризует оттенок звучания; - определяется источником звука; и - зависит от состава обертонов, сопутствующих основному тону, и их интенсивности.

Тембр. Является одной из важнейших субъективных характеристик звукового сигнала, являющихся базой для распознания звукового источника. Американский стандарт ANSI-S3.20 даёт следующее определение: Тембр – атрибут слухового восприятия, который позволяет слушателю определить, что два звука, имеющих одинаковую высоту и громкость, отличаются друг от друга. Гельмгольц провёл большое количество исследований в данной области. Так же Флетчер, Пломпа.

Существенное влияние на тембр оказывает группировка обертонов в формантные группы, особенно в области максимальной чувствительности слуха. Поскольку именно расположение формантных областей служит главным критерием различимости звуков речи, наличие формантных частотных диапазонов существенно влияет на восприятие тембра музыкальных инструментов и певчего голоса. При изменении громкости звука восприятие тембра меняется:1 увеличивается амплитуда колебаний вибраторов различных муз инструментов, 2 изменяется чувствительность слуха (кривые равной громкости). После 90 дБ начинает сказываться сильные искажения в источниках звука и слуховой системе. Для распознания тембра важными элементами являются атака, стационарная часть и спад.

Процесс развёртывания спектра в период атаки звука является важнейшим фактором распознания тембра инструмента и его идентификации. Центроида – изменение распределения звуковой энергии между критическими полосами, т.е. спектральная мощность звукового сигнала и определяется как средняя точка распределения спектральной энергии звука. Смещение центроида в сторону высоких частот ощущается как повышение яркости тембра звучания.

Основные физические признаки по которым определяется тембр звука и его изменения во времени являются:

1. изменение формы спектральной огибающей во времени во все периоды развития звука.

2. выстраивание амплитуд обертонов в период атаки

3. изменение фазовых соотношений между обертонами от детермированных к случайным (в частности, за счёт негармоничности обертонов реальных инструментов).

4. наличие нерегулярной спектральной огибающей и положение спектрального центроида (т.е. максимума спектральной энергии), что связано с восприятием формант и их изменением во времени.

5. наличие амплитудной (тремоло) и спектральной (вибрато) модуляции.

6. изменение формы спектральной огибающей с изменением интенсивности (громкости) звучания.

7. наличие дополнительных признаков идентификации инструмента, например характерный скрип смычка, скрип винтов на рояле и т.д,

С позиции современной психоакустики тембр – это один из первичных признаков при восприятии звука, основа для его категоризации (распознавания), позволяющий выделить источник звука и определить его физическую природу.

Термин форманта применяется обычно не как обозначение определенного тона, характерного для данной гласной, а как определённая область резонанса, в которой усиливается ряд гармоник звука, производимого голосовыми связками или инструмента, то есть в спектре звука форманта является достаточно отчетливо выделяющейся областью усиленных частот, определяемой по усредненной частотной величине. Принятое обозначение форманты — F. Считается, что для характеристики звуков речи достаточно выделения четырех формант − FI, FII, FIII, FIV, которые нумеруются в порядке возрастания их частоты: самая низкая форманта, ближе всех расположенная к частоте голосового источника, — FI, за ней — FII и т. д. Для разных звуков речи характерны определенные частотные диапазоны формант. Среднее расстояние между формантами для мужских голосов составляет приблизительно 1000Гц, для женских и детских — несколько больше.