Музыкальная акустика: определение, роль, основные задачи
Акустика — это наука о звуке, название которой происходит от греческого слова (акуо) — «слышу». Задачей акустики является изучение физической природы звука и проблем, связанных с его возникновением, распространением и восприятием.
Звук имеет двойственную природу:
— с одной стороны, это объективный процесс передачи энергии механических колебаний частиц в упругой среде (воздухе, жидкости, твердом теле);
— с другой стороны, это только те виды механических колебаний среды, которые воспринимаются слуховой системой.
Звук — это особый вид механических колебаний упругой среды, способный вызывать
слуховые ощущения.
— возникновение звука, что требует изучения физической природы звука, а также методов и средств его создания. Этими вопросами занимается акустика музыкальных инструментов, аку-
стика речи, электроакустика и др; определяется колебаниями струн, пластин, мембран, столбов воздуха и других элементов музыкальных инструментов, а также диафрагм громкоговорителей и прочих упругих тел;
— передача звука от источника к слушателю — это задачи архитектурной акустики, электроакустики и др.; — зависит от механических колебаний частиц среды (воздуха, воды, дерева, металла и др.);
— восприятие звука слуховой системой и связь слуховых ощущений с объективными параметрами звука — это задачи психоакустики. Начинается с механических колебаний барабанной перепонки в слуховом аппарате, и только после этого происходит сложный процесс обработки информации в различных отделах слуховой системы.
Примерно 25% информации об окружающем мире человек получает от слуховых анализаторов, 60% — от зрительных и 15% — от остальных.
Слуховая система человека воспринимает только ограниченный класс механических колебаний среды, находящихся в определенных пределах по уровню громкости (звуковое давление от 2 x 10 -5 Па до 20 Па болевой порог, изменение уровня звукового давления от 0 дБ до 120 дБ) и по высоте (изменение частоты от 20 Гц до 20000 Гц). Больше 20 000 Гц – ультразвук. Ниже 20 Гц – инфразвук.
Все окружающие звуки можно условно разделить по различным признакам, например:
— по способу создания — на натуральные и искусственные (природный шум, речь, музыка, биосигналы, электронные звуки);
— по информационному признаку — на звуки для передачи семантической (смысловой) и эмоциональной информации (речь, пение и музыка); для передачи информации об окружающей среде (шум, сигнальные звуки и др.);
— по физическим параметрам, таким как: частотный диапазон (инфразвук, ультразвук, гиперзвук и др.); степень предсказуемости (случайные сигналы, например белый шум; детерминированные сигналы; квазислучайные сигналы, в т. ч. музыка и речь); временная структура (периодические, непериодические, импульсные и др.) и т. д.
Общая (физическая) акустика — теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.
Архитектурная акустика — законы распространения звука в закрытых (полузакрытых, открытых) помещениях, методы управления структурой поля в помещении и т. д.
Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий и др. (расчет конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).
Психоакустика — основные законы слухового восприятия, определение связи объективных и субъективных параметров звука, определение законов расшифровки «звукового образа».
Музыкальная акустика — проблемы создания, распространения и восприятия музыкальных звуков, точнее — звуков, используемых в музыке.
Биоакустика — теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.
Электроакустика — теория и практика конструирования излучателей и приемников, преобразующих электрическую энергию в акустическую и наоборот, а также всех элементов современных звуковых трактов записи, передачи и воспроизведения звука.
Аэроакустика (авиационная акустика) — излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях; методы звукоизоляции и звукопоглощения, теория распространения ударных звуковых волн и т. д.
Гидроакустика — распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.
Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолеты, поезда, автомобили и др.).
Медицинская акустика — разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы-анализаторы шумов сердца, легких и др.).
Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в т. ч. ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.
Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах и т. д.
Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.
Цифровая акустика — активно развивается в последние годы, постепенно выделяется в самостоятельное направление в связи с созданием нового поколения микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.
МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ. ПРОСТЫЕ ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ. ЗАТУХАЮЩИЕ
КОЛЕБАНИЯ. СПЕКТРЫ. РЕЗОНАНС
Колебаниями называются повторяющиеся процессы изменения каких-либо параметров системы (например, перепады температур, биение сердца, движение Луны и т. д.).
Механические колебания — это повторяющиеся движения различных тел (вращение Земли и планет, колебания маятников, камертонов, струн и др.).
Периодические колебания лежат в основе создания музыкальных звуков, так как только по периодическим колебаниям слуховая система идентифицирует высоту тона.
Простое гармоническое колебание можно определить как колебание тела, смещение которого описывается по формуле:
А — амплитуда колебаний. Амплитудой колебаний называется максимальное смещение тела от положения равновесия (при установившихся колебаниях она постоянна) (рис. 2.1.2).
T — период колебаний. Периодом колебаний называется наименьший промежуток времени, через который колебания повторяются (рис. 2.1.2). Измеряется в сек. Например, если маятник проходит полный
цикл колебаний (в одну и другую сторону) за 0,01 с, то его период колебаний равен этой величине: T = 0,01 с. Для простого гармонического колебания период не зависит от амплитуды колебаний.
f — частота колебаний. Частота колебаний определяется числом колебаний (циклов) в секунду. Единица ее измерения равна одному колебанию в секунду и называется герц (Гц).
Частота колебаний — это величина, обратная периоду: f = 1/Т.
Например, если период колебаний равен T = 0,01 с, то частота колебаний равна:
f= 1/Т = 1/0,01 с = 100 Гц.
со — угловая (круговая) частота. Угловая частота связана с
частотой колебаний по формуле со = 2т$, где число к = 3,14. Она
измеряется в радианах в секунду (рад/с). Например, если частота
f = 100 Гц, то со = 628 рад/с.
ω— начальная фаза. Начальная фаза определяет положение тела, с которого началось колебание. Она измеряется в градусах. Например, если маятник начал колебаться из положения равновесия, то его начальная фаза равна нулю. Если маятник сначала отклонить
в крайнее правое положение и затем толкнуть, он начнет колебания с начальной фазой 90°. Если два маятника (или две струны, мембраны и др.) начнут свои колебания с задержкой во времени, то между ними образуется сдвиг фаз (рис. 2.1.5); если задержка во времени равна одной четверти периода, то сдвиг фаз — 90°, если половине периода —180°, трем четвертям периода — 270°, одному периоду — 360°. Если какое-то тело (пружину, маятник, струну, камертон и др.) вывести из положения равновесия (т. е. приложить силу и отпустить), то оно будет совершать свободные периодические колебания с определенной частотой, которая зависит только от его жесткости и массы.
Такая частота называется собственной частотой колебаний. Частота собственных колебаний тела (например, массы на пружине или струны) может быть представлена как:
где к — жесткость тела, m — его масса.
Частота собственных колебаний струны:
Струна длиной L, массой m и натяжением T имеет основную собственную частоту.
Эту же формулу можно записать в несколько другом виде, если представить массу как произведение поверхностной плотности материала струны на ее длину: m = pL , то
Моды – формы колебаний на разных собственных частотах.
Набор собственных частот и амплитуд колебаний, которые воз-
буждаются в данном теле при воздействии на него внешней силы
(ударом, щипком, смычком и др.), называется амплитудным спектром
При возбуждении реальных тел они совершают колебания сложной формы, которые могут быть представлены в виде суммы одновременных колебаний с различными собственными частотами и амплитудами (метод представления называется анализом Фурье).
Первая основная (низшая) собственная частота называется фундаментальной частотой
(иногда ее называют основной частотой). Все собственные частоты выше первой называются обертонами, например на рис. 2.1.14.
фундаментальная частота 100 Гц, первый обертон — 110 Гц, второй обертон — 180 Гц и т. д. Обертоны, частоты которых находятся в целочисленных соотношениях с фундаментальной частотой, называются гармониками (при этом фундаментальная частота называется первой гармоникой). Например, на рис. 2.1.14 третий обертон является второй гармоникой, поскольку его частота равна 200 Гц, т. е. относится к фундаментальной частоте как 2:1.
Слуховая система легко определяет частоту, если обертоны и гармоники совпадают. Если нет, то значит, звучит перкуссия (барабан, тарелка).