31. Представление звука как суммы гармонических колебаний

Аналогично сказанному о внутреннем ухе, при математическом анализе звуковых колебаний их представляют в виде суммы отдельных синусоидальных функций (гармоник), каждая из которых имеет свою амплитуду, частоту и фазу. Это соответствует разложению исходной функции в ряд Фурье. Напряжение на выходе микрофона, воспринимающего звук, описывается формулой

n

U(t) = ∑ A_i ∙ sin (i∙ω∙t + Ψ_i)

i=1

где: U(t) - текущее значение напряжение на выходе микрофона,

i - номер составляющего гармонического (синусоидального) колебания (гармоники)

n - максимальный номер, t – время, A_i - амплитуда гармоники, ω - угловая частота первой гармоники, Ψ_i - начальная фаза гармоники.

Считается, что фазу гармоники человек не воспринимает при оценке тембра звука, так как фаза звука используется для определения направления источника звука (бинауральный эффект). Одна и та же звуковая волна поступает в оба уха человека с некоторым сдвигом во времени, так как наши уши разнесены на расстояние более 10 см. Этого достаточно, чтобы воспринимался сдвиг по фазе звуковых сигналов в обоих ушах. Далее наша нервная система создает у нас чувство направления на источник звука, иногда приходится поворачивать голову, чтобы точнее определить место источника звука. При этом на низких частотах при длинах звуковых волн значительно больших расстояния между нашими ушами разница по фазе между обоими звуковыми сигналами в каждом ухе невелика. Поэтому местоположение источника низких звуков определить значительно труднее, чем высоких звуков. Это используется в объемных акустических системах для экономии низкочастотных каналов, особенно низкочастотных громкоговорителей (subwoofer). Можно иметь только один мощный низкочастотный громкоговоритель и несколько среднечастотных (woofer) и высокочастотных (tweeter) громкоговорителей.

32. Акустическое оформление громкоговорителей (колонки)

Хотя все элементы звукового тракта влияют на качество звука, следует выделить громкоговоритель и его акустическое оформление (попросту ящик). Это называется колонкой. На рисунке слева показана схема работы динамического громкоговорителя и, так называемое, акустическое короткое замыкание. Звуковые волны создаются колебаниями конической мембраны диффузора, приводимого в движение звуковой катушкой, по которой протекает переменный ток звуковой частоты. Этот ток описывается вышеприведенной суммой синусоид и поступает из усилителя. Катушка расположена в постоянном магнитном поле.

Движение диффузора вправо создает повышенное звуковое давление, распространяющееся в пространство правее громкоговорителя в виде звуковой волны. Однако слева от диффузора создается пониженное звуковое давление, куда легко переходит сжатый воздух справа, огибая край диффузора. Это явление по краям диффузора называется акустическим коротким замыканием, оно существенно снижает излучение звука громкоговорителем. Как показано в середине рисунка, для устранения акустического короткого замыкания громкоговоритель помещают в ящик. В этом случае путь воздуха, огибающего диффузор увеличивается в соответствии с размерами ящика. Чем больше ящик, тем лучше излучаются звуки, особенно низкие частоты. Здесь проявляется свойство волн огибать препятствия, соизмеримые с длиной волны. Например, на частоте 100 Гц длина звуковой волны (в воздухе) составит примерно 3 м. Открытый ящик с размерами: 1х1,2х0,6 м практически хорошо излучает звук различных частот. Для уменьшения размеров ящика его закрывают, как показано на рисунке справа, тогда воздух вовсе не может зайти с тыла диффузора. Однако при этом затрудняются колебания диффузора из-за сжатия воздуха в закрытом ящике. Поэтому в ящике устраивают небольшое отверстие с трубкой (фазоинвертор).