Распространение звуковых волн

Скорость звука - 344 м/сек. или 1238 км/ч., она больше в жидкости и твердых телах, на нее влияют эластичность среды, плотность, температура (чем она выше, тем быстрее распространяются волны). Скорость звука не зависит от звукового давления (при постоянной температуре) - громкие и тихие звуки путешествуют с одинаковой скоростью, но громкие дальше, так как интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. Не следует путать скорость распространения звука со скоростью движения самих частиц среды (которая все время уменьшается, а скорость звуковой волны постоянна).

Длина звуковой волны - это расстояние, которое занимает один цикл (период); его можно измерить между любыми двумя соответствующими точками (обозначается греческой буквой "лямбда", l - 3.18). Длина волны зависит от 1) скорости распространения волн в данной среде, 2) частоты колебаний (так, если опускать палец в чашку с водой медленно или быстро, длина волны - расстояние между водяными гребнями - будет большим или меньшим). Когда мужчина (с ЧОТ 100 Гц) и женщина (с ЧОТ 200 Гц) произносят звук [а], то длина волны равна соответственно l=с/f (скорость, деленная на частоту) 344 м/с.: 100 Гц. = 3,44 м. и 344/200 = 1,72 м. Для звука [ш] (f=2500 Гц.) l =c/f = 344:2500 = 0,14 м. Чем больше длина волны (и чем меньше ЧОТ, т.е. чем ниже звук), тем легче распространяются звуки (проникают через стены, залезают в углы и т.п.), поэтому мы часто слышим из соседней комнаты только гласные.

Комплексные звуки

Большинство источников промизводят не простые, а сложные (комплексные) звуки, то есть колебания, характеризующиеся наличием более, чем одной частоты (т.к. почти у любого источника более одной частоты - так, при колебании струны колеблется не только вся она целиком, но и ее половина, четвертая часть и т.п.). Все речевые звуки являются сложными. График комплексных или сложных звуков - не синусоида, а гораздо более сложная линия - молекулы среды колеблются не в одном направлении, как маятник, а по более сложной траектории. Чтобы получить комплексный периодический звук можно просто сложить несколько простых тонов (рис. 3.12, 4.1). Верно и обратное - сложный тон можно разложить на несколько простых. Комплексные звуки могут быть 1) непериодические (отсутствует регулярное повторение модели вследствие неповторяющегося характера колебаний у фрикативных согласных или быстрого их затухания у взрывных) и 2) (квази)периодические или гармонические (регулярно повторяющаяся модель, синусоидальные колебания - такие как колебания струны, маятника, голосовых связок). В периодических звуках частоты всех составляющих их колебаний кратны самой низкой частоте, частоте колебания всего тела, которая называется частотой основного тона (ЧОТ, fundamental frequency, F0). ЧОТ - это частота повторения полных циклов в единицу времени. Если вся струна колеблется с частотой 100 Гц., то в то же самое время ее части колеблются с частотами 200, 300, 400 и т.д. Гц. Все эти частоты, кратные ЧОТ, называются гармониками (включая саму ЧОТ) или обертонами (все гармоники, кроме ЧОТ); их количество в спектре звука, в принципе неограничено, но их амплитуда уменьшается с увеличением частоты (на 12 Дб каждую октаву), поэтому очень высокие частоты практически не имеют значения для речевых звуков. Таким образом, если известна ЧОТ, то известны и частоты всех остальных и для того, чтобы узнать спектр звука, необходимо только вычислить значения их амплитуд. Для визуального изображения амплитуд гармоник используется линейчатый (или амплитудно-частотный) спектр (амплитуда откладывается по оси У (оси ординат), а частота по оси Х (оси абсцисс) - 3.14); в этом спектре нет оси времени. Линия, соединяющая вершины гармоник амплитудно-частотного спектра, называется спектральной огибающей. Если же исследователя интересует изменение спектра во времени, то используются серии этих спектров или другие - динамические - спектры, где по оси У частота, по оси Х - время, а амплитуда передается степенью зачернения. Значения амплитуды на спектре часто не калибруются, т.к. важны не абсолютные ее значения, а относительная амплитуда гармоник (с увеличением силы звука возрастает амплитуда всех гармоник).

Высота комплексных звуков зависит от ЧОТ, а интенсивность - от средней интенсивности.

Анализ сложных звуков, результатом которого является линейчатый спектр, - это получение значений частот и амплитуд простых тонов (гармоник), из которых состоит комплексный звук, то есть процесс, обратный сложению синусоид (простых тонов). Это преобразование (спектральное разложение Фурье) основано на теореме Ж.Б.Фурье (1822), которая гласит: сложные периодические звуки являются суммой простых тонов, различающихся по частоте, фазе и амплитуде. При этом различия по фазе мы не слышим, т.к. тембр звука от них не изменяется. В непериодических звуках нет регулярного повторения модели, однако амплитудно-частотный спектр можно получить и для них. Одно из основных свойств быстро затухающих звуков (например, взрывных согласных) - более широкий частотный диапазон.

До сих пор речь шла о свойствах источника (периодических) звуков. Однако при одном и том же источнике спектры разных звуков (например, гласных) не похожи друг на друга. Этот факт связан с явлением резонанса.