Что такое звук?
В учебнике сказано: «Колебательные движения частиц, которое распространяется в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах». Давайте отбросим лишнее и поговорим только о слышимом звуке (кроме него ведь еще существуют ультразвук, инфразвук и т.д.).
Звук — это, на самом деле, не движение воздуха (газа) в пространстве, а волновые, периодические изменения давления этого самого газа. Звук является волновым излучением, подчиняется соответствующим физическим законам, которые описывают его распространение и взаимодействия. Согласно этим законам мы можем описать звук по нескольким характеристикам. Возьмем основные: частота, амплитуда (форма колебаний) и скорость.
Термины
- Медиа – общее понятие для разнообразных типов материалов.
- Герц – измерение звуковой частоты.
- Частота – соотношение количества раз (n) периодического события за время (t): f = n/t.
Давайте познакомимся с основами звука. Речь идет о продольной волне давления, проходящей сквозь сжимаемые пространства. В условиях вакуума (свободное от частиц и материи) звук невозможен. Вакуум не обладает средой, поэтому звук просто не способен перемещаться.
Характеристики звука:
- Транспортируется по продольным волнам. При графическом изображении их показывают в виде синусоидальных.
- Обладают частотой (высота поднимается и опускается).
- Амплитуда описывает громкость.
- Тон – показатель качества звуковой волны.
- Транспортируется быстрее в горячем пространстве, чем в твердом теле. По скорости выше на уровне моря (где давление воздуха выше).
- Интенсивность – передаваемая в конкретной области энергия. Это также мера звуковой частоты.
- В ультразвуке применяют волны с высокими частотами, чтобы обнаружить то, что обычно скрыто (опухоли). Летучие мыши и дельфины также пользуются ультразвуком в качестве навигации и поиска объектов. На кораблях применяют ту же схему.
Что такое частота звука?
Частота — это количество колебаний за единицу времени. Конкретней — число колебаний в секунду. Измеряется в герцах. Одно колебание в секунду — один герц (Гц). Если еще вспомнить, что звук распространяется в воздухе со скоростью около 350 метров в секунду или около 1250 км/ч, то достаточно легко понять, что частота и скорость связаны между собой. И эта связь дает нам возможность определить длину звуковой волны: чем больше частота, тем меньше длина волны — и наоборот.
Почти традиционно считается, что человеческий слух позволяет услышать диапазон частот «20–20» — от 20 Гц до 20 кГц, другими словами, от 20 колебаний в секунду до 20 000.
Не все частоты одинаково громкие
При этом матушка-природа наделила нас с вами достаточно избирательным слухом. Психоакустические исследования показывают, что лучше всего человек слышит самое для себя важное — человеческую речь. Эти звуки располагаются в диапазоне частот в районе 3000 Гц. Где-то в этом районе и находится максимальная чувствительность наших с вами ушей.
На других частотах она уменьшается, изменяясь в виде плавных кривых. Эти кривые показывают, с какой громкостью человек воспринимает звуковые колебания равной амплитуды. Эти данные важны не только для расчета акустических систем, но и для правильного понимания природы восприятия звука.
Они были получены статистическим способом, когда в субъективном оценивании громкости звучания на разных частотах принимало участие большое количество людей. В честь авторов этой научной разработки линии равной громкости называются кривыми Флетчера-Мэнсона.
Степень подъема передней, средней или задней части спинки языка определяет гласные нижнего подъема (а), среднего подъема (э, о) и верхнего подъема (и, ы, у).
В зависимости от степени выдвижения губ вперед различают гласные неогубленные (нелабиализованные) — а, ы (губы в нейтральном положении), э, и (губы растянуты, как при улыбке) и огубленные (лабиализованные) — о, у (губы округляются и выдвигаются вперед).
Акустические признаки звуков речи
Для определения и различения звуков речи опираются не только на их артикуляционные, но и на акустические признаки. Без опоры на эти признаки невозможно проводить работу по противопоставлению звуков на слух, необходимую для успешного усвоения детьми правильного звукопроизношения.
Тональные звуки — образующиеся голосом при почти полном отсутствии шума, что обеспечивает хорошую слышимость звука: гласные а, э, и, о, у, ы.
Сонорные (звучные) — их качество определяется характером звучания голоса, который играет главную роль в их образовании, а шум участвует в минимальной степени: согласные м, м’, н, н’, л, л’ р, р’ j.
Шумные — их качество определяется характером шума — акустического эффекта от трения воздуха при сближенных или взрыве при сомкнутых органах речи:
звонкие шумные длительные в, в’, з, з’, ж;
звонкие шумные мгновенные б, б’, д, д’, г, г’;
глухие шумные длительные ф, ф’, с, с’, ш, х, х’;
глухие шумные мгновенные п, п’, г, т’, к, к’.
По производимому звуками акустическому впечатлению выделяют следующие подгруппы звуков:
свистящие с, с’, з, з’, ц;
шипящие ш, ж, ч, щ;
твердые п, в, ш, ж, ц и др.;
мягкие п’, в’, ч, щ и др.
Анализ классификации звуков русского языка показывает, что успешное овладение ребенком фонематической системой языка требует большой работы по развитию речедвигательного и речеслухового анализаторов. Поэтому у него необходимо развивать фонематический слух, т. е. способность различать и воспроизводить все звуки речи, соотнося их с фонетической системой данного языка; вырабатывать хорошую дикцию, т. е. подвижность и дифференцированность движений органов артикуляционного аппарата, обеспечивающих четкое, ясное произношение каждого звука в отдельности, а также слов и фраз в целом; развивать речевое дыхание, т. е. умение производить короткий вдох и продолжительный ротовой выдох, обеспечивающий длительное и звучное произношение звуков речи, а также плавность и слитность произношения.
Как мы понимаем, откуда пришел звук
Ответ простой: потому, что у нас есть голова и два уха! Если одно ухо вдруг не работает, это можно частично компенсировать быстрым поворотом головы. Слух при наличии двух ушей называется бинауральным. Он позволяет нам локализовать источник звука.
Это происходит потому, что звук приходит к правому и левому уху с небольшой задержкой или, если выразиться точнее, со сдвигом по фазе. Так как длина звуковой волны достаточно большая, в оба уха обычно поступает одна волна, но разные ее участки — фазы.
Этот сдвиг анализируется нашим мозгом, легкий поворот головы — и мы уже готовы приблизительно указать на какой ветке сидит птица, хотя разглядеть ее все равно не получится.
И чем выше звук, то есть, чем больше его частота, тем легче определить направление на его источник — сильнее проявляется фазовый сдвиг. А вот на низких частотах длина волны становится больше, чем расстояние между ушами, поэтому определить источник звука гораздо сложнее.
Высота и нота
Высота
— это музыкальный термин, который обозначает почти тоже самое, что и частота. Исключение составляет то, что она не имеет единицы измерения. Вместо того чтобы определять звук количеством циклов в секунду в диапазоне 20 — 20 000 Гц, мы обозначаем определенные значения частот латинскими буквами.
Музыкальные инструменты производят периодические звуковые волны правильной формы, которые мы называем тонами или нотами.
То есть другими словами, нота
— это своего рода моментальный снимок периодической звуковой волны определенной частоты. Высота этой ноты говорит нам о том, насколько нота высока или низка по своему звучанию. При этом более низкие ноты имеют более длинные волны. А высокие, более короткие.
Давайте посмотрим на звуковую волну в 1 кГц. Сейчас я увеличу масштаб, и вы увидите каково расстояние между циклами.
Звуковая волна в 1 кГц
Теперь давайте взглянем на волну в 500 Гц. Тут частота в 2 раза меньше и расстояние между циклами больше.
Звуковая волна в 500 Гц
Теперь возьмем волну в 80 Гц. Тут будет еще шире и высота намного ниже.
Звук в 80 Гц
Мы видим взаимосвязь между высотой звука и формой его волны.
Каждая музыкальная нота основана на одной основополагающей частоте (основном тоне). Но помимо тона в музыке состоит и из дополнительных резонансных частот или обертонов.
Давайте я покажу вам еще один пример!
Ниже волна в 440 Гц. Это стандарт в мире музыке для настройки инструментов. Соответствует он ноте ля.
Чистая звуковая волна в 440 Гц
Мы слышим только основной тон (чистую звуковую волну). Если увеличить масштаб, то увидим, что она периодическая.
А теперь давайте посмотрим на волну той же частоты, но сыгранную на пианино.
Периодический звук пианино
Посмотрите, она тоже периодическая. Но в ней есть небольшие дополнения и нюансы. Все они в совокупности и дают нам понятие о том, как звучит пианино. Но помимо этого, обертона обуславливают и тот факт, что одни ноты будут иметь большее сродство к данной ноте чем другие.
Для примера можно сыграть туже ноту, но на октаву выше. По звучанию будет совсем иначе. Однако она будет родственной предыдущей ноте. То есть это та же нота, только сыгранная на октаву выше.
Такая родственная связь двух нот в разных октавах обусловлена наличием обертонов. Они постоянно присутствуют и определяют насколько близко или отдаленно определенные ноты связаны друг с другом.
Традиционной нотации высота ноты обуславливает ее расположение на нотном стане или нотоносце. Твитнуть
Сейчас я покажу вам с помощью нотного редактора. Здесь мы видим, как записывается нота ля.
Чем выше нота располагается на нотном стане, тем выше ее высота. Чем ниже расположена нота, тем ниже высота ее звука.
Помимо традиционного представления нот на нотном стане, в современных музыкальных редакторах вы можете встретить другую систему записи и редактирования нот. Чаще всего она представляет собой пианинную сетку или таблицу.
Слева мы видим клавиатуру пианино. А справа, соответствующие каждой ноте, прямоугольники.
В принципе, такая система не отличается от классической выше. Просто способ представления высоты нот реализован по-другому. Точно также, когда мы говорим 440 Гц или ля, мы имеем одну и ту же высоту или частоту звука.
Почему одни звуки красивые, а другие нет?
Здесь почему-то тянет взять серый том Фейнмановских лекций и освежить воспоминания о рядах Фурье — но будем проще: любое колебание можно разложить на несколько колебаний с меньшей длиной волн. Эти меньшие волны — и есть гармоники, и сколько их укладывается в длине основной волны — две, три и т.д. — определяет их четность или нечетность. Как оказалось, нечетные гармоники воспринимаются нашим слухом дискомфортно. Причем вроде все играет правильно, но дискомфорт остается.
Более явный неприятный звук — диссонанс, две частоты, работающие одновременно и вызывающие редкие биения. Если хотите еще наглядней, то нажмите близлежащие черную и белую клавиши на пианино.
Есть и противоположность диссонанса — консонанс. Это сама благозвучность, например, — такой интервал, как октава (удвоение частоты), квинта или кварта. Кроме того, комфортности звучания мешают маскирующие его шумы различной природы, искажения и призвуки.
Ясно, что шум — то, что мешает в принципе. Звуковой мусор. Впрочем, есть и белый шум, этакий эталон шума, в котором присутствуют равномерно все частоты (точнее — спектральные составляющие). Если вы хотите уйти от источника белого шума, то по ходу удаления он будет розоветь. Это происходит потому, что воздух сильнее ослабляет верхние частоты слышимого спектра. Когда их меньше, тогда говорят о розовом шуме.
Чем громче шум по отношению к полезному звуку, тем больше этот звук маскируется шумом. Падает комфортность, а затем — и разборчивость звучания. Это же относится и к нечетным гармоникам, и к нелинейным искажениям, о которых мы еще поговорим более подробно. Все эти явления взаимосвязаны и, самое главное, — все они мешают нам слушать.
Звук. Характеристики звука. Акустический резонанс. Отражение звука. Эхо. Ультразвук
Человек живёт в мире звуков. Звук – это то, что слышит ухо. Мы слышим:
— голоса людей;
— пение птиц;
— звуки музыкальных инструментов;
— шум леса;
— гром во время грозы;
— шум движущегося транспорта.
Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления называется акустикой. Звук — это волна. И он доходит до нас через воздух, который разделяет ухо и источник звука. То, что воздух «проводник» звука, было доказано опытом, поставленным в 1660 г. Р. Бойлем.
Если откачать воздух из колокола воздушного насоса, то мы не услышим звучания находящегося там электрического звонка. Услышав звук, мы обычно стремимся установить, что он дошел до нас от какого-то источника, и, рассматривая этот источник, находим в нём что-то колеблющееся. Например, если звук издает музыкальный инструмент, то источник звука – это колеблющаяся струна.
Механические волны с частотой колебаний от 16 до 20000 Гц вызывают у человека звуковые ощущения. Такие волны называются звуковыми или акустическими. Волны с частотами меньше 16 Гц называются инфразвуками.
Теперь познакомимся со свойствами и характеристиками звука:
- Тон
- Громкость
- Скорость
Тон. Об одних звуках говорят ,что они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Ухо их легко различает. Звук, создаваемый большим барабаном – это звук низкого тона, а свист – звук высокого тона.
Простые изменения показывают, что звуки низких тонов – это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний.
Громкость. Чтобы выяснить от чего зависит громкость звука, в качестве источника звука рассмотрим камертон.
КАМЕРТОН – устройство, представляющее собой источник звука, испускающий единственную частоту, называемой чистый тон. Чем больше размеры камертона, тем ниже звук. Он представляет собой дугообразный металлический стержень на ножке. [Демонстрация камертона.] Ударив молоточком по одной из ветвей камертона, мы услышим определённый звук.
Чем сильнее удар моточка по камертону, тем громче он звучит, и ветви камертона колеблются со значительной амплитудой, слабый удар по камертону вызывает колебания малой амплитуды, следовательно, услышим слабый звук. Значит, громкость звука определяется амплитудой колебаний звучащего тела.
Единица громкости называется Децибелом и обозначается как [дБ].
Скорость звука – это скорость распространения волны. И она различна в разных средах. Ещё одной важной характеристикой звука является его окраска, или как называют музыканты – тембр. Тембр – это качество звука, который придает индивидуальную окраску голосу человека. Именно по тембру голоса мы узнаем знакомого человека, не видя его.
Акустический резонанс. Рассмотрим пример. Возьмём 2 камертона с одинаковыми собственными частотами и расположим друг от друга. Один из камертона приведем в колебание. Затем прикоснувшись рукой, заглушим его. Однако в это же время услышим негромкое звучание второго камертона. А так как этот камертон никто не возбуждал, приходим к выводу, что он был возбуждён колебаниями воздуха, дошедшими к нему от первого камертона. Это явление называется Акустическим резонансом. Камертон обычно укрепляют на деревянном ящике, причем подобранным так, чтобы его собственная частота была равна частоте его звука, создаваемого камертоном. Благодаря резонансу, стенки ящика тоже начинают колебаться с частотой камертона. Ящик так и называется – резонатор.
Явление резонанса используются для усиления звука колеблющихся тел. Поэтому камертоны укрепляют на специальных резонаторных ящиках с открытой боковой стороной. В музыкальных инструментах в качестве резонаторов используются как корпус инструмента, так и всевозможные отверстия в нем. Например, корпус домбры резонирует с колебаниями струн. Следовательно, корпус инструмента представляет собой резонатор. Звук домбры усиливает не только сам корпус, но и воздух внутри инструмента. Поэтому размер и форма отверстия в корпусе подбираются не случайно. А качественное звучание домбры будет зависеть от искусства мастера, изготовившего его.
Отражение звука. Эхо. Почему отражается звук? Происходит это потому, что колебания, принесенные волной к границе, передаются частицам второй волной среды, и они сами становятся источником новой звуковой волны. Это вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это и есть отраженная волна. Простые наблюдения показывают, что при отражении звука угол падения (α) звукового луча равен углу его отражения (ß).
Например: на открытом воздухе музыка, пение, речь оратора менее громко, чем в помещении. Как вы думаете почему?
Ответ: В помещении наблюдается отражение звуковых волн от стен, пол, потолка. Следовательно, амплитуда звуковых колебаний увеличивается, и тем самым громкость звука тоже увеличивается. На открытом воздухе для распространения звуковых колебаний нет никаких препятствий, и поэтому звуки менее громкие.
С явлением отражения звука связано такое известное явление как эхо. Эхо в горах, которое нам хорошо знакомо с детства, является результатом отражения звука от преграды. Эхо – это звуковая волна, отраженная какой-либо преградой и возвратившаяся в то же место, откуда она начала распространятся.
Нота — высота звука и его частота — зависит от специальности
В понимании звука, судя по всему, есть две крайности — понимание звукоинженера и музыканта. Первый говорит «440 Гц!» второй — «нота Ля!». И оба правы. Первый говорит «частота», второй — «высота звука». Впрочем, известно немало отличных музыкантов, которые вовсе не знали нот. При этом специалистов в области акустики, не знающих физических основ в этой области, еще никому не удавалось встретить.
Важно понимать, что оба этих специалиста по-своему занимаются комфортным звучанием. Автор музыкального произведения, инстинктивно, или опираясь на консерваторские знания, строит звук на принципах гармонии, не допуская диссонансов или искажений. Конструктор, создающий колонки, изначально не допускает посторонних призвуков, минимизирует искажения, заботится о равномерности амплитудно-частотной характеристики, динамике и многом, многом другом.
Громкость, звуковое давление — пределы и ориентиры
С громкостью все не так просто. Она относительна. Подумайте сами, ведь абсолютной тишины не существует. То есть, она в природе есть, но попадание в такое место превращается в пытку — вы начинаете слышать стук своего сердца, звон в ушах — все равно тишина исчезает.
Поэтому звуковое давление измеряется относительно некоего нулевого уровня в децибелах (дБ). Это логарифмические единицы, ведь логарифмическая шкала наиболее точно соответствует природе слуха. Если немного углубиться в теорию, нужно вспомнить эмпирически установленный закон психофизиологии Вебера-Фехнера, который описывает работу органов чувств. Согласно этому закону, интенсивность ощущения чего-либо прямо пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя. В случае звука, это — амплитуда (размах) колебаний.
И если за ноль децибел принять порог слышимости (а это, повторимся, не тишина!), то шелест листьев дает 10 дБ, поезд метро — 100 дБ, истребитель на форсаже — 125 дБ, и ненамного меньше, кстати, выдала одна девчушка, призер соревнований по громкости крика в США. В дискотечном зале громкость может достигать 130 дБ. Это при том, что 120 дБ — уже больно, а 180 — могут убить.
Разница приблизительно в шесть децибел воспринимается нами, как удвоение громкости. Добавление трех децибел на низкой частоте требует удвоения амплитуды колебаний источника звука, но на слух это замечает не каждый слушатель! Такие вот парадоксальные, на первый взгляд, данные.