Итак, звук — это не что иное, как волны, созданные источником и распространяемые в определенной среде. Чаще всего, особенно когда речь идет о музыке, имеется ввиду воздух. Волна — это попеременные уплотнения и разряжения молекул воздуха. При этом сами молекулы никуда не летят. Они лишь уплотняются и разряжаются.
Теперь давайте посмотрим какими основными характеристиками обладает звуковая волна.
Частота
Частота — это количесво периодов колебания волны в секунду. Измеряется частота в герцах (Гц) в честь одноименного ученого. Чем больше частота, тем выше тон звука и меньше длина волны.
Принято считать, что человек слышит звук (волны) с частотой от 20 до 20000 Гц. Поподробнее поговорим об этом утверждении в другой раз, а сейчас примем это на веру. Все, что ниже этого диапазона называются инфразвуком, что выше ультразвуком, а после 1 ГГц гиперзвуком.
Длина волны
Здесь все очень просто. Длина волны это расстояния области сжатия воздуха плюс области разряжения. Так у звука с частотой 20 Гц длина волны составляет 16,5 метра, а у тона 20 кГц 17,4 см.
Громкость
Громкость звука — субъективное ощущение звукового давления — определяется амплитудой и измеряется в децибеллах (в честь ученого Александра Белла). Чем больше амплитуда, тем громче звук. Шкала громкости — условный логарифмический диапазон слышимости человеком, который начинается с 0 дБ. Если нам нужно увеличит громкость в два раза, то вне зависимости от текущего уровня нам достаточно добавить 6 дБ. Играла музыка с громкостью 50 дБ. Добавили 6 дБ и стало вдвое громче. Сделали 62 дБ и теперь громче уже в четыре раза по сравнению с 50 дБ.
Вот примеры уровней давления различных источников:
| Давление, дБ | Ощущение | Пример источника | Последствия | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | ничего не слышно | порог слышимости для синусоидальной волны с частотой 1 кГц | ||
| 5 | почти ничего не слышно | безмолвие в горах | ||
| 10 | порог слышимости | шёпот, тиканье часов, тихий шелест листьев, звук падающей иголки | ||
| 15 | едва слышно | шелест листьев | ||
| 20 | едва слышно | уровень фона на открытой местности | ||
| 25 | тихо | сельская местность вдали от дорог, мурлыканье кота на расстоянии 0,5 м | ||
| 30 | тихо | настенные часы | ||
| 35 | отчетливо слышно | приглушённый разговор, тихая библиотека, шум в лифте | ||
| 40 | Хорошо слышно | тихий разговор, учреждение (офис), шум кондиционера, шум телевизора в соседней комнате | ||
| 50 | Прекрасно слышно | разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина | ||
| 60 | громкий разговор, норма для контор | |||
| 75 | шумно | крик, смех с расстояния 1 м, шум в старом железнодорожном вагоне | ||
| 90 | очень шумно | громкие крики, пневматический отбойный молоток, тяжёлый дизельный грузовик на расстоянии 7 м, грузовой вагон на расстоянии 7 м, звук почти невозможно не замечать | длительный звук вызывает ухудшение слуха | |
| 120 | почти невыносимо | гром, отбойный молоток на расстоянии 1 м, шум на стадионе | ,болевой порог | |
| 140 | взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте | травма внутреннего уха | ||
| 150 | взлёт ракеты на расстоянии 100 м, реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам | контузия, травмы, ухудшается зрение | ||
| 194 | воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению | возможен разрыв лёгких | ||
| 374 | максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва 100 000 000 МПа |
ВОЗ установила, что человек может безопасно слушать любой звук с громкостью не выше 85 дБ на протяжении 8 часов. Важна и продолжительность звука. Для его восприятия человеческим ухом необходимо, чтобы он продолжался не меньше 0,015 сек. Но и это еще не все.
В зависимости от частоты человек слышит по разному. В диапазоне речи (примерно 2 – 4 кГц) нам достаточно более тихого звука, чтобы его хорошо разбирать. В других диапазонах наш слух не так остр. Вот показатели восприятия человеком громкости звука в зависимости от частоты.
На этом графике фигурирует единица громкости фон, призванная измерить громкость, воспринимаемую человеком, в зависимости от частоты. 0 — это 0 дБ на 1000 Гц. 10 дБ на 1000 Гц = 10 фон, 20 дБ на 1000 Гц = 20 фон и т.д
Скорость
Любая волна распространяется с определенной скоростью. Так звук при 20°С пройдет за секунду в воздухе 343 метра, в морской воде 1500, а в стали 5000. Причем, в отличии от газообразой и жидкой среды, где волна движется горизонтально, в твердых веществах она идет и вертикально. Поэтому если кто-то у вас сверлит за стенкой в выходной день, не торопитесь обвинять соседей по лестничной клетке, так как дрель может работать совсем на другом этаже. К счастью, скорость не зависит от частоты. Иначе бы все было совсем сложно.
Интенсивность
Интенсивность — количество энергии, переносимое звуковой волной. Она измеряется в Вт/м2. По мере удаления от источника интенсивность падает на квадрат расстояния. Если в метре от источника интенсивность составляет 100 Вт/м2, то отдалившись на 2 метра значение составит ¼ от 100 Вт/м2, на расстоянии 3 метра 1/9 и т.д.
Музыка
После того, как мы описали некоторые параметры звука, давайте рассмотрим что такое музыка.
Строй
Современный строй европейских музыкальных инструментов установился в середине XVIII века. Точкой отсчета принята нота ля (А) в середине клавиатуры рояля. В разных странах в разное время эту ноту настраивали по своему в диапазоне от 415 до 466 Гц. Когда в 1834 году появилась возможность измерить высоту, в Германии предложили стандартизировать частоту А 440 Гц. В 1926 году в США установили А440 как неформальный стандарт, а в 1975 сделали общемировым формальным стандартом.
Клавиатура пианино разделена на октавы. В каждой октаве 7 нот и 12 полутонов (отдельных клавиш). Если мы пойдем от А440 вниз, то частоту каждой следующей ноты А нужно разделить на два. Соответственно, они будут 220, 110 и 55 Гц, а выше ноты А: 880 и 1760 Гц. Такая же арифметика происходит и с другими нотами.
Обертона
Если извлечь на музыкальном инструменте ноту, то вместе с ней появятся и другие призвуки. Это обертона, которые кратны по частоте в 2, 3, 4 и т.д. раза (на натуральные числа) основному тому и располагаются выше него. Это важные для музыки гармонические обертона. Обертона, заметно отклоняющиеся на практике от этого правила, называются негармоническими и они не столь значимы. Первые десять обертонов обычно влияют на звучание в наибольшей степени и важны для тембра инструментов. Кстати, обертона есть и в человеческом голосе.
Тембр
Многие ученые уже более двухсот лет работают над тем как физически описать тембр. Наиболее значимый фактор — количество, сила и время звучания обертонов инструмента. Человек достаточно легко различает тембры и даже характеры тембров инструментов, прозвучавших с одинаковой частотой и громкостью.
Что негативно влияет на звучание
Если вернуться к физике звука, то можно остановиться на некоторых распространенных негативных явлениях, возникающих при ее воспроизведении (а иногда и записи). Именно по этому серьезные рекорд-студии тратят большие бюджеты на акустическую обработку помещений, а многие концертные залы проектируются с учетом акустических параметров.
Стоячие волны
Когда звук отражается от перпендикулярной преграды он смешивается с основным сигналом. При этом если расстояние до преграды кратно длине волны, то звук на этой частоте будет усиливаться, а если волны попадают в противофазу, то ослаблятся. Причем в отличии от бегущей (исходящей от источника) волны, такие волны в определенных точках помещения стационарны. Отсюда и название этого явления. Обычно стоячие волны появляются на частотах ниже 300 Гц. Так как волны движуться в противоположных направлениях, то энергия ими не переносится и в зависимости от вашего местоположения звук данной частоты будет то слишком тихим, то слишком громким.
Резонансы
Резонанс — усиление определенной частоты при добавлении еще одной волны аналогичной частоты или звука с сильными обертонами такой частоты. Основная причина появления резонансов — отражение волн от препятствий и суммирование волн. Иногда можно услышать, как при воспроизведении определенной частоты в резонанс входят какие-нибудь легкие физические предметы.
Противофаза
Это тоже наложение друг на друга одинаковых сигналов один из которых развернут на 180°, поэтому они вычитают друг друга. Теоритически в месте их вычитания должна быть тишина, но на практике вы получите уменьшение громкости и тембровые искажения. Самый простой способ узнать что такое противофаза — на одной из стереоколонок поменять местами контакты + и –.
Биение волн
Это происходит когда друг на друга накладываются волны близкие по частоте и амплитуде. Через определенные промежутки времени их пики накладываются друг на друга, а иногда могут входить в противофазу и ослабляться.
