В чем измеряется частота звука

Определение

Звуковыми (акустическими) волнами называют упругие волны, распространяющиеся в среде, имеющие частоты в диапазоне $16le nu le 20~000 $Гц.

Оказывая воздействие на слуховой аппарат человека, такие волны вызывают ощущение звука. Волны, частоты которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми. Волны, имеющие частоту больше, чем 20~000 Гц называют ультразвуковыми. Инфразвук и ультразвук человек не слышит.

Волны звука в газах и жидкостях могут быть только продольными, потому что эти вещества имеют упругость только по отношению к сжатию (растяжению). В твердых телах волны звука могут быть и продольными и поперечными, так как твердые тела могут быть упругими по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Характеристики звуковых волн

Определение

Интенсивностью звука (силой звука) ($I$) называют величину, которую определяют средней по времени энергией ($leftlangle Erightrangle $), переносимой волной звука за единицу времени, через единичную площадку, нормальную к направлению распространению волны:

Единицей измерения силы звука служит в Международной системе единиц (СИ) ватт деленный на квадратный метр:

Для того чтобы человек слышал звук, волна звука должна иметь некую минимальную интенсивность, но если сила звука превысила некоторый предел, то человек звук не слышит, но ощущает боль. Для каждой частоты колебаний существует наименьшая (пороговая слышимость) и наибольшая (порог болевых ощущений) сила звука, которую человек способен воспринимать.

Громкость звука — это субъективная характеристика звука, которая связана с его силой. Громкость звука зависит от частоты. По закону из физиологии, при увеличении интенсивности звука его громкость растет по закону логарифма. На этом основании вводится объективная оценка громкости звука:

где $I_0$ — интенсивность звука на пороге слышимости, для всех звуков $^frac$; $L$ — уровень интенсивности звука. Единицей измерения $L$ является бел (Б). Чаще используют такую единицы уровня интенсивности звука как децибел (дБ), он в 10 раз меньше, чем бел.

Уровень громкости — физиологическая характеристика звука, единицей измерения которой, является фон. Громкость для звука 1000 Гц (частота стандартного тона) составляет 1 фон, если его уровень интенсивности 1 дБ. Так, шепот на расстоянии один метр имеет уровень громкости примерно 20 фон.

Звук в действительности представляет собой наложение гармонических колебаний большим набором частот. При этом говорят, что звук имеет акустический спектр. Этот спектр может быть сплошным или линейчатым. В линейчатом спектре имеются отделенные друг от друга частоты.

Высота звука — это качество звука, которое человек определяет субъективно на слух. Высота звука зависит от его частоты. С увеличением частоты высота звука увеличивается.

Тембром звука называют звуковое ощущение, которое определяет характер акустического спектра и распределения энергии между определенными частотами.

ПРОСТЫМИ СЛОВАМИ: Что такое частота звука и как с ней правильно работать в продакшене?

Любое тело, совершающее колебания в упругой среде с частотой звука может стать источником звуковых волн. Колеблющееся тело вызывает колебания частичек среды, в котором оно находится с частотой колебаний тела. В веществе распространяется волна, имеющая частоту источника колебаний. Скорость ($v$) распространения волны зависит от плотности и упругих свойств вещества. Для газа она равна:

где $gamma =frac>>$; $c_<mu p>$ -молярная теплоемкость газа при постоянном давлении; $c_<mu V>$ — молярная теплоемкость газа при постоянном объеме; $R$ — универсальная газовая постоянная; $T$ — температура; $mu $ — молярная масса. Формула (3) является идеализированной. Так, при распространении звука в атмосфере следует учесть скорость и направление ветра, влажность воздуха, преломление и отражение волн на границе сред, вязкость.

Если источник и приёмник звука находятся в состоянии покоя относительно среды, то длина волны звука равна:

где $v$ — скорость распространения волны в веществ; $nu $ — частота звука.

Что такое звук? Как устроено ухо? Что значит герц и децибел? Как устроен микрофон?

Звук. Он окружает нас с самого рождения. После зрения он, пожалуй, самое главное, с помощью чего мы воспринимаем наш мир. Но что это? Какова его природа? По каким законам он живёт? Давайте разбираться!

1. Откуда берется звук и почему мы его слышим?
2. Почему все звуки разные и что такое частоты и герцы, амплитуда и децибелы, а также громкость?
3. Как устроена звукозапись?

1.Из за наличия у нашей планеты атмосферы, наполненной смесью газов — воздухом, у нас существует такое понятие как звук. Ведь звук — волнообразные колебания молекул воздуха. При любых таких колебаниях, вызванным будь то бегом человека, хлопоком в ладоши, лаем собаки или ударом по струне гитары, они улавливаются нашим ухом и воспринимаются нами как звуки. Рассмотрим этот процесс подробнее: например мы ударили барабанной палочкой в барабан. Тот час слышен соответствующий звук. Что произошло? Удар вызвал резкое смещение молекул воздуха, образовавшее большее давление, по сравнению с общий давлением окружающего воздуха, которое волнообразными колебаниями начало распространяться в пространстве, словно падение частиц домино, составленных в ряд. Так колебания дошли до молекул воздуха, находящихся в нашем наружном ухе. Ушная раковина и внешний ушной проход усилили эти колебания за счет своей формы (это как зал с хорошей акустикой, но в нашем теле), и наконец, движение молекул передалось барабанной перепонке — тонкой мембране, изолирующей от воздуха внутреннею часть уха, что привело уже к колебанию самой перепонки. Колебание передалось через систему среднего уха во внутреннее ухо, а точнее в специальную «улитку» — орган, представляющий собой спиралевидный канал из костной ткани, наполненный жидкостью и волокнами базилярной мембраны.

Мембрана делит улитку на два коридора — лестницу преддверия и барабанную лестницу. Жидкость, а именно перилимфа заполняет барабанную лестницу, а эндолимфа — лестницу преддверия. Через эти жидкости колебание передалось Кортиеву органу, расположенному на базилярной мембране. Он представляет из себя скопление волосковых клеток, улавливающих колебания, и преобразующих их уже в нервный импульс, несущий информацию о характере звука в нервные окончания, идущие в слуховой центр мозга. Сложнейший процесс, который происходит за доли секунды.

2.Мы разобрались с тем, что такое звук и каким образом мы его воспринимаем. Но что его характеризует? И почему все звуки разные?

У любой звуковой волны (то есть у колебания молекул в пространстве) есть несколько свойств: частота (высота), амплитуда (громкость), длина (продолжительность), а также спектр (тембр). В статье рассматриваются только первые два, самые ключевые свойства.

Частота — количество волнообразных колебаний, произошедших за секунду. Определяет то, что мы называем высотой звука. Чем больше частота, тем выше звук. Частота измеряется в герцах. 1 герц — одно колебание в секунду. Человек способен воспринимать звуки от 20 до 20 000 герц. Все что ниже — инфразвук, выше — супер и гиперзвук.

Здесь существует зависимость — чем больше значение герц, то есть чем чаще происходят колебания, тем они короче:

Так, низкие по частоте звуковые волны более продолжительны.

Теперь разберемся с амплитудой, частично задающей то, что мы называем громкостью. Амплитуда это величина, показывающая на сколько сильны колебания воздуха, то есть на сколько сильное давление создает звуковая волна. Вот как выглядят больший и меньший по амплитуде звуки:

У последнего амплитуда колебаний выше, соответственно каждое колебание создаёт большее давление. Сразу уточню — амплитуда и громкость это не одно и тоже! Как я уже упомянул — амплитуда показывает силу давления, создаваемого звуковой волной, а громкость это восприятие нашим ухом этого самого давления. Однако не одна амплитуда определяет, будем ли мы считать звук громким, или тихим. На громкость также влияют главным образом частота, а также остальные свойства звука. Амплитуда, измеряется в децибелах. Децибел это не линейная величина, она показывает не силу давления звука, а то, во сколько раз это давление больше минимального уровня давления, которое может уловить наше ухо. Таким образом прибавление 12 децибел хоть к двум, хоть к ста децибелам увеличивает громкость в 4 раза! То есть прибавить 12 децибел к звуку тихого шепота совсем не все равно, что прибавить 12 децибел к громкости на концерте Rammstein. И в том, и в другом случае амплитуда, а значит и громкость увеличится в 4 раза. Одолжил у Википедии шкалу сравнения громкости в децибелах:

0 — порог слышимости

5 — почти ничего не слышно — тишина среди ночи.

10 — почти не слышно — шёпот, тиканье часов.

15 — едва слышно — шелест листьев.

20 — едва слышно — уровень фона на открытой местности;

25 — мурлыканье кота на расстоянии 0,5 м.

30 — тихо — настенные часы, максимально разрешённый шум для источников постоянного шума, расположенных в жилых помещениях, ночью с 21:00 до 7:00.

35 — хорошо слышно — приглушённый разговор, тихая библиотека, шум в лифте.

40 — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис), шум кондиционера, шум телевизора в соседней комнате.

50 — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина.

60 — умеренно шумно — громкий разговор, норма для контор.

65 — весьма шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м.

70 — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м.

75 — шумно — крик, смех с расстояния 1 м, шум в старом железнодорожном вагоне.

80 — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м, крик, мотоцикл с глушителем, шум работающего двигателя грузового автомобиля, длительный звук вызывает ухудшение слуха.

85 — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;

90 — очень шумно пневматический отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7 м.

95 — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м, громкая игра на фортепиано на расстоянии 1 м;

100 — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;

110 — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;

115 — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, м, пневмосигнал для велосипеда;

120 — почти невыносимо — болевой порог, гром, отбойный молоток, кислородная горелка;

130 — боль — сирена, рекорд по самому громкому крику, мотоцикл (без глушителя);

140 — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;

150 — контузия, травмы — реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам, ухудшается зрение;

160 — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья близко от уха, ударная волна от сверхзвукового самолёта или от взрыва давлением 0,002 МПа;

165—185 — светошумовая граната[4];

194 — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;

200 — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна быстрая смерть;

250 — максимальное давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола — 60 МПа[5];

282 — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве — 2500 МПа[6];

300 — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ — 20 000 МПа;

374 — максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва — 100 000 000 МПа;

Поговорим подробнее о громкости. Выше я уже рассказал, что громкость это распознавание нашим мозгом того, насколько уж простите за тавтологию громким является звук. При этом громкость зависит не только от амплитуды, но во многом и от частоты. Взгляните на таблицу:

Это так называемая кривая громкости, она показывает зависимость уровня громкости, который измеряется здесь в условных единицах фонах, от амплитуды и частоты. Если вы вдруг не поняли, как ей пользоваться, приведу справку: по вертикали уроверь громкости в децибелах, по горизонтали частота в герцах. Выбираете определенную громкость и частоту, и проводите от них воображаемые линии. Точка пересечения линий будет уровнем громкости в фонах. Картинка:

Так, кривые громкости показывают нам, что звук в 40 дб и частотой 200 гц воспринимается нами в 40 фонов, но при этом звук в те же 40 дб, но частотой 500 гц, воспринимается примерно в 45 фонов. Дальше больше: 1000 герц — уровень фонов вернулся к 40, 2500 герц — снова 45 фонов, а на 7500 герц упал до 35. Естественно, все эти значения взяли не из воздуха — кривая громкости составлена по ощущениям большого количества людей в возрасте 18-25 лет, которым включали звуки разной амплитуды и частоты.

3.В завершение статьи хотелось бы упомянуть о том, как устроен микрофон, и каким образом он преобразует звуковые волны, то есть колебания молекул воздуха, в электрический сигнал. Существует большое количество различных типов микрофонов, отличающихся по своей конструкции и способу работы. Хотелось бы рассмотреть конденсаторный микрофон, ведь сейчас это один из самых распространённых типов микрофонов, кроме того, звукозапись музыки или какого либо другого аудиоматериала в студиях всегда осуществляется именно на него. Сразу представлю схему микрофона:

Две синии пластинки это конденсатор. Они не соединены между собой, крайняя представляет из себя тонкую пленку, покрытую никелем с внутренней стороны, которая активно колеблется под действием звуковых волн. Она называется диафрагмой. Вторая пластинка неподвижна. Обе пластинки подключены в электрическую цепь, в них есть ток. При колебании диафрагмы ее расстояние до второй пластинки изменяется, а ее электрические токи действуют на нее. Таким образом, напряжение во второй пластинке меняется в зависимости от приближения, или отдаления диафрагмы. На wavefrom (дорожка, показывающая входящие звуковые волны при звукозаписи в различных аудиоредакторах) показывается ни что иное, как сила тока, идущая от микрофона, и меняющаяся при изменении напряжения, вызванного колебанием диафрагмы.

P.S. На счет wavefrom — не уверен, что называется именно так, по крайней мере в русскоязычной среде. Буду рад, если продвинутые звукари подскажут:).

• Научно-популярное
• Звук

Скорость звука

Звуковая волна, как и любые другие механические волны , распространяется в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью. Скорость распространения звука в различных средах имеет различные значения.

Скорость звука в значительной степени зависит от среды, ее температуры и давления. В сухом воздухе при температуре 20 °C скорость звука составляет 1236 км/ч (343,2 м/с метров в секунду). В следующей таблице приведены некоторые справочные значения скорости звука в различных средах.

В нашей статье о скорости звука мы объяснили, как быстро распространяется звук в различных веществах. Здесь важную роль играют свойства твердых тел, жидкостей или газов.

Свойства и характеристики звука

Поскольку звук — это механическая волна, он также обладает свойствами волны, такими как частота и интенсивность. Однако среда, через которую она передается, также придает ей свои свойства.

Здесь мы рассмотрим общие свойства звука в воздухе. Как правило, их можно переносить и на другие газы и жидкости. Волны в воздухе или других газах также называются продольными волнами. Они колеблются в направлении распространения волны. Напротив, существуют поперечные волны, которые возникают, например, в некоторых твердых телах. Их колебания перпендикулярны направлению распространения.

Как возникает звук?

Звук создается источниками звука. Источник звука — это все, что заставляет воздух вибрировать. Таким источником звука может быть, например, бубен. Когда вы ударяете по бубну, вы деформируете его поверхность. Она имеет натяжение и ускоренно возвращается в исходное положение.

В общем случае, источниками звука являются тела, совершающие колебания с частотами звукового диапазона. Такие колебания совершают, например, голосовые связки человека. В результате мы слышим голоса людей. Если звук исходит от струнного музыкального инструмента, то источником звука служит колеблющаяся струна.

Частицы воздуха ускоряются, что приводит к изменению давления и плотности. Поскольку все пространство вокруг бубна заполнено воздухом, то это приводит к движению (распространению) атомов воздуха. Результирующая механическая волна достигает приемника звука, например, вашего слуха. Эта механическая волна является звуковой волной.

Как распространяется звук?

Звук распространяется, как уже указывалось в примере с бубном, через изменения давления и плотности. При ударе воздух сжимается в одной точке. Это увеличивает давление в этой области. Плотность увеличивается именно в этой точке, но уменьшается вокруг нее.

Но поскольку нет стенок, удерживающих сжатый воздух вместе, сжатые частицы снова отталкиваются друг от друга. При этом они сталкиваются с соседними атомами воздуха, которые заняли место атомов сжатого воздуха, и таким образом снова сталкивают их в другом месте. Это изменение давления воздуха и называется волной. Затем она передается на приемник.

Частота.

Как и любая волна, звуковые волны также имеют частоту. С его помощью вы разделяете звуковой спектр на различные категории.

• Инфразвук. Это низкочастотный звук, который уже не воспринимается человеческим ухом. < 16 Гц (Герц)
• Слышимый звук. Это звук, который может быть воспринят человеком. Диапазон от 16 Гц до 20 кГц (килогерц).
• Ультразвук. Это высокочастотный звук, который не воспринимается человеческим ухом. Диапазон от 20 кГц до 1,6 ГГц (гигагерц).
• Гиперзвук. Это звуковые волны, которые могут распространяться только в ограниченном объеме. > 1 ГГц .

В таблице 2 ниже приведены примеры верхних границ частот механических колебаний, воспринимаемых органам и чувств некоторых живых организмов.

Звон производит периодический, но несинусоидальный сигнал. Когда вы играете песню на гитаре, вы издаете такой звон.

Шум — это непериодический и несинусоидальный сигнал. Например, шум создают машины и транспортные средства. Шумы создаются в результате накопления колебаний разных частот. Источниками шумов могут быть промышленные предприятия, бытовые приборы, различные машины. Шумы вредно влияют на здоровье человека и животных. Длительное воздействие шумов приводит к нарушению работы центральной нервной системы, вызывает головокружение, влияет на работу сердца.

В результате удара возникает сильный амплитудный максимум, который затем быстро затухает. Если вы выстрелите фейерверком в воздух или выстрелите из пистолета-пулемета, вы услышите такой удар.

Единицы измерения частоты

Основной единицей измерения частоты в СИ является герц (Гц). С помощью стандартных приставок СИ образуются дольные и кратные единицы:

• миллигерц (мГц) — 10 -3 Гц
• килогерц (кГц) — 10 3 Гц
• мегагерц (МГц) — 10 6 Гц
• гигагерц (ГГц) — 10 9 Гц

Помимо герц, в СИ существует единица беккерель, которая равна 1/с. Она используется только для измерения частоты случайных событий, например распада радиоактивных элементов.

Измерение и восприятие частоты

Для измерения частоты периодических процессов используются специальные приборы: частотомеры, осциллографы, анализаторы спектра. Они позволяют определить точное количество циклов в секунду — значение в герцах.

Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания в диапазоне примерно 20 — 20 000 Гц. За пределами этого диапазона мы перестаем слышать звук. Кроме того, наше восприятие громкости и тембра звука тоже зависит от частоты.

При одинаковой громкости (амплитуде) звуки средних частот кажутся громче, чем на низких и очень высоких частотах. Это свойство слуха используется в звукозаписи и связи.

Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука

Звук, распространяющийся в газах и жидкостях, представляет собой продольную волну (так как в неупругих средах могут распространяться только такой вид волн). То есть звуковая волна – это чередование областей уплотнения и разряжения частиц среды, идущих от источника.

Как и любой другой вид волн, звуковые волны характеризуются скоростью распространения. Например, во время грозы человек сначала видит вспышку молнии, а потом уже слышит гром. Причем интересно, что скорость распространения звука в разных средах будет различна.

Экспериментально измерить скорость звука можно, например, в эксперименте со стрелком, делающим выстрел в воздух. Если встать от стрелка на расстоянии 500 метров и засечь время между вспышкой, которую мы видим при выстреле и звуком, который до нас доходит с опозданием, можно рассчитать скорость по формуле:

где v – скорость звука в среде, S – расстояние до стрелка, t – время между вспышкой и звуком.

По экспериментальным данным скорость звука в воздухе равна примерно 330 м/с.

Однако это величина не постоянная. Скорость звука в газах зависит от температуры: при увеличении температуры молекулы газа начинают двигаться быстрее и, тем самым, увеличивается степень из взаимодействия (то есть молекулы чаще сталкиваются друг с другом), а значит и скорость распространения волн тоже увеличится.

330 м/с — это скорость звука при нормальном атмосферном давлении и 0° по шкале Цельсия.

График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 — График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха

А что же насчет распространения звуков в других средах – жидкостях или твердых телах? Жидкости и твердые тела имеют плотность больше, чем газы, значит, молекулы в них взаимодействуют друг с другом активнее. А чем сильнее взаимодействуют молекулы вещества, тем быстрее распространяется волна в нем. Значит, звук распространяется в жидкостях и твердых телах быстрее, чем в газах.

И стоит помнить, что для звуковых волн, как и для любых других, действуют формулы:

Где v – частота звуковых колебаний, T– период звуковой волны, – длина колебаний звуковой волны, v – скорость распространения звуковых колебаний.

Отражение звука. Эхо

Каждый человек когда-либо сталкивался с таким явлением, как эхо – когда произнесенное слово или звук слышатся не один раз, а несколько. Это происходит потому, что звуковые волны отражаются от различных поверхностей (рис.5).

Рисунок 5 – Схема отражения звуковых волн от различных поверхностей (1 – источник звука, 2 – направление исходной звуковой волны, 3 – отражающий предмет, 4 – направление отраженной волны)

Эхо можно услышать, например, в пустой комнате, если она достаточно просторная, или просто в очень большом помещении. Почему же мы не слышим эха, находясь в любом помещении? Чтобы услышать эхо, человеческий мозг должен воспринять отраженный сигнал отдельно от исходного. В маленьких помещениях отраженный звуковой сигнал доходит до уха почти одновременно с исходным, поэтому мозг не успевает их различить.

Например, если ученик стоит на расстоянии 2-х метров от стены, отраженная звуковая волна достигнет его уха через:

Для того, чтобы мозг воспринял исходный и отраженный сигналы отдельно друг от друга, необходимо, чтобы разница во времени была не менее 0,6 секунды.

На возникновение эха так же влияют предметы, находящиеся в комнате: гладкие стены хорошо отражают звук, а вот мягкая мебель и ткани – поглощают звуковые волны, тем самым препятствуя их распространению.

Явление отражения волн часто используется в технике. Например, корабли могут измерять глубин моря используя отражение ультразвука. На дне судна располагают источник и приемник ультразвука. Источник порождает сигналы, которые доходят до дна, а затем отражается от него и доходят до приемника, фиксирующего их (см. рисунок 6). В этом случае глубину моря можно рассчитать по формуле:

где h– глубина измеряемого участка, vзвука – скорость звука в воде, t–время с момента отправления сигнала до его фиксации приемником.

*Данная формула выводится из закона равномерного движения:

где – перемещение при равномерном движении, – скорость движения, – время. Число 2 в знаменателе появляется потому, что за время t в данном случае сигнал успевает пройти путь до дна и обратно до корабля – то есть двойной путь.

Рисунок 6 – Измерение глубины с помощью явления отражения ультразвука от дна (1 – корабль, 2 – источник ультразвука, 3 – приемник ультразвука, 4 – испускаемая источником волна, 5 – отраженная от дна волна)

Звук

Перед тем, как приступить к рассмотрению темы, дадим определение такому явлению, как звук.

Удар молоточка по вилке вызывает возбуждение всей системы камертона с последующим звучанием чистого музыкального тона.

Гортань певца – по сути тоже акустический резонатор. Рисунок 2 . 7 . 2 демонстрирует спектры звуковых волн, издаваемых камертоном, струной пианино и низким женским голосом (альтом), звучащими на одной и той же ноте.

Рисунок 2 . 7 . 2 . Относительные интенсивности гармоник в спектре волну звука при звучании камертона ( 1 ) , пианино ( 2 ) и низкого женского голоса (альт) ( 3 ) на ноте «ля» контроктавы ( f 1 = 220 Г ц ) . По оси ординат отложены относительные интенсивности I I 0 .

Звуковые волны, чьи частотные спектры показаны на рисунке 2 . 7 . 2 , имеют одну и ту же высоту, но различные тембры.

Биения

Разберем также такое явление, как биения.

Биение – это явление, возникающее, когда две гармонические волны с близкими, но все же имеющими отличия частотами, накладываются друг на друга.

Биения сопровождают, к примеру, одновременное звучание двух струн, имеющих настройки практически одинаковой частоты. Человеческий орган слуха воспринимает биения как гармонический тон с громкостью, периодически изменяющейся во времени. Запишем выражения, показывающие закономерность изменения звуковых давлений p 1 и p 2 , которые осуществляют воздействие на ухо:

p 1 = A 0 cos ω 1 t и p 2 = A 0 cos ω 2 t .

Для удобства примем, что амплитуды колебаний звуковых давлений являются одинаковыми и равны p 0 = A 0 0.

Согласно принципу суперпозиции полное давление, которое вызывается обеими волнами в каждый момент времени, есть совокупность звуковых давлений, задаваемых каждой волной в тот же момент времени. Запишем выражение, показывающее суммарное воздействие волн, используя тригонометрические преобразования:

p = p 1 + p 2 = 2 A 0 cos ω 1 — ω 2 2 t cos ω 1 + ω 2 2 t = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t cos ω с р t ,

где ∆ ω = ω 1 — ω 2 , а ω с р = ω 1 + ω 2 2 .

Рисунок 2 . 7 . 3 ( 1 ) отображает, каким образом давления p 1 и p 2 зависимы от времени t . В момент времени t = 0 оба колебания находятся в фазе, и их амплитуды суммируются. Поскольку частоты колебаний имеют хоть и небольшие, но отличия, через некоторое время t 1 колебания войдут в противофазу. В этот момент суммарная амплитуда станет равна нулю: колебания взаимно «погасятся». К моменту времени t 2 = 2 t 1 колебания вновь окажутся в фазе и т. д. (рисунок 2 . 7 . 3 ( 2 ) ).

Период биений Т б – это минимальное значение интервала между двумя моментами времени, которым соответствуют максимальная и минимальная амплитуда колебаний.

Формула, которая определяет медленно изменяющуюся амплитуду A результирующего колебания, имеет запись:

A = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t .

Период Т б изменения амплитуды равен 2 π Δ ω . Мы можем это продемонстрировать, приняв следующее предположение: периоды колебаний давлений в звуковых волнах T 1 и T 2 являются такими, что T 1 < T 2 (т. е. ω 1 >ω 2 ). За период биений Т б наблюдается некоторое число n полных циклов колебаний первой волны и ( n – 1 ) циклов колебаний второй волны:

T б = n T 1 = ( n — 1 ) T 2 .

T б = T 1 T 2 T 2 — T 1 = 2 π ω 1 — ω 2 = 2 π ∆ ω или f б = 1 T б = 1 T 1 — 1 T 2 = f 1 — f 2 = ∆ f .

f б есть частота биений, определяемая как разность частот Δ f двух звуковых волн, которые воспринимаются ухом одновременно.

Органы слуха человека способны к восприятию звуковых биений до частот 5 – 10 Г ц . Прослушивание биений – это важный элемент техники настройки музыкальных инструментов.

Рисунок 2 . 7 . 3 . Биения, возникающие, когда накладываются две звуковые волны с близкими частотами.

Рисунок 2 . 7 . 4 . Модель явления биений.

Частота колебаний звуковых волн

Частота колебаний звуковых волн – количество колебаний звуковой волны в секунду. Единица измерения – Герцы (Гц).

1 Гц = 1 колебание в секунду

Человек способен воспринимать звук в диапазоне от 20 до 20000 Гц.

Чем меньше частота, тем ниже звук и чем больше частота, тем звук выше.

Высота – это качество звука, которое зависит от частоты (свойство звука).

В музыкальном продакшне в основном используются частоты в диапазоне примерно 30 – 16000 Гц.

Условно весь частотный диапазон можно разделить на несколько полос.

Разделение частотного диапазона

1. Инфразвук – звук ниже порога слышимости (0 – 20 Гц)

2. Низкие частоты (20 – 100 Гц)

3. Нижняя середина (100 – 1000 Гц)

4. Средние частоты (1 – 4 кГц)

5. Высокие частоты (4 – 8 кГц)

6. Шум (8 – 20 кГц)

7. Ультразвук (свыше 20 кГц)

Чем ниже частота колебаний звуковых волн, тем хуже человек её слышит, но при этом лучше чувствует вибрации.

Субъективную слышимость частот человеком характеризуют кривые равной громкости (или кривые Флэтчера-Мэнсона).

Низкие звуки имеют свойство маскировать более высокие. Они несут много энергии, отвечают за мощь и объём в треке.

Низкие частоты влияют на RMS трека, но при этом меньше всего воздействуют на субъективную громкость. Им необходимо намного больше свободного пространства чем средним и высоким.

Средние частоты отвечают за полноту и объём звучания. Необходимо очень осторожно работать с этими частотами чтобы контролировать «мутные» частоты (200 – 500 Гц).

Высокие частоты воспринимаются человеком как более громкие. Они отвечают за чистоту, детализацию и прозрачность звучания трека. В отличии от низких и средних, высокие частоты несут много пиковых всплесков, поэтому они больше всего влияют на пиковый уровень громкости.

Необходимо понимать, что звуки, частоты которых имеют соотношение 2:1, сливаются в одно целое.

Для того чтобы работать со звуком нужно знать особенности высоких, средних и низких частот. Только знания, подкреплённые практикой, могут сделать звучание ваших треков существенно лучше.

Измерение и анализ звука

Звук измеряется и анализируется с помощью звукового оборудования и программного обеспечения. В общем случае, процесс включает в себя следующие шаги:

• Запись звука. Звукозапись осуществляется с помощью микрофона. Он преобразует акустические колебания в электрический сигнал.
• Обработка сигнала. Для устранение шумов и искажений применяются звуковые редакторы для обработки аудио, таких как Audacity, Adobe Audition или Logic Pro.
• Анализ сигнала. После обработки сигнала, его можно анализировать с помощью различных инструментов, таких как спектрографы, коррелометры и др. Спектрографы показывают частотные компоненты сигнала, что позволяет определить, например, наличие гармоник или искажений. Коррелометры помогают определить степень корреляции между двумя разными сигналами.
• Оценка качества звука. Качество звука оценивается по различным параметрам, таким как частотный диапазон, динамический диапазон, уровень искажений и шумов.

На основе анализа и оценки качества звука принимаются решения о необходимости дополнительной обработки сигнала или его использовании без изменений.

Методы измерения звука

Существует несколько методов измерения звука:

• Микрофонный метод — основан на использовании микрофона для преобразования звуковых колебаний в электрический сигнал.
• Октавный анализ — разбивает звуковой сигнал на частотные полосы и измеряет уровень звука в каждой из них.
• Шумомер — прибор для измерения уровня звука в децибелах.
• Временная интеграция — измерение звукового давления в течение заданного времени. Продолжи
• Сравнение с эталоном — измерение амплитуды и частоты звука относительно эталонного сигнала.

Технологии передачи звука

Проводное и беспроводное аудио технологии передачи звука от источника к потребителю. Однако они отличаются по принципу работы, удобству использования и качеству звука.

1. Проводное аудио. Использует физические кабели для передачи звука от аудиоустройства, такого как музыкальный плеер, к наушникам или колонкам.

Этот тип соединения обеспечивает более стабильное и чистое звучание, так как сигнал передается без потерь и без воздействия помех.

Кроме того, проводное соединение обычно дешевле и проще в использовании, поскольку не требует зарядки аккумулятора или сопряжения устройств.

2. Беспроводное аудио. Позволяет передавать звук без использования кабелей. Это может быть выполнено через Bluetooth, Wi-Fi или другие радиочастотные технологии.

Беспроводные наушники и колонки удобны в использовании, так как не требуют подключения проводов.

Однако качество звука может быть хуже из-за возможных помех и потери сигнала. Кроме того, беспроводные устройства обычно стоят дороже и требуют регулярной зарядки аккумулятора.

В целом, выбор между проводным и беспроводным звуком зависит от личных предпочтений и обстоятельств.

Если вам нужен наилучший звук, выбирайте проводное соединение. Если вы предпочитаете удобство и портативность, выбирайте беспроводное соединение, но будьте готовы к возможному ухудшению качества звука.