Общие понятия о звуке и его характеристиках

Звук – это упругие механические колебания частиц среды, частота которых находится в пределах условно принятого диапазона 20 Гц – 20 кГц, приближённого к диапазону, воспринимаемому человеческим слухом.

Если частота таких колебаний ниже или выше, они называются инфразвуком или ультразвуком соответственно. Физически они идентичны звуку, поэтому нижеследующее справедливо и для них. Звуковая волна, звуковое поле и акустический сигнал – понятия, тождественные звуку, хотя применяются в разном контексте. Но следует различать звук как физическое явление и слуховые ощущения – как явление психическое.

Звуковые волны порождаются периодическими колебаниями различных тел (рис. 1). Тело колеблется на характерной для него собственной частоте, зависящей от его свойств: например, от длины, толщины и натяжения струны, а также – плотности материала, из которого она изготовлена. Звуковая волна – это явление переноса «возмущения» или энергии механических колебаний в упругой среде. В отличие от аэродинамических процессов, распространения частиц газовой среды не происходит – они колеблются возле их изначальных положений. Движение частиц в продольных волнах совершается вдоль направления их распространения, а в поперечных – перпендикулярно ему. Звуковые колебания в газах являются продольными, а поперечные волны распространяются только в твёрдых телах – струнах, мембранах или пластинках. В вакууме звук невозможен ввиду отсутствия носителя, если не брать во внимание эффект вакуумного туннелирования фононов…


Рисунок 1. Звуковая волна

Фронт волны – это поверхность, образованная точками среды, находящимися в одной фазе колебания. Если размеры источника звука меньше длины излучаемой им волны и расстояние до приёмника невелико, фронт звуковой волны можно считать сферическим. Если же размеры излучателя значительно больше длины волны или расстояние до приёмника значительно – фронт звуковой волны можно считать плоским. Понятие сферических волн применимо в основном для низких частот на малых расстояниях от источника – вдали их можно считать плоскими из-за большого радиуса кривизны. Плотность энергии сферической волны снижается при расхождении – до приёмника доходит лишь незначительная часть излучённой энергии. Излучатель, сильно вытянутый в одном направлении, на низких частотах создаёт цилиндрические волны. Звуковое давление снижается с увеличением расстояния до источника звука вследствие трения, причём высокочастотные волны теряют энергию быстрее низкочастотных волн с плоским фронтом излучения, производя больше трения.

Звуковое поле представляет собой периодически чередующиеся области сгущения и разряжения среды или зоны повышенного и пониженного давления. Звуковое давление – это разность между мгновенным и статическим атмосферным давлением в данной точке среды при прохождении через неё звуковой волны (рис. 2). В областях сгущения среды звуковое давление положительно, а в разряженных зонах – отрицательно. Так как звуковое давление постоянно меняется c большой скоростью, часто имеется ввиду его среднеквадратичное (Root Mean Square) значение. Уровень звукового давления или SPL – это среднеквадратичное значение звукового давления, измеренное по децибельной шкале с опорным уровнем в 20 мкПа, близким к абсолютному слуховому порогу на частоте 1 кГц. Уровень звукового давления – та характеристика, которая наиболее явно коррелирует с субъективным ощущением громкости. Помимо SPL существуют пропорциональные ему показатели, реже применяемые на практике: амплитуда звуковых колебаний, интенсивность звука, плотность звуковой энергии и прочие энергетические параметры. Подробнее о звуковом поле, слуховом восприятии, уровнях в аудио и децибельных шкалах будет сказано в последующих статьях.


Рисунок 2. График давления в точке воздушной среды

Каждая из частиц среды, в соответствии с принципом суперпозиции, может принимать участие в нескольких колебательных процессах. Сложное колебательное движение может быть представлено суммой простых гармонических колебаний с определённой частотой, амплитудой и фазой – такое представление является результатом преобразования Фурье. Амплитудно-частотное соотношение компонентов сложного колебания называют амплитудным или частотным спектром. Помимо амплитудно-частотного существует также фазо-частотное соотношение, называемое фазовым спектром.

Одной из важнейших характеристик звука, используемой аудиоинженерами, является ЧХЗД – частотная характеристика звукового давления или АЧХ – амплитудно-частотная характеристика, также строящаяся в системе координат «частота – уровень звукового давления». Крайне информативно временное распределение ЧХЗД, называемое сонограммой, а в некоторых случаях – кумулятивным спектром затуханий или waterfall’ом. Акустические измерения проводятся откалиброванными микрофонами, являющимися преобразователями звукового давления или его градиента в аналоговый электрический сигнал, который впоследствии анализируется электронными устройствами. Такой сигнал не является звуком – он лишь содержит информацию, которую можно преобразовать обратно в подобный исходному звук с помощью усилителя мощности звуковых частот и громкоговорителя.

Звук распространяется с определённой скоростью, которая зависит от состава среды (влажности воздуха), давления и температуры. В свою очередь, от скорости звука зависит длина звуковой волны на той или иной частоте – это имеет практическое значение, например, при настройке временных задержек на процессорах акустических систем… Для реальных температурных условий, от –20 °C до +35 °C, возможный диапазон для скорости звука составит 315…350 м/c, а длина волны на любой частоте будет варьироваться в пределах 5% относительно таковой для средней температуры +7.5 °C. Нормальной считается скорость звука 343 м/c при нормальной влажности, атмосферном давлении в 101325 Па и температуре +20 °C. Для сравнения – скорости звука в воде и металле: 1.5 км/с и 5 км/с соответственно.

λ = с / ν

Длина волны = Скорость / Частота

Агалаков Иван