Простое объяснение теории звука и акустики

Ультразвук

Далеко не все звуки могут быть восприняты человеческими органами слуха. Ультразвуковая акустика – раздел акустики, изучающий звуковые колебания с диапазоном от двадцати кГц. Звуки такой частоты находятся за гранью человеческого восприятия. Ультразвук подразделяется на три вида: низкочастотный, среднечастотный, высокочастотный. Каждый из видов имеет свою специфику воспроизведения и практического применения. Ультразвуки могут быть созданы не только искусственно. Они нередко встречаются и в живой природе. Так, шум, издаваемый ветром, частично состоит из ультразвука. Также такие звуки воспроизводятся некоторыми животными и улавливаются их органами слуха. Всем известно, что летучая мышь является одним из таких существ.

Ультразвуковая акустика – это отрасль акустики, которая нашла практическое применение в медицине, при различных научных опытах и исследованиях, в военной промышленности. В частности, в начале двадцатого века в России было изобретено устройство для обнаружения подводных айсбергов. Работа этого устройства основывалась на генерации и улавливании ультразвуковых волн. Из данного примера видно, что ультразвуковая акустика – это наука, достижения которой используются на практике уже более ста лет.

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.

Профессиональные системы

А вот профессиональная акустика – это уже серьезно. В основном она используется в студиях звукозаписи или на концертах. Сюда можно отнести студийные или концертные мониторы, гитарные «комбики» и целые звуковые порталы. В большинстве своем управление такими системами осуществляется либо на самих устройствах (практически все они оснащены предусилителями), либо через центральный микшерный пульт, на котором производится сведение инструментов по громкости или панораме, не говоря об использовании дополнительных эффектов для обработки первичного сигнала.

В плане концертных порталов грандами можно назвать компании Marshall и JBL. Но вот, что интересно: эти производители до сих предпочитают использовать ламповые усилители вместо полупроводниковых, поскольку они обладают большей мощностью и обеспечивают более теплый аналоговый звук.

Если вспомнить самый большой в истории рока концерт 1991 года Monsters Of Rock in Moscow, который проходил на летном поле в Тушино, выставленная мощность звуковых порталов в сумме составляла порядка 600 кВт. Выступления групп E.S.T., The Black Crowes, Pantera, Metallica и AC/DC можно было слышать даже в метро за три километра от поля. Можете себе представить, что творилось перед сценой.

Что касается мониторов, любой исполнитель скажет вам, что они служат для того, чтобы на сцене слышать общее звучание без задержек. Основной портал находится впереди, а исполнитель воспринимает только отраженный сигнал, из-за чего может просто не попасть в такт.

А вот гитаристам с появлением «комбиков» повезло значительно больше. Дело в том, что профессиональная этого типа позволяет самостоятельно настроить качество звука или дополнительные эффекты при подключенных гитарных процессорах или «примочках», и именно такой сигнал будет транслироваться на основные усилители с выводом на портал или на вход записывающего студийного устройства. И практически все мировые лидеры в производстве гитарных инструментов выпускают собственные модели.

Частота

Количество колебаний источника звука в единицу времени относительно среднего значения определяется частотой. Частота измеряется как количество колебаний в секунду, при этом одно колебание в секунду равно 1 Герц (Гц). Большее количество колебаний в секунду, т. е. более высокая частота, дает более высокий тон.

Частоты часто подразделяются на 8 групп, известных как полосы со среднегеометрическими частотами: 63 Гц, 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2000 Гц, 4000 Гц и 8000 Гц.

Уровень звуковой мощности и уровень звукового давления

На уровень звукового давления, создаваемого источником шума, оказывает влияние уровень звуковой мощности источника, коэффициент направленности (1), расстояние до источника (2) и звукопоглощающие характеристики помещения (3).

Анекдот из жизни

Тем не менее даже в настоящее время не все производители промышленной техники уделяют хоть какое-то внимание данному вопросу. Руководство далеко не всех заводов и фабрик озабочено сохранением здорового слуха у своих подчинённых

Иногда приходится слышать рассказы, подобные этому. Главный инженер одного из крупных предприятий промышленности распорядился установить в наиболее шумных цехах микрофоны, подсоединённые к громкоговорителям, расположенным снаружи зданий. По его мнению, таким образом микрофоны будут высасывать часть шума наружу. Конечно, при всей комичности данной истории она заставляет задуматься о причинах такой безграмотности в вопросах, касающихся шумоподавления и шумоизоляции. А причина у этого единственная – в учебных заведениях высшего, средне-профессионального и средне-специального уровня образования лишь в последние десятилетия стали вводить специальные курсы по акустике.

3) Эквивалентная площадь поглощения помещения, Aeqv

Способность материалов поглощать звук называется коэффициентом поглощения а. Коэффициент поглощения может иметь значения от 0 до 1, где значение 1 соответствует полностью поглощающей поверхности, а значение 0 — полностью отражающей поверхности.

Эквивалентная площадь поглощения помещения измеряется в м2 и может быть рассчитана путем умножения площади поверхностей помещения на их соответствующие коэффициенты поглощения.

Во многих случаях проще использовать средние значения для расчета звукового поглощения в различных типах помещений, а затем также оценочное значение эквивалентной площади поглощения помещения (см. рис. 2).

3) Эффективная площадь поглощения, основанная на оценке

Если не известны коэффициенты поглощения всех поверхностей и допустимо использовать усредненный коэффициент поглощения, то можно расчитать его по графику. График построен для помещений со стандартными пропорциями, т.е. 1:1 или 5:2.

Зная объем и тип помещения, с помощью графика и таблицы 1 можно определить его среднее эквивалентное поглощение.

Рис. 2. Оценка эквивалентной площади поглощения

А — фильтр

Чувствительность слуха также зависит от силы звука. Для компенсации неравномерного восприятия звука на октавные полосы частот накладываюся корректировки, так называемые фильтры. Для уровня звукового давления ниже 55 дБ используется А-фильтр. Для уровня между 55 и 85 дБ — В-фильтр, а для уровня свыше 85 дБ — С-фильтр.

Рис. 7. Выравнивание с А-, В- или С-фильтрами

А-фильтр наиболее часто применяется в вентиляции, накладывая корректировку на каждую октавную полосу частот (см. табл. 2). Поатому значения дБ, получаемые с корректировкой А-фильтра, обозначаются как дБ(А).

Помимо фильтров, существуют также другие способы компенсировать несовершенство восприятия уха. График с NR-кривыми (Noise Rating — рейтинг шума) показывает звуковое давление и частоту звука, которая воспринимается человеческим ухом одинаково. Например, 43 дБ при 4000 Гц так же опасны, как 65 дБ при 125 Гц.

внешняя ссылка

В Wikiquote есть цитаты, связанные со звуком
В Викиучебнике есть дополнительная информация по теме: Звук
Викискладе есть медиафайлы по теме звука .
В Wikisource есть оригинальный текст, связанный с этой статьей:Звук
Ресурсы библиотеки о звуке
  • Эрик Мак (20 мая 2019 г.). «Ученые из Стэнфорда создали настолько громкий звук, что вода мгновенно вскипает» . CNET .
  • Звучит потрясающе; учебный ресурс KS3 / 4 для звука и волн (использует Flash)
  • Гиперфизика: звук и слух
  • Введение в физику звука
  • Кривые слуха и онлайн-тест слуха
  • Аудио для 21 века
  • Преобразование звуковых единиц и уровней
  • Звуковые расчеты
  • Проверка звука: бесплатная коллекция аудиотестов и тестовых сигналов, воспроизводимых в режиме онлайн.
  • Больше удивительных звуков; учебный ресурс о звуковых волнах для шестиклассников
vтеАкустика
Инженерное дело
  • Архитектурная
  • Монохорд
  • Реверберация
  • Звукоизоляция
  • Вибрация струны
  • Спектрограмма
Психоакустика
  • Шкала коры
  • Комбинированный тон
  • Контур равной громкости
  • Шкала Мел
  • Отсутствует фундаментальный
Частота и высота тона
  • Бить
  • Formant
  • Основная частота
  • Частотный спектр
  • Гармонический
    • Серии
    • Негармоничность
  • Законы Мерсенна
  • Обертон
  • Резонанс
  • Стоячая волна
  • Субгармоника
Акустики
  • Джон Бэкус
  • Йенс Блауэрт
  • Эрнст Хладни
  • Герман фон Гельмгольц
  • Карлин Хатчинс
  • Франц Мельде
  • Марин Мерсенн
  • Вернер Мейер-Эпплер
  • Лорд Рэйли
  • Жозеф Совер
  • Д. Ван Холлидей
  • Томас Янг
похожие темы
  • Эхо
  • Инфразвук
  • Звук
  • УЗИ
  • Музыкальная
    • Фортепиано
    • Скрипка
Авторитетный контроль
  • BNE : XX524570
  • BNF : cb119348192 (данные)
  • GND : 4129541-9
  • LCCN : sh85125363
  • NDL : 00568989

Звук в природной среде

Когда на планете появились первые животные, у них со временем возникла острая потребность получать как можно больше информации об окружающей действительности. А поскольку звук является одним из главных носителей информации, то у представителей фауны стали происходить эволюционные изменения головного мозга, которые постепенно привели к образованию органов слуха.

Теперь первобытные животные могли получать посредством улавливания звуковых колебаний необходимую информацию об опасности, часто исходящей от невидимых взору объектов. Позднее живые существа научились использовать звуки для других целей. Сфера применения аудиоинформации росла в процессе эволюции самих животных. Звуковые сигналы стали служить средством примитивного общения между ними. Звуками они стали предупреждать друг друга об опасности, также он служил зовом к объединению для существ со стадными инстинктами.

Применение в музыке

Музыкальная акустика – отрасль, исследующая музыкальные звуки с точки зрения физики. Данная отрасль тоже является междисциплинарной. В научных трудах по музыкальной акустике активно используются достижения математической науки, музыкальной теории и психологии. Основные понятия этой науки: звуковысотность, динамические и тембральные оттенки используемых в музыке звуков. Данный раздел акустики преимущественно направлен на исследование ощущений, возникающих при восприятии звуков человеком, а также особенностей музыкального интонирования (воспроизведения звуков определённой высоты). Одной из обширнейших тем исследования музыкальной акустики является тема музыкальных инструментов.

Двухполосная

Существует два основных крайних случая. Условно это ретро из прошлого века, – частота соединения динамиков порядка 5-6кГц. И современный массовый “новодел”, которым забиты все салоны, – с делением головок на частоте порядка 2,5кГц.

Ретро вариант акустики в силу того, что СЧ/НЧ динамику приходится играть на очень высоких частотах, звучит по современным меркам грязновато. Но зато, в силу того, что фильтр крутящий его фазу смещен вверх, слушать музыку можно долго и вполне комфортно. Так как подобное сведение очень близко к широкополосной акустике. Зачастую ретро вообще не подразумевает наличие фильтра на СЧ/НЧ динамике, и по факту  больше относится к широкополосной акустике.

Массовый новодельный вариант двухполосных АС с делением порядка 2,5кГц, – звучит очень чисто. Чем производит на покупателей большое первичное впечатление. И по этой причине эта хорошо впаривается. Что и является причиной, что акустикой с таким типом сведения забиты все салоны.

Она очень хорошо передает звук бьющихся стаканов. Вполне прилично играет “аудиофильский джаз” и демофонограммы из серии Реббека Пупкина. Но реальную музыку на этой акустике большинство людей слушать не могут. Утомляет она очень сильно.

Существуют промежуточные варианты, когда деление полос происходит где то посередине – на 4 кГц.

Основная проблема двухполосных АС в том, что почти всегда слушателям будет не хватать баса. Хотя если смотреть на графики АЧХ у них с НЧ все хорошо. Происходит это сразу по двум причинам:

  • Типичная комната поглощает НЧ гораздо в большой степени нежели СЧ и ВЧ.
  • Звуковые волны переотражаются от передней панели АС от частоты примерно 900 Гц (длины волны сопоставимы с шириной панели). Передняя панель АС отражает звуковые волны как зеркало свет. И соответственно звуковых волн от 900 Гц становится больше. А все те волны, которые ниже 900 Гц не переотражаются. И их больше не становится.

Наука о звуке

Первые попытки познания природы звука были предприняты ещё Пифагором, который изучал колебания струны. После Пифагора в течение долгих веков эта область не вызывала никакого интереса у исследователей. Конечно, целый ряд учёных древности занимался построением собственных акустических теорий, но эти научные изыскания не основывались на математических расчётах, а были больше похожи на разрозненные философские рассуждения.

И лишь по прошествии более чем тысячи лет Галилей положил начало новой науке о звуке – акустике. Виднейшими первопроходцами в этой сфере были Рэлей и Гельмгольц. Они создали в девятнадцатом веке теоретическую основу современной акустики. Герман Гельмгольц в основном знаменит своим изучением свойств резонаторов, а Релей стал нобелевским лауреатом благодаря своей фундаментальной работе по теории звука.

Другие статьи

Самое нужное о видео

  1. Форматы видеосигналов
  2. Защита видеоинформации
  3. Используемые интерфейсы для видеосигналов
  4. DP (Display Port)
  5. USB (Universal Serial Bus) Type-C
  6. HDBaseT
  7. SDI (Serial Digital Interface)
  8. VGA (Video Graphics Array)
  9. Коммутация или микширование
  10. Зачем нужны видеопроцессоры
  11. Преобразование видеосигналов
  12. Передача видеосигналов на большие расстояния

Управление мультимедийными системами

  1. Структура системы управления
  2. Стандартные интерфейсы управления
  3. Оригинальные шины управления от производителей

Локальные вычислительные сети

  1. Попытка упрощённо описать локальную сеть
  2. Протокол IP
  3. Проводная сеть Ethernet
  4. Беспроводные сети
  5. Коммутация и маршрутизация

Немного об электричестве

  1. Совсем немного теории
  2. Электрические кабели
  3. Правильный выбор кабеля
  4. Соединение кабелей
  5. Вилки и розетки на 230 Вольт

Приёмы работы

  1. Как грамотно прокладывать кабель
  2. Укладка кабеля
  3. Маркировка кабеля
  4. Врезка лючка
  5. Как собрать аппаратный шкаф
  6. Работа на высоте
  7. Обмен опытом

Линейный звуковой сигнал

Немного неточное название. Всё-таки правильнее говорить линейный уровень аналогового сигнала. И это тоже не совсем точно. В общем — все понимают данный термин, потому так и оставим.

Линейный звуковой сигнал — это наиболее распространённый звуковой сигнал в мультимедийных системах. Передаётся простым проводом, легко коммутируется, легко проверяется. Из недостатков — возможны разные помехи.

По современному стандарту 0 dBu соответствует 775 мВ, что соответствует мощности 1 мВт на нагрузке 600 Ом.

Уровень линейного сигнала придумали измерять не абсолютной цифрой, а отношением (точнее логарифмом, но это точно запоминать не надо) текущего уровня к базовому. И назвали это децибелом (обозначается dBu, dBv и т.д. в зависимости от того, что меряют). Есть базовый нулевой децибел, откуда всё и скачет. Если значение со знаком минус, то звук тише, если с плюсом — то громче. Чаще всего для передачи звука между профессиональными устройствами применяют уровень +8 dBu. Но принимать эту цифру за аксиому не следует — слишком много нюансов при настройке звука.

Один канал звука передаётся по двум проводникам — сигнальному и земле. Такая передача звука называется небалансной. При коротких кабелях всё отлично, но если требуется передать звук на длинные дистанции (более 10 метров) или если имеются сильные электрические наводки, то звук получит множество помех и искажений.

Часто балансный сигнал называют симметричным, а небалансный — несимметричным.

Для уменьшения этого был разработан балансный сигнал, который передаётся по трём проводникам — двум сигнальным и земле. Чаще всего проводники имеют красный цвет — «горячий», и синий цвет — «холодный». В профессиональной технике горячий сигнал обозначают знаком «+», а холодный знаком «-». Принцип передачи сигнала, если это заинтересовало, лучше почитать отдельно.

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.

Микрофонный звуковой сигнал

Строго говоря, микрофонный сигнал относится к линейному, но так как есть некоторые различия, да и в аппаратуре входы обычно подписываются как Mic и/или Line, то рассмотрим его отдельно.

Микрофонный уровень соответствует напряжению, генерируемому микрофоном при воздействии на него звуковых волн, обычно это лишь тысячные доли вольта. Это напряжение зависит от громкости звука и расстояния от источника звука. Микрофонный сигнал имеет самый слабый уровень и требует предварительного усилителя, чтобы довести его до линейного уровня.

При подключении микрофона к линейному входу звук практически отсутствует, поскольку выдаваемый микрофоном уровень сигнала слишком слабый. При подключении источника с линейным уровнем к микрофонному входу звук будет очень громким и искажённым, поскольку линейный сигнал значительно сильнее, чем можно подавать на микрофонный вход.

Уровень сигнала микрофона обычно указывается в децибелах от линейного уровня и находится в диапазоне от -60 до -40 dBu.

Вторым отличием микрофонного сигнала является наличие фантомного питания. Это не относится к звуковому сигналу, но требуется для работы конденсаторных микрофонов. Так как микрофоны можно подключать разных типов, то фантомное питание делается отключаемым. Чаще всего напряжение фантомного питания равно 48 Вольтам.

Добавление сабвуфера

К указанным выше типам всегда можно добавить сабвуфер. В случаи когда требуется создать большое звуковое давление в самом низу диапазона, это очень простое, и очень дешевое решение

Особенно когда качество НЧ не особо важно (дискотека-взрывы-выстрелы)

Любители же слушать музыку сталкиваются с одной и той же неизбежной проблемой. На короткое время создается ощущение, что все звучит вроде очень замечательно.

После чего приходит понимание, что-то не совсем так, и сабвувер нужно подвигать или покрутит на нем ручки. Но как сабвувер не двигать, или крутить на нем ручки, всегда получится так…  Если на один трек еще можно получить хороший результат, то в общем пласте музыки – саба будет то много то мало. И фонограмма каждого конкретного трека будет очень специфическим образом преображаться.

Причина заключается в том, что фильтры сабвуферы стоят очень низко по частоте. Обычно это регулируемый второй порядок на 40-160 Гц и нерегулируемый(он всегда включен) на 300-400 Гц. В купе с тем, что сам по себе динамик сабвуфера, как это было рассказано выше, крутит фазу именно в этом месте:      

Получается то, что понятие фазы у сабвуфера по сути не существует. По тому как общая суммарная накрутка фазы в диапазоне рабочих частот сабвуфера приближается к пятому порядку. Нота всего на тон выше и ниже, звучит совершенно по-разному. С сильно другой фазой, – вплоть до противофазы….  От сюда и желание в беспрерывном подкручиванием ручек на сабфуфере от трека к треку.

Много свободного времени можно потратить на перемещая саба по комнате. Сдвинул его на метр, – и вот он совершенно по другому звучит. Клиент искренне думает, что тем самым он добивается более ровной АЧХ. Но проблема совершенно не в АЧХ, а в том, что у саба фаза накручена до уровня того, что фазы у него как таковой нет. Можно покрутить на нем фазу. Во всех случаях будет плохо. Но плохо будет по-разному.        

На практике большинство слушателей музыки уже через пару месяцев перестают слушать музыку с сабвуфером. Если речь идет именно о музыке.

И включают его только время от времени, для получения ощущения давления.

Что на 20 раз становится уже не особо интересно. И от сабвуфера большинство слушателей музыки стараются избавится. В этом собственно и причина большого количество предложений сабвуферов на Авито с аномально огромным дисконтом (для дорогих моделей 3-6 раза кратно ниже цены розницы).

А с создание давления у сабвуферов все замечательно. С этим никто не спорит.

Вот собственно и все варианты “характеров звучания” акустических систем при пассивной фильтрации.

Определитесь с “характером” звучания, который вам больше нравится. Трехполосная, двухполосная и широкополосная эта разная акустика. И бессмысленно ее сравнивать между собой.

После того как поймете, что вы хотите, – рассматривайте варианты разного качества внутри этой группы. 

Весь выбор который у вас есть, – какие искажения вам более противны. Фазовые или нелинейные. Либо те и другие, но понемногу. 

Читайте по теме:

Домашняя

Если говорить о том, какие системы используются в домашних условиях, в большинстве своем это либо пассивная с прямым подключением к усилителям, либо активные системы домашних кинотеатров, подключаемые к DVD- или Blu-ray- проигрывателям.

В качестве самого простого примера пассивных колонок (громкоговорителей), можно привести, если кто помнит, модели Radiotehnika серии S, которые просто соединялись с усилителем без использования электропитания. Они были способны выдавать только стереосигнал или что-то вроде псевдо-квадро при подключении не двух, а четырех колонок.

Активные системы для домашних кинотеатров в основном используют стандарты Dolby Surround и Digital Audio, и могут различаться по количеству дополнительных колонок (5+1, 7+1). В таком обозначении единица соответствует сабвуферу, а первые цифры обозначают количество колонок (несколько фронтальных, задних и боковых).

Но все домашние системы могут воспроизводить звук в диапазоне от 16-20 Гц до 18-20 кГц (реже – до 22-24 кГц, что человеческое ухо уже практически не воспринимает), и состоят они из трех типов динамиков – низко-, средне- и высокочастотных с разными вариациями по количеству. На каждый динамик (диффузор), подается сигнал строго определенной частоты (иногда для разделения основного сигнала применяются кроссоверы), что и позволяет добиться такого звучания, при котором частоты не смешиваются (не накладываются друг на друга).

Related posts
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Editor
Editor/ автор статьи

Давно интересуюсь темой. Мне нравится писать о том, в чём разбираюсь.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
The voice for you
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector