что собой представляет звуковая волна
В общем случае звуковые волны физика рассматривает как распространение возмущений давления в упругих средах. Человеческое ухо улавливает аномалию, воспринимая звук.
Изучающая свойства явления наука называется акустикой. От греческого ἀκούω (слышать). Имеются в виду небольшие изменения параметров в отличие от физики ударных волн.
Звуковые волны
Процесс распространения связан с колебательным механическим движением частиц. Достаточно каким-либо образом создать скачок давления, и частицы «толкнут» соседние.
Уравнение звуковой волны в газе (гармоничные колебания) будет выглядеть так:
p0 – начальное давление (Па);
ω – круговая частота (Гц);
Формулы связи длины звуковой волны, скорости, иные характеристики:
v – скорость волны (м/с);
Источник звука
Под источником звука понимают вещь, спровоцировавшую волну. Например, динамик или музыкальный инструмент.
В громкоговорителе для извлечения шума используется подвижная мембрана. В духовых инструментах – движение воздуха по внутренним ходам различной геометрии.
Из струнных звук извлекают при помощи трения смычка или при помощи щипков, ударов. Человек выдает речь, вокал, при помощи голосовых связок.
Скорость звуковой волны
Скорость распространения акустической волны является важной физической характеристикой среды или материала, поскольку со скоростью звука передаются любые возмущения.
Величина зависит от упругих свойств среды. Например, от давления, температуры. Для атмосферного воздуха важна влажность.
В общем случае определяется отношением модуля всестороннего сжатия и номинальной плотностью.
Для практических целей замеряется опытным путем. В жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах.
Громкость
Зависит от перемещаемой волной энергии. Замеряют в Вт/м 2 . Но интенсивность принято измерять в децибелах.
Существует масса приложений для компьютеров, смартфонов. Специалисты вооружаются специализированными устройствами.
Бел – десятичный логарифм отношения текущего уровня интенсивности в фоновому, пороговому. Осталось умножить на 10 (поскольку децибел).
Вот примеры уровня шума для разных источников.
Высота и тембр звука
Считается, что человеческое ухо воспринимает с разным успехом частоты диапазона 20…20 000 Гц. Оптимальными для слуха является интервал 1 000…5 000 Гц.
Высота определяется частотой. В связанной с музыкальными инструментами акустике измеряется также в мелах.
В музыкальных колонках в зависимости от частот звук может разделяться на полосы (НЧ, СЧ, ВЧ). На каждый громкоговоритель поступает соответственно отфильтрованный звук.
Рассуждения корректны, если имеем гармоничные колебания (синусоида), определенный тон. Примером такого звучания может служить камертон. Реальные инструменты дают дополнительные гармоники (обертона), образующие тембр.
Так выглядит звук от разных источников на одной ноте.
Звуковые явления
Звук обладает ярко выраженными волновыми свойствами:
1. Интерференция или сложение. В зависимости от условий волны могут взаимно усиливаться или ослабляться.
При проведении крупных концертных мероприятий учитывается возможные «деформации» звука в некоторых участках помещения. Эффект связан с обильным отражением (рефракцией) волн от стен, потолка, пола. Особенно коварно поведение линейных массивов.
Рота бойцов разрушит мост, идя по нему «в ногу». Конструкции не выдерживает наступающего резонанса.
2. Дифракция. Огибание препятствия, если длина волны существенно больше.
3. Замеренная частота источника увеличивается в процессе сближения с последним (эффект Доплера).
Применение звуковых волн
Помимо ценности общения друг с другом, звук дает возможность наслаждаться музыкой и обогащать свое представление об окружающем мире. Кроме слышимого спектра существуют инфра- и ультразвук. Ниже и выше границ слышимости соответственно.
УЗИ (ультразвуковое исследование) позволяет «увидеть» внутренности пациента без скальпеля и небезопасного рентгеновского аппарата. Эхолокатор поставляет морякам информацию о глубинах и рельефе дна. Офицер-гидроакустик обнаружит спрятавшуюся подводную лодку. Характер отражения ультразвука поможет обнаружить скрытый дефект в ответственной детали.
Звуковые волны их разновидности и особенности понятным языком
Что такое звук и как он образуется
Давайте познакомимся с темой звука поближе, остановившись подробно на самых ключевых основах как с точки зрения науки, так и более приземлённо. Все мы с раннего детства привыкли жить в мире, наводнённым самыми разными звуками и их сочетаниями, этот момент ни у кого не вызывает удивления или вопросов. Но понять, а тем более визуализировать процесс распространения звука в пространстве способен далеко не каждый. Изучением звука и явлений, с ним связанных, издавна занимается хорошо нам знакомая наука физика. Что же она может сказать нам по данному поводу, как может объяснить природу явления? Несмотря на то, что физическая формулировка может быть несколько «замудрёной» и малопонятной на первый взгляд, на самом деле всё достаточно просто.
Звук представляет собой волновой процесс передачи энергии/давления в пространстве от некого колебательного источника.
Давайте попробуем разобраться детальнее в приведённом вольном определении. Уточним основные моменты в развёртке:
Колебания распространяются в виде звуковых волн
Звук представляет собой волну. В простейшем случае это механическая волна, т.к. процесс колебаний частиц среды вполне себе определённый физикой как маханика смещения/взаимодействия частиц. Каким образом можно его представить волновым? Вот есть источник, от него расходятся колебания… В каких-то определённых направлениях! Раз у звука есть направление от источника, то уже можно условно представить данный процесс «линией», вектором со стрелкой. Но и это ещё не всё.
Вспоминая всё те же закономерности физики можно даже логически додумать: при образовании импульса изменённого повышенного давления от источника звука, движущегося в пространстве, вслед за этим неизбежно возникает компенсация и, за областью повышенного давления образуется точно такая же область пониженного. А что напоминают подобные чередования подъёмов и спадов в природе, да и не только? Конечно же волны! Будь то морские или «искуственные» синусы, неважно, принцип везде одинаков — за пиком всегда циклично следует спад и т.д. Поэтому распространение энергии в пространстве и можно представить волной, т.к. «движется» она неравномерно, чередованием зон уплотнений (повышенное давление) и разряжений (пониженное давление).
Среды где существует звук
Для распространения звука есть одно обязательное условие — необходимо наличие среды. Что это значит и какие могут быть среды? Для ответа на вопрос снова полезно будет вспомнить физику, хотя и без неё можно догадаться, что почти всё вокруг нас условно можно считать средой. Чтобы это понять или запомнить, достаточно знать, что среда — это то, где есть некий молекулярный состав и структура. Вот именно в таких (и только!) условиях и может распространяться звуковая волна, взаимодействуя с молекулярной структурой среды. Таким образом, звук может свободно «гулять» лишь в трёх хорошо известных средах:
Во всех приведённых примерах у среды есть некий молекулярный состав, что и является основным условием передачи звука. Так, например, в воздухе есть молекулы, невидимые глазу, однако именно они и выступают в роли транспортного проводника звуковой волны, и тут происходит передача энергии благодаря ниличию упругой связи между частицами. Тоже самое можно сказать про воду и уж конечно в твёрддых телах происходят активнее всего такие взаимодействия, структуру последних для наглядности можно и пощупать или увидеть в микроскоп.
А где же тогда звук не сможет распространяться? Не произойдёт этого явления в вакууме, стало быть в просторах бескрайнего космоса звука не существует.
По средам распространения, за счёт взаимодействия с ними, звук имеет свои интересные нюансы, на которые стоит обратить внимание:
Виды и формы звуковых волн от плоской до сферической
Вот наш звук появился на свет в форме волны, но как именно распространяется и чем ещё характеризуется? У любой звуковой волны будет направление движения или правильнее сказать направление распространения в пространстве от источника. В повседневной жизни мы чаще всего сталкиваемся со звуком, «путешествующим» по воздуху. Воздушная среда, благодаря наличию в ней упругих сил, оказывает сопротивление деформации. Именно благодаря этой особенности в газообразной и жидкой средах возникают волны, называемые продольными.
Представим источник звука в виде какого-то объекта/точки, окружённого воздущным пространством. Объект этот, пусть будет музыкант с инструментом в руках, стоящий в чистом бескрайнем поле, будет излучать звук в воздушное пространство вокруг себя во всех направлениях, но сами волны всегда будут продольными. Такими называются те волны, где распространение перемещения энергии/изменения давления в пространстве происходит строго в том же направлении, что и движение молекул среды, хотя движением его можно назвать с натяжкой, т.к. как помним — молекулы сами по себе никуда не движутся, но всё же смещаются на некоторое расстояние в пределах зоны свох «свобод», происходит нарушение равновесного состояния, пытающегося восстановиться упругими связями. Продольные волны можно нарисовать графически стрелочкой, которая будет параллельна импульсу молекулярного смещения в среде. Продольные волны образуются во всех трёх средах: твёрдой, жидкой и газообразной, но только в двух последних не могут образоваться волны иного типа, что объясняется упругими связями, присущими жидкостям и газам.
Когда же речь заходит о перемещении звуковой волны внутри твёрдого тела, то ситуация несколько усложняется за счёт особой структуры данной среды. В твёрдых телах, помимо продольных волн, могут образовываться ещё и поперечные. Кто не забыл школьные уроки геометрии наверняка догадается, что это за тип волнового излучения: фронт звука в таком случае уже будет не сонаправлен с молекулярным смещением, а перпендикулярен относительно него. Происходит это из-за особенностей структуры многих твёрдых тел, где молекулы, «возбуждая» соседние при передаче волны, начинают хаотично отклоняться в стороны относительно направления движения зон чередования давлений, тем самым и звук «расходится» не только вдоль от источника, но и поперёк. У поперечных волн главным отличием можно отметить подверженность поляризации, т.е. такие волны колеблются в строго определённой плоскости.
В нашем примере музыканта в открытом поле направление звука расходится во все стороны от источника волнами разных типов, что будет зависеть от способа возбуждения колебаний.
Инструмент музыканта будет излучать в пространство смешанные типы волн, они зависят от геометрической формы излучающей (или взаимодействующей со звуковым фронтом) поверхности и от соотношения длины самой волны к размеру этой поверхности. Наиболее распространённые волны следующих форм:
Формы звуковых волн носят несколько условный характер и зависят от расстояния рассмотрения излучающего объекта. Так, при близком рассмотрении сферического объекта, излучение одной его стороны можно рассматривать как плоскую волну и т.д.
Когда некое твёрдое тело совершает в среде череду повторяющихся колебаний в виде возвратно-поступательных движений с неизбежным затуханием со временем (если только колебания не поддерживаются некой силой извне), то возникающая в результате таких повторяющихся движений волна называется гармонической или синусоидальной, поскольку своей чередой зон уплотнений и разряжений давления повторяет синус.
Промежуток времени между двумя пиками или спадами называется периодом колебаний, а количество полных периодов будет частотой гармонической звуковой волны. Традиционный акустический динамик совершает как раз вынужденные (с применением внешней силы) гармонические синусоидальные колебания, в которых при движении диффузора динамика вперёд распространяется зона сжатия, а при движении назад происходит компенсация и в ход вступает уже зона разряжения.
Скорость звука
Следующей характеристикой будет скорость, с которой волна «растекается», движется сквозь пространство от источника к конечной цели взаимодействия, где её можно уловить. Традиционно в физике измеряется расстояние, пройденное волной за какой-то период времени, чаще всего за секунду. Скорость, как и в случае с направлением, зависит в первую очередь от среды и уже от её состояния в конкретный момент времени, а также от температуры. Таких состояний может быть достаточно много, например, воздух может быть разреженным или плотным, «морозным» или прогретым и т.д. Рассмотрим, как в разных средах меняется скорость распространения звуковой волны и от чего зависит:
Скорость во всех средах всегда одинаково меняется с изменением температуры, зависимость прямая: чем температура среды/вещества/материи выше, тем быстрее волна будет там распространяться. Объясняется это тем, что с повышением температуры увеличивается молекулярная подвижность, а значит облегчается/ускоряется и передача самой звуковой волны.
Для наглядности табличка со скоростью звука в наиболее частых условиях, окружающих человека:
Глядя на цифры становится понятно, что для людей в сравнении с привычными значениями скорости движения объектов вокруг нас, — скорость звука оказывается очень велика, для нашего восприятия звук движется почти молниеносно и меньше секунды достигает ушей от источника. Быстрее звука движется разве что свет.
Амплитуда и громкость
Мы уже вполне чётко определили, что звук по своей природе — есть волна, или распространение череды пиков и спадов. Перенося это представление на реальную волну, скажем морскую, мы можем графически изобразить простейшим синусом, где будет двигаться сначала «гребень» волны, а затем «яма». Отсюда логично вывести, что у волны есть амплитуда, которую можно охарактеризовать размерами пиков и провалов волны, зависимых друг от друга, т.е. чем больше пик волны, тем соответственно больше провал. Перенося это представление на морскую волну, легко понять суть понятия амплитуды: чем волна на море выше, тем амплитуда её больше и наоборот. На графике амплитудой будет расстояние от пика волны (верхняя точка) до провала (нижняя точка). От чего же зависит амплитуда звуковой волны и что в конечном счёте даёт нам при восприятии звука? Нетрудно догадаться, что амплитуда или своего рода «сила» звука будет зависеть от степени энергетической наполненности изначального импульса от источника колебаний. Или простыми словами: чем большее энергии затратилось и чем внушительнее работа совершилась, тем амплитуда волны будет больше.
Простой пример: возьмём гитару и легонечко оттянем струну а потом отпустим, в результате получив ровный тихий звук; Теперь сделаем тоже самое уже со значительным механическим усилием и, если струна не порвётся и выдержит, то получим звук гораздо громче на слух, со значительно бОльшей амплитудой звуковой волны. Из описанного примера сразу же наглядно видим самую очевидную зависимость субъективного плана, что от размаха амплитуды звука напрямую зависит его воспринимаемая громкость: больше затраченной энергии = больше амплитуда = выше громкость и наоборот. Поэтому субьективное понятие громкости тесно связано с амплитудой волны и её энергетической насыщенностью. Громкость принято измерять в децибелах (Дб), в честь знаменитого учёного Белла. Однако Децибел — величина не совсем простая и прямолинейная, по сути своей она логарифмическая, что сделано не случайно и перекликается с особенностями устройства человеческого слухового аппарата и наших возможностей по восприятию звука, о чём речь пойдёт чуть дальше.
Громкость зависит от частоты звуковой волны и будет различна на низких, средних, высоких частотах, что определяется особенностями нашего слуха. Так, тон 1000 гц в 50 дб субьективно будет восприниматься существенно громче тона 200 Гц, и чтобы их уровнять, потребуется поднять уровень громкости нижней частоты на целых 10 дб! Так нелинейно люди воспринимают почти все звуки разных частот слышимого диапазона — какие-то громче, какие-то тише, при этом исходная энергетическая интенсивность будет одинаковой! На основании этой уникальной особенности есть график Флетчера и Мэнсона (учёных, проводивших оригинальный эксперимент), отражающий слуховую нелинейность.
Интенсивность звуковой волны
Ранее мы поняли главное, что в качестве звука совершает движение энергия. Оглядываясь на физику сразу возникает закономерный вопрос: сколько конкретно её переместилось за единицу времени? Конечно же это можно измерить и посчитать, получив в итоге характеристику волны под названием интенсивность. Интенсивность — обозначает количество энергии, перенесённую волной звука за какой-то период времени через поверхность/среду. От интенсивности, от степени энергетической насыщенности волны напрямую зависит громкость звука и соответственно амплитуда волны. Человеческие органы слуха отличаются пороговой слышимостью для тихих и громких звуков, что тесно связано с интенсивностью звука: самый тихий звук начинается примерно с 0 Дб; а верхняя граница обозначается болевым порогом, наступающим примерно в районе 120 Дб.
Звуки сильно различаются по интенсивности, в десятки раз, поэтому рассматривать их проще и удобнее логарифмами, с чем успешно и справляется размерность в децибелах. Сравнивается рассматриваемое значение интенсивности звука с неким исходным. Таким образом один звук, громче другого на 20 Дб, на самом деле отличается инстенсивностью в 100 раз больше, согласно правилам логарифмов. Шкала громкости различных звуков от самого тихого еле слышимого до белевого порога — тоже логарифмическая. Достаточно помнить, что изменение громкости на 1 Дб в ту или иную сторону, означает примерное изменение интенсивности звука в 2 раза.
Звуковые волны и их частоты в герцах (Гц)
Кроме амплитуды, наиболее важной характеристикой звуковой волны является частота. Что это такое? Можно догадаться из определения, данный параметр будет определять то, насколько часто совершаются колебания источником звука за какой-то период времени, в физике таким периодом принимается 1 секунда по системе СИ. Итак, попробуем представить частоту звука наглядно. Скажем, у нас есть некоторый объект, пусть это будет низкочастотный излучающий динамик, который совершит 20 колебаний за секунду, такое количество мы вполне можем представить и даже ухватить невооружённым глазом. Так вот, эти 20 колебаний в секунду и будут частотой излучаемого динамиком звука. Частота в физике традиционно измеряется в герцах (в честь знаменитого учёного первооткрывателя), и в нашем примере с низкочастотным звуковым излучением 20 колебаний в секунду правильно будет обозначить частотой звука 20 Герц.
Слышимые звуковые частоты условно делятся для удобства на низкие, средние и высокие, хотя при желании можно делить и на более узкие отрезки. Человек биологически так устроен, что способен воспринимать и слышать звуки ограниченного отрезка — это частотные диапазоны, примерно от 15 герц снизу до 25000 герц сверху, что варьируется от индивидуальных особенностей строения слухового аппарата и возраста. В зависимости от частоты: звук ниже порога человеческой слышимости называется «инфразвуком», а звук выше порога называется «ультразвуком». Таким образом это вовсе не значит, что звуков за пределами слышимого диапазона нет, просто человеческий слух не способен воспринять эти частоты колебаний, однако на это способны некоторые животные, а также легко справляется чувствительная звукоулавливающая аппаратура. В примере выше мы посмотрели на колебания низкой частоты 20 гц, вполне видимую глазами, а что будет, если дёрнуть гитарную струну? Она конечно же тоже создаст колебания, только их будет гораздо больше за период в 1 секунду, скажем 1000 гц — это будут уже высокочастотные колебания настолько частые, что практически неуловимые и невидимые зрительно.
С частотой звука, а точнее с её изменением связан один любопытный эффект, названный эффектом Доплера, в честь открывшего его человека. Заключается он в том, что воспринимаемая частота колебаний изменяется в случае движения источника звука относительно приёмника, или же наоборот, происходит частотный сдвиг. Пронаблюдать эффект можно, например, у проезжающего мимо автомобиля, частота звука двигателя которого будет меняться по мере сближения и удаления. Объясняется оно тем, что при движении объекта относительно слушателя с разным расстоянием меняются и длины звуковых волн от источника. Примерно получается следующая картина: частоты становятся ниже в случае удаления источника звука и выше в случае сближения.
Длина звуковой волны
Поскольку звук разной частоты представляет собой волну, то почти как и всё в физике, — он может быть измерен, и такой характеристикой выступает длина волны. Считается она за один полный период от пика до следующего пика, или соответственно от спада до спада и зависит в первую очередь от частоты.
По сути это расстояние, на которое распространяется волна за один полный период колебаний. Звуки высоких частот всегда отличаются малыми длинами волн до десятков сантиметров, но чем частота больше опускается, тем более длинным становится один полный период колебаний, доходящий уже до десятков метров.
Различные звуковые явления на границе раздела сред с примерами
Теперь мы примерно представляем основы распространения звуковых волн в разных средах, но в реальной жизни гораздо больше условий взаимодействия звуковых волн с пространством вокруг нас, ситуации эти многообразны и со звуком происходит немало трансформаций и прочих интересных явлений, большинство из которых достаточно хорошо изучены. Попробуем рассмотреть звуковую волну в таком разрезе и лучше познакомиться с возможными её трансформациями и взаимодействиями со структурами различных сред, поскольку самое интересное чаще всего происходит именно на границах раздела между ними.
Вернёмся к нашему примеру музыканта в поле. Пусть он заиграет на своём музыкальном инструменте, тогда звук вокруг него «польётся» по воздуху во всех направлениях, однако волны в каждом случае будут продольными.
Ситуация пока предельно проста и понятна: звуковые волны перемещаются в воздушной среде, потихоньку затухая по мере удаления от источника звука, притом сила и степень затухания будет неравномерной на разных частотах звука даже при условии одинаковой изначальной интенсивности, что связано с длиной волны. Таким образом, игра музыканта будет хорошо слышна во всех направлениях относительно него, даже сверху. Теперь усложним задачку и добавим новые среды: пусть рядом с музыкантом появится водоём в форме маленького пруда и кирпичная сплошная стена, на некотором удалении. При взаимодействии с этими новыми средами звук будет демонстрировать интересные явления, которые, впрочем, все применимы к теории волн в физике, но разберём их детальнее.
Итак, первое явление, с которым мы столкнёмся, будет частичное проникновение звука из одной среды в другую. Т.е. звуковая волна, движущаяся свободно по воздуху, наткнувшись по пути на препятствие ввиде водной глади пруда или кирпичной стены, — частично проникнет внутрь структуры этих сред и начнёт распространяться уже там по всем сопутствующим законам и правилам. В процессе такого проникновения волна претерпевает изменения: она частично гасится, превращаясь в тепло, и меняет направление своего движения, т.е. преломляется. Угол преломления в данном случае будет зависеть от того, из какой среды в какую проникает звук: если скорость звука в новой среде больше для волны, то и угол преломления будет большим и с точностью до наоброт. Переходные процессы и трансформации звуковых волн объясняются тем, что плотность новой среды меняется, как меняется и скорость распространения. Из нашего примера: часть «музыкальной» звуковой волны проникнет в водную поверхость, часть проникнет в структуру кирпичной стены и пойдут дальше уже внутри этих новых сред.
Волны проникают из одной среды в другую, но что при этом происходит с направлением их движения? Когда звук «входит» в некое препятствие/новую для него среду — угол падения равен углу отражения, единое правило для всех волн в физике. Однако, уже на границе раздела среды сразу после вхождения направление волны изменится, произойдёт явление преломления, называемого также рефракцией. Правило тут такое: вектор движения изменится, если при падении на границу раздела угол падения будет отличен от 90 градусов по отношению к препятствию. Рефракция может возникнуть и в рамках одной среды при условии неоднородностей, когда скорость звука хаотично меняется от точки к точке. На практике такое происходит, например, при плавном изменении температуры, частое явление в атмосфере. Как помним, скорость звука зависит от температуры и с её повышением будет увеличиваться. Таким образом, при плавном изменении температуры в одной среде — звуковые волны будут менять своё направление в сторону участка среды с более высокой температурой. Представим на примере с атмосферой, где в ряде случаев происходит ступенчатое увеличение температуры по вертикали с увеличением высоты, тогда у звуков, издаваемых источником с поверхности земли будет меняться траектория таким образом, что будет как бы «тянуться» в сторону вертикального столба температурного градиента. Подобное «утягивание» волны вверх может даже привести к тому, что зона направления звука на достаточном удалении от источника, вопреки ожидаемому появлению там звуковой волны, будет зоной молчания, куда звук не дойдёт вовсе или же доберётся со значительно сниженной интенсивностью. Эффект рефракции по градиенту температуры будет наблюдаться во всех известных средах: в газах, в жидкостях и твёрдых телах.
Другим явлением, не менее интересным, на границе раздела двух сред — будет отражение. В нашем примере оно будет частичным, т.к. какая-то доля волнового фронта звука проникнет внутрь новой среды, какая-то отразится. Явление происходит по физическим законам, известным многим ещё со школы знаменитой формулировкой «угол падения равен углу отражения». Однако сам принцип отражения тех или иных волн зависит опять-таки от «новой» для звуковой волны среды, её состава и свойств. Отражённая звуковая волна непременно потеряет часть своей энергии и поменяет направление движения, далее уже в таком виде «полетит» обратно в воздушное пространство. В примере музыканта, играющего в поле, звуковые волны отразятся от поверхности водной глади пруда и кирпичной стены, потеряют часть своей энергии и, по какой-то новой траектории продолжат распространяться в воздушной среде.
Познакомившись с явлением отражения, у звуковых волн можно выделить ещё одну классификацию в зависимости от направления движения волны: она может быть прямой, в направлении от источника звука / излучателя; и обратной — возвращающейся из-за отражения в противоположном изначальному направлению движения. Прямые и обратные волны могут взаимодействовать друг с другом, образуя ряд как положительных, так и весьма нежелательных эффектов, о чём будет рассказано чуть дальше.
Звуковая волна, при встрече с препятствием, как мы поняли, будет и отражаться и проникать внутрь в каком-то соотношении. Этот момент определяется несколькими ключевыми факторами:
Ещё одним знаковым явлением будет дифракция, или способность звука огибать препятствие, или как бы обтекать его. Оно происходит тогда, когда размер волны примерно равен или больше, чем физический размер препятствия, следовательно, почти все волны низких частот, обладающие внушительными длинами волн, чаще и охотнее прочих подвержены этому явлению, а значит и будут слышны лучше и отчётливее прочих.
Благодаря дифракции также звук свободно проходит в мелкие щели и зазоры почти беспрепятственно. Вернувшись к музыканту, играющему в поле, волны его музыкального перформанса будут огибать лишь кирпичную стену и будут хорошо слышимы за ней, но только те звуковые волны, длина которых больше размера предполагаемой стены.
Взаимодействие волн звука друг с другом
Когда наш виртуальный музыкант в поле игрет на своём музыкальном инструменте, будь то скрипка или гитара, он излучает в пространство звук не какой-то одной частоты, а целый обширный набор звуковых волн разных частот в достаточно широком отрезке слышимого человеком диапазона. Такая картина уже сложнее для понимания, но она же в свою очередь ближе к реальным условиям жизни, когда нас окружают мириады различных звуков, как по интенсивности так и по частотам, они могут согласовываться с друг другом гармонически или входить в диссонанс, образуя какофонию звуков, которые принято называть всем знакомым термином «шум».
Вообще шум — это множественные несогласованные друг с другом звуки, создаваемые разрозненными источниками звука. Всем хорошо известные примеры уличного городского шума, или шума листвы деревьев.
Держа в уме, что волн распространяется одновременно большое количество, нетрудно сообразить, что и между собой они могут как-то взаимодействовать и влиять друг на друга. Действительно, так и происходит, в результате возникает ряд эффектов, как положительных, так и достаточно вредных (хотя зависит от того, с какой стороны на них посмотреть и как использовать).
Основу взаимодействия волн определяет эффект интерференции, или наложения двух или более волн друг на друга.
Уже на базе интерференции могут образовываться так называемые стоячие волны. Возникают они при отражении звука, когда возвращающаяся в обратном направлении волна определённой частоты, фазы и амплитуды натыкается на «летящую» в первоначальном направлении с точно такими же характеристиками, что будет важным условием для образования стоячих волн. Такие волны складываются в той точке пространства, где судьба свела их вместе и, в результате слияния получается эффект двойного энергетического выброса, т.е. проще говоря, локальное усиление звука по амплитуде (громкости) вдвое (если сложилось две волны) или более (если повстречалось более двух волн в одной точке) для стороннего слушателя, также возможен и ряд других побочных эффектов.
В результате образования стоячей волны в пространстве возникает постоянная недвижущаяся картина т.н. пучностей и узлов волны, если источники излучения звука и окружающие поверхности не движутся относительно друг друга. В пучностях происходит максимальный выброс энергии/интенсивности звуковой волны, а в узлах частицы не колеблются и не смещаются. Стоячая волна часто весьма неплохо «ловится на слух» неестественным подъёмом громкости какой-то одной отдельной частоты и её близжайших гармоник.
Ещё одним познавательным моментом взаимодействия звуковых волн будет возникновение так называемых биений. Этот случай также относится к интерференции, оказывается, складываться могут не только полностью совпадающие по определённым характеристикам волны, но и просто похожие по частотам, можно сказать близкие. Например, волны с частотами 100 и 110 гц недалеко ушли друг от друга в частотном плане, и при встрече друг с другом вполне могут образовать форму слияния ввиде биений. В этом случае амплитуда звука также увеличивается, как это происходило со стоячими волнами, только чуть иначе. Произойдёт как бы компенсация зоны провала звукового давления волны одной частоты зоной пика другой. Биения, несмотря на достаточно слабую выраженность, также неплохо улавливаются на слух как и стоячие волны, с их помощью можно настраивать и корректировать звучание звуковоспроизводящей аппаратуры или музыкальные инструменты.
Возникновение Эха. Все мы с детства помним увлекательный эксперимент, когда кричишь в пещере, тоннеле или в шахту колодца, то звук через какое-то время дублируется и повторяет сам себя. Но в результате каких физических взаимодействий разворачивается сие чудо? Происходит следующее: в основе образования эффекта лежит отражение звуковых волн от различных поверхностей. Но для возникновения эха обычных отражений будет недостаточно, требуется «особое», а точнее определённое время задержки возвращающейся отражённой звуковой волны.
Для полноценного эха время задержки должно составлять не менее 0,06 секунды с момента появления исходного звука. Если условия рсположения внешних поверхностей для отражения соответствуют этой картине задержки, то тогда мы и услышим эффект повторения только что произнесённого или излучаемого чем-то звука. Соответственно, для возникновения эха необходимо помещение или окружение с достаточно звонкими резонирующими поверхностями, которые будут приоритетно отражать звуки, а не поглощать их.
Выделяется несколько разных видов эха:
Эффект резонанса звука
Применительно только к твёрдым телам благодаря их особой неупругой структуре, в них возникает весьма интересное явление. Дело в том, что внешнее механическое воздействие, приложение силы или даже другой звук, распространяющийся внутри твёрдого тела — все эти воздействия могут заставить твёрдое тело вибрировать и колебаться, его молекулярная структура начинает как бы «играть» от внешнего воздействия, но прочность связей велика и удерживает целостность. Однако, когда твёрдое тело начинает колебаться от внешнего воздействия оно само становится ничем иным как излучателем звука! По сути из сказанного выходит, что любое твёрдое тедо в том или ином случае превращается в музыкальный инструмент, или по крайней мере точно способно издавать собственные звуки. В зависимости от формы, материала, кристаллического строения эта способность к излучению колебаний и звуковых волн у разных твёрдых тел будет различной: одни «охотнее» раскачиваются и моментально отзываются призвуками в отклик на минимальное внешнее механическое воздействие; тогда как другие скорее этому сопротивляются и в реале не особо «звучат». Многие слышали, в таких случаях говорят, что рассматриваемый предмет/твёрдое тело резонирует. Но что это значит?
Вспоминая эффект взаимного усиления волн одной частоты при взаимодействии друг с другом, описанный ранее, возникает закономерное предположение: что получится, если воздействовать на твёрдое тело извне звуковой волной близкой или равной по частоте к его собственной резонансной? Ответ вполне логичен и, как и в случае со взаимодействием волн в упругих средах, мы получим эффект многократного усиления амплитуды нашей звуковой волны на частоте его собственного резонанса, своеобразный «бесплатный выброс энергии». Этим эффектом часто пользуются при построении акустических систем или при игре на музыкальных инструментах, при их настройке и т.д. Хотя иногда явление резонанса может быть и серьёзной помехой.
Стоит заметить ещё одну немаловажную особенность, касающуюся резонансной частоты: по сути на ней твёрдое тело наиболее уязвимо структурно, на ней оно сильнее всего расшатывается и стремится к саморазрушению, поэтому попытка внешнего воздействия именно на резонансной частоте фактически рисковано и в ряде случаев может привести именно к разбалансированию твёрдого тела вплоть до его полного разрушения, когда структурные молекулярные связи не выдерживают и распадаются. Знаменитый пример резонансного уничтожения был в истории, когда марширующая рота солдат так раскачала мост в унисон ритмичным шагам в резонансе с его собственной частотой, что он рухнул.
Поглощение звука средой
Мы уже рассматривали ситуацию, что звуковая волна рассеивается в любой среде по мере удаления от источника, что определяется многими факторами, в первую очередь самим пространством распространения и его составом, заканчивая так же температурой, давлением и характеристиками самих излучаемых волн.
В жидкостях и газах процессы внутреннего трения среды обусловлены наличием упругих сил, т.н. вязкостью среды. Именно благодаря этому во многом происходит затухание звука и превращение его в тепловую энергию. Так, поглощение будет зависеть во многом от частоты звука — чем она выше, тем больше волна рассеивается, что объясняется не только вязкостью, но и теплопроводностью, которая увеличивается пропорционально квадрату частоты, т.е. чем больше частота, тем больше теплопроводность и степень затухания звуковой волны.
Теплопроводность и вязкость действуют и в твёрдых телах, но к ним добавляется особенность неоднородной кристаллической структуры тел, что также напрямую влияет на «торможение» звуковой волны. Твёрдые тела состоят из кристаллов, которые деформируются и кратковременно смещаются при прохождении звуковой волны через них, и за счёт этой деформации звук на границе кристаллов рассеивается и поглощается.
Степень поглощения той или иной средой звука зависит от плотности среды и скорости звука в ней, что вместе образует акустическое волновое сопротивление среды. Коэффициент достаточно важен и определяет условия отражения и преломления звука на границе между разными средами. Если АС сред равны, то волна проходит границу без отражения.
В помещении или замкнутом объёме появляется понятие реверберации, т.е. времени, за которое волна полностью затухнет по причине множественных переотражений и взаимодействий.
Звуки за пределами слышимого диапазона и их характеристики с практическим применением
Напомним ещё раз, что человеческий слуховой аппарат воспринимает только звуки в отрезке частотного диапазона от 20 Гц до 20 кГц (примерно). Но при этом колебания частот выше или ниже вполне себе существуют и оказывают конкретное воздействие и на внешние объекты и даже могут быть слышны некоторыми животными или аппаратурой. Речь идёт про сверхвысокий ультразвук и сверхнизкий инфразвук, каждому человечество нашло какое либо применение или по крайней мере оно изучается наукой.
Человеком ультразвук широко используется в трёх основных направлениях, за счёт его выдающихся проникающих свойств:
В целом, ультразвуковое излучение по природе своей по-прежнему представляет собой распространение звуковой энергии в той или иной среде, следовательно подчиняется всё тем же общим законам звука: она отражается от границы раздела сред, преломляется, затухает, огибает препятствия и т.д.
Частота ультразвука — это та же частота колебаний за период, измеряемая в герцах (Гц), только в случае с ультразвуком она всегда очень большая в сравнении с привычными человеком мерами восприятия. Выбор частоты при ультразвуковых обследованиях выбирается исходя из расположения тканей или органов в человеческом теле, или каких либо неоднороднойстей структуры в твёрдых телах: для поверхностного «сканирования» берутся достаточно высокие частоты в районе 3 мГц, для более глубокого исследования выбираются частоты ниже.
Ключевой и наиболее полезной особенностью ультразвуковых волн является конечно же проникающая. Как и следует из общей волновой теории звука, применительно ко всем волнам и к ультразвуку в частности: проникающая способность зависит от частоты, и чем частота ультразвука выше, тем проникающая способность меньше и наоборот. Так, например, на частоте 3000 кГц ультразвук проникает примерно на глубину 1 см, а на частоте 30 кГц волна проникнет вглубь уже примерно на 10 см.
Интенсивность излучения ультразвуковых волн соответствует данному определению для всего спектра звука. Однако, применительно к сверхвысоким частотам от интенсивности будет зависеть воздействие ультразвука на материю/вещество. Как помним, интенсивность определяет количество энергии, проходящее некоторое расстояние в пространстве за единицу времени. В случае с ультразвуком интенсивность измеряется по системе СИ в вт/см2. Применяемую в медицине интенсивность по воздействую условно делят на:
Как и прочие звуковые волны, ультразвук подвержен отражению, наложению волн друг на друга, рассеиванию. Звук испытывает все эти явления на границах разделов, не будет исключением ультразвук, на практике часто распространяющийся внутри твёрдых или «комбинированных» по составу тел. Так, границами раздела внутри твёрдых тел будут различные неоднородности и переходные элементы структуре, в организме человека это будут органы и кости, т.е. «новая» для звука среда с отличными характеристиками. Там поведение ультразвука аналогично уже описанному: волна будет частично отражаться, частично проникать внутрь, частично рассеиваться, что будет зависеть от коэффициента волнового сопротивления сред и соотношения этих коэффициентов между собой, а так же от размера и формы препятствия.
Звуковая волна в музыке или музыкальная интерпретация звука
До сих пор мы рассматривали звук как явление с точки зрения физики, при этом человечество издавна использует звук для создания музыки, в которой правит своя уникальная терминология, также связанная со звуком, но уже более узкозаточенно. Вообще музыка в правильном и понятном смысле этого слова, то, какой она должна быть — это попытка гармонично сочетать разные звуки между собой для получения в конечном счёте мелодичного звукого ансабля, исключительно приятного и ласкающего слух.
Музыка всегда была процессом творческим и по сути безграничным, но и там существуют важные правила, выведенные и подтверждённые многовековым опытом. На основе всего этого и родилась своя собственная терминология, описывающая уже музыкальные звуки. Для музыки традиционно сложилось, что композиции звуковых волн излучают исполнители вокальных партий или певцы, а также огромное многообразие музыкальных инструментов и их вольное сочетание.
В музыке гармонические колебания группируют для удобства в спектры, он означает распределение энергии звуковой волны по частотам, уникальное в каждом случае. Пользоваться спектрами удобно, обозначая сразу нужный отрезок диапазона частот того или иного музыкального инструмента, вместе с тем отражая уникальную картину насыщения основного тона обертонами и призвуками.
На основе спектра можно начертить простейший график, отражающий зависимость конкретного энергетического выброса и определённой частоты. Такие спектры могут быть дискретными или непрерывными. Дискретный служит для отображения выборочных частот, при этом остальные частоты «вырезаны»; в непрерывном спектре присутствуют все звуковые частоты.
Главный интерес в том, что энергетическая наполненость обертонов неодинакова, что в конечном счёте и сформирует хорошо узнаваемый звук барабана, но в тоже время и абсолютно уникальный, т.к. повторить идеально точно такую же наполненность звуковой частоты энергии и полное соответствие всех призвуков вряд ли возможно. Таким образом, обертона или призвуки отвечают за окраску звучания, придания звуку неповторимости и узнаваемых ноток, при этом на фоне основного тона они всегда звучат ослабленно, как бы по нисходящей, но тем не менее результирующий практический вклад их огромен! Музыкальное понятие тона — это периодические колебания, т.е. повторяющиеся через определённый промежуток времени. Эти периоды можно представить суммами колебаний с частотами, кратными частоте основного тона.
Длительность музыкального звука отражает фактически время его существования с момента появления (атаки) до полного затухания (спад). Длительность по классификации бывает абсолютной и относительной. Абсолютная длительность просто очерчивает звучание одной ноты или аккорда инструмента за период времени, обычно в милисекундах. Относительная методом сравнения длительности звучания одной ноты по отношению к другой (или даже разных инструментов).
Чистый тон звука, обогащённый гармониками, не может оставаться постоянным во времени, т.е. не может как бы «зависнуть» и звучать с одинаковой энергетической насыщенностью. Поэтому с течением времени он меняет свою интенсивность у любого инструмента или голоса. Вообще состав тона непостоянный и быстро меняется на всём протяжении возникновения звука до его полного исчезновения. Иногда звук может держаться относительно ровно и долго по субьективной воспринимаемой частоте, а иногда он будет «плавать» даже в короткий импульс, как происходит у пианино, например.
Звуки в музыке классифицируются субьективными понятиями: высотой, громкостью и тембром, хотя все их можно соотнести с научными представлениями о звуке. Так:
Акустика помещений и звуки разных музыкальных инструментов
Музыка «в живую» чаще всего исполняется в каких-то помещениях / замкнутых пространствах, в наше время реже используются для этих целей открытые стадионы, амфитеатры и т.д. Во всех перечисленных случаях на конечный характер звучания инструментов или вокала для случшателя оказывает само помещение, которое значительно видеоизменяет многократно отражённые от стен и разных поверхностей звуковые волны. Таким образом до слушателя в неком закрытом помещении ВСЕГДА доходит чуть искажённая и приукрашенная звуковая картина, обусловленная множественными факторами особенностей помещения: его геометрией и материалами стен/пола/потолка. Всё это сложным образом создаст картину переотражений волн, их взаимодействия друг с другом и наложения, образования стоячих волн, поглощения и т.д. эффектов, уникальных в случае каждого конкретного зала для прослушивания. Иногда эта картина получается субьективно положительной, когда акустика комнаты как бы помогает и приукрашивает звук таким образом, что на слух он воспринимается даже интереснее и ярче варианта без взаимодействия волн. Иногда наоборот, вклад помещения получается крайне негативный, появляется множество искажений, призвуков, паразитных стоячих волн, искажающих равномерность наполения частот энергией. Из всей этой совокупности явлений и зависимостей складывается в конечном счёте акустика помещения — уникальная и важная характеристика, отвечающая в конечном счёте за финальную частотную характеристику слышимого звука и его окраску. Акустика очень важна на любом концерте, правильное изначальное «построение» которой может как угробить звук, так и наоборот превознести его на небывалый уровень эстетической красоты.
Несмотря на то, что в современном мире правит звукозапись с последующим достаточно точным звуковоспроизведением изначального материала, прослушивание музыки на живых концертах всё ещё остаётся значимым и неповторимым опытом для любого меломана и ценителя музыки. Как звуковые музыкальные волны распространяются на живом концерте? Принцип тут тот же, что и при обычном распространении звуковых волн через толщу воздушного пространства. Однако, из-за многообразия излучаемых волн разных инструментов или вокала часто возникают ситуации наложения и сложения близких по частотам волн друг с другом, что чаще негативно сказывается на звуке, нарушая целостность изначальной задумки творца. Задачей грамотного музыканта сочинить такую партию, чтобы волны гармонировали друг с другом во всём частотном диапазоне, но используемые инструменты и вокал меньше пересекались друг с другом в одних и тех же частотных отрезках. В целом же, картина распространения музыкальных волн на концерте или даже в комнате для прослушивания высокоточной аппаратуры весьма сложна и многогранна, успех во многом зависит как от правильно подобранного помещения, так и от самого качественного и грамотного согласования множественных источников звуков разных частот друг с другом.
Музыкальные инструменты обладают каждый своим неповторимым хорошо узнаваемым тембром, тоже самое касается и человеческого голоса. Однако охватываемый диапазон звуковых частот различен: голос способен покрыть всего две октавы звука, а отдельные музыкальные инструменты берут снизу вверх аж до 10 октав! Например, оргАн способен играть весь слышимый частотный диапазон от 20 гц до 20 кгц.
Большинство музыкальных инструментов состоят из: колеблющегося элемента и вспомогательного резонатора, который связывает получающийся звук с окружающей воздушной средой, а также часто выступает в роли «естественного» частотного усилителя. В большинстве музыкальных инструментов в роли колеблющегося элемента выступают либо струны либо столбы воздуха. Каждый такой элемент не способен создать звук какой либо одной единственной частоты (за редким исключением), и получающееся волновое ищлучение всегда окрашивается многочисленными гармониками.
Среди всего многообразия особо выделяются следующие группы инструментов:
Воссоздание пространственной картины звучания при воспроизведении звука в разрезе моно и стерео
Современные технологии давно дошли до того уровня, когда можно записать некую музыкальную композицию, после чего воспроизвести её на соответствующего класса аппаратуре с настолько высокой степенью достоверности и точности передачи записанного, что это может быть практически неотличимо от эффекта пребывания на сессии звукозаписи или же на живом концерте. Сейчас уже неким негласным стандартом является воспроизведение звука в формате стерео, однако изначально существовали лишь монозаписи звука. В чём тут принципиальная разница? Чтобы её лучше понять, необходимо разобраться с тем, какой звук и образы мы пытаемся воссоздать в принципе. Одно дело — повторить достоверность частотной передачи, соответствующей образам исходного звучания инструментов и голоса, с нужным уровнем интенсивности звука, соответствовавшей той, что была на момент перформанса тем или иным музыкантом. Однако сейчас нас с вами интересует пространственная локализация инструментов исполнителей на виртуальной сцене.
Когда мы находимся на концерте, то с закрытыми глазами легко можем определить: где именно в пространстве на сцене стоит вокалист, где относительно него чуть в стороне играет гитара, а ещё чуть поодаль подхватывает свою партию скрипка и т.д. Все звуки слышимого диапазона примерно выше 80-100 Гц прекрасно локализуются в пространстве на слух, мы безошибочно определяем направление на каждый из них и даже примерное расстояние. Слушатель так чётко определяет это из-за особого устройства слуха, а именно по малейшей разнице, одно и того же звука правым и левым ухом. Теперь при попытке воссоздать эту пространственную картину воспроизведением как раз и случается проблема, которую можно рассмотреть на примере моно и стерео звукозаписи:
Восприятие звука и способы улавливания и приёма звуковых сигналов
Мы рассмотрели выше, как звуковые волны образуются, как они затем распространяются в пространстве различных сред, как взаимодействуют со структурой вещества и друг с другом, какие изменения претерпевают. Всё это конечно хорошо, но толку от этого мало, если звук не уловить, не воспринять, как-то потом не использовать. Давайте рассмотрим, какие имеются для этого механизмы.
Особенности человеческого восприятия звука
Любопытный и весьма важный нюанс касательно восприятия человеком звуковых волн из внешней среды заключается в том, что мы слышим и воспринимаем звуки не совсем так, как они звучат на самом деле, с позиции чистого «холодного» научного взгляда. Причина тому кроется в устройстве психики человека, сложном и витиеватом, но факт остаётся фактом. В завистмости от разных внутренних состояний и настроений, даже каких-то индивидуальных особенностей и пережитого опыта: каждый из нас слышит тот или иной звук, который объективно один единственный — по своему. Вспомните, как вы делились эйфорией от прослушивания любимой композиции с кем-то знакомым, а он лишь с недоумением пожимал плечами, выражая противоположный набор эмоционального отклика.
Так и появляется субъективная оценка звуков человеком, чаще даже не звуков, а их сочетаний и в особенности музыкальных композиций, зависящая всецело от индивидуального восприятия и уровня развития каждой личности в отдельности. Всё у нас может развиваться и совершенствоваться, слух и его способности не будут исключением, тоже самое можно сказать про развитие музыкального «вкуса» и т.д. Важно лишь отметить, что любая субьективная оценка того или иного звучания не может ни в коей мере быть истиной или точкой опоры для каких-либо серьёзных суждений, поскольку наша собственная психика недоверительна, может незаметно сыграть злую шутку с восприятием и, например, заставит услышать то, что не звучало на самом деле, при этом уверенность в услышанном у человека будет предельно высокой. Такая же зависимость от настроения, многие могли отмечать и на себе, что с изменением настроения любимая музыка уже воспринимается совершенно иначе, скорее в негативном ключе, меняются кратковременно жанровые пристрастия и часто в таких случаях говорят «слушаю музыку по настроению». Все эти примеры лишь отражают сложную и местами противоречивую природу психического восприятия, описать которую коротко не представляется возможным. Изучением этих вопросов занимается целый раздел науки под названием «психоакустика».
Как бы каждый из нас не слышал и не интерпретировал тот или иной звук, особенности воспроизведения музыкального материала или технической аппаратуры, важно помнить, что есть объективные и субьективные моменты восприятия и это далеко не одно и тоже. Объективная реальность всегда одна единственная, неумолимо строгая и неизменная, отражающая истину вопроса. Именно по этой причине часто чужое, даже кажеющееся весьма авторитетным, мнение не может служить ориентиром и полагаться на него нельзя. Вместо этого лучше развивать себя, своё уникальное восприятие и лучше понимать тонкости именно своей психики и особенности эмоциональных реакций на те или иные звуки и музыку.