Характеристики и свойства звуковых сигналов

Акустическим волнам необходим носитель, т.к. они создают упругие деформации в направлении распространения. Следовательно, скорость звука зависит от плотности и упругих свойств среды распространения. Период изменения плотности среды-носителя, например, воздуха, соответствует длине волны звуковой волны и вычисляется по формуле l=c/f, где c - скорость звука в воздухе на уровне моря при давлении в одну атмосферу и температуре 20⁰С (равна 343.8м/с), f - частота звуковых колебаний. Например, звуковая волна с частотой 100Гц имеет длину приблизительно 340/100=3.4м.

Скорость звука значительно меньше скорости электромагнитных сигналов. При температуре 20⁰С скорость звука в воде и железе равна 1485 и 5100 метров в секунду соответственно.

Волны разных частот распространяются в одинаковых средах с одинаковой скоростью, что важно для формирования акустических изображений.

Диапазон колебаний волн воздуха с частотой от 20 до 22000Герц называется звуковымдиапазоном.

Тембр звука - восприятие, которое позволяет отличить одно звучание от другого по причине разной формы сигналов. Н апример, сигналы в форме синусоиды, трапеции, пилы при одинаковой частоте и амплитуде звучат по-разному.

Форма сигналов зависит от частотного содержания волн. В физической среде отсутствуют идеальные сигналы, т.к. реальные звуки представляют собой созвучия, состоящие из нескольких звуковых волн. Комбинация этих волн зависит от тембра инструмента, т.е. формы волны. Например, звук скрипки отличается на слух от звука рояля. У каждого созвучия есть основной звук (тон), т.е. волна определенной частоты. Например, у ноты Ля первой октавы эта волна имеет частоту 440Гц. Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 4, 8 раз и т.д. выше, чем у основного тона (эти звуки располагаются через октаву) (рис.5). В музыке они называются обертонами. В акустике основной тон и обертоны называются гармониками и имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон - первая гармоника, первый обертон - вторая гармоника и т.д.

Тональность звука объединяет понятие частоты, как физической характеристики и понятие высоты, как характеристики ощущения, т.е. высота - это субъективное ощущение физической частоты. Волны с разной частотой воспринимаются как звук разной высоты: волны с малой частотой воспринимаются как низкие, а волны с большой частотой - как высокие. Зависимость высоты от частоты сигнала показана на рис.6.

Рис.5. Частотные диапазоны музыкальных инструментов

(серыми полосами показаны частотные диапазоны обертонов)

	Значения высоты указаны в специальных единицах - мелах. Один мел равен ощущаемой высоте звука частотой 1кГц при уровне 40дБ. Как видно из рисунка, эта связь нелинейная - при увеличении частоты, например, в три раза (от 1кГц до 3кГц), высота повышается только в два раза. Нелинейность связи особенно выражена на низких и высоких частотах.
Рис.6. Зависимость высоты звука от частоты

Резонанс. Прямая и отраженная звуковые волны способны производить стоячие (поперечные) волны. Если длина волны источника звука кратна размерам помещения, то фаза отраженной волны совпадает с фазой прямой волны, в результате чего происходит их взаимное усиление. Поскольку в помещении звук отражается от стен несколько раз, то происходит многократное усиление громкости звука, т.е. возникает воздушный резонанс.

Любое помещение имеет некую критическую частоту звука, при которой возникает резонанс. Причем помещения с разными геометрическими размерами имеют разные критические частоты, т.е. частоты резонанса. Резонанс чаще всего возникает на низких частотах, т.к. длина волны низких звуков сравнима с габаритами помещений.

В духовых инструментах резонанс используют для усиления звука и получения характерного тембра. Любая трубка имеет частоту резонанса, которая зависит от геометрических размеров трубки. Если в такую трубку попадает звуковая волна, то в центре сечения трубки возникает резонансная волна, которая усиливает звук и дополняет его новыми гармониками. С изменением длины трубки изменяется высота звука.

Реверберация. В любом помещении волны от источника звука распространяются во всех направлениях и многократно отражаются от стен и других препятствий. И только малое количество этих волн порождает стоячие волны и резонансы. Остальные отраженные волны воспринимаются слушателем как характерный гул, который называется реверберацией (рис.7).

Временем реверберации называется время, в течение которого уровень отраженных волн падает на 60 дБ. Это время не находится в прямой связи с геометрическими размерами пола, стен и потолков – бывает, что в большом зале время реверберации достаточно мало (когда, например, стены, пол и потолок покрыты пористым материалом, хорошо поглощающим звук), а в небольшой комнате, наоборот, велико.

	Информацию о размере помещения и расстоянии до источника звука содержат первые шесть-десять отраженных волн, которые называются ранними отражениями, а время, в течение которого они приходят, называют предварительной задержкой.
Рис.7. Реверберация

Реверберация способна сильно изменить тембр источника звука. Решающую роль в этом играют акустические свойства помещения (деревянные поверхности обеспечиваю "мягкую" и "теплую" реверберацию).

Если между предварительными отражениями проходит время более 100мс, то возникает эхо.

Качество и ясность звука. Понятие " качествозвучания " не является объективной характеристикой, т.к. звучание воспринимается разными слушателями по-разному. Качество звучания характеризует степень удовлетворенности слушателя звучанием. Принято считать, что качество звучания определяется в основном наличием и формой высоких частот (в полосе от 5кГц и выше), а частоты в полосе от 0 до 3-5кГц определяют ясность звучания. Например, человеческую речь и музыку невозможно разобрать без наличия в ней нижней полосы частот, тогда как верхние частоты придают звучанию оригинальность.