Физическая природа звука

Меерзон Борис Якоюевич

М 44 Акустические основы звукорежиссуры: Учеб. пособие для

студентов вузов/Б. Я.Меерзон.-М.: Аспект Пресс, 2004. ­

205 с. - (Серия «Teлевизионный мастер-класс»).

ISBN 5-7561-0357-8

Настоящее учебное пoсoбие посвящено технологическому аспекту

 профессии звукорежиссера, который закладывает фундамент для дальнейшего, более углубленного практического освоения про­фессии. В нем подробно рассматриваются такие вопросы акустики и звукотехники, как параметры звука и канала звукопередачи, оборудование звуковых студий и запись звуковой информации.

Для студентов звукорежиссерских факультетов, а также для всех, кто интересуется проблемами акустики и звукотехники.

 

 

                                                                                                                         УДК 331.543:791.44.071.1

                                                                                                                         ББК 76.032

 

ISBN 5-7567-0357-8                                                      @ ЗАО Издательство «Аспект Пресс», 2004

 

Все учебники издательства «Аспект Пресс» на сайте

Www.aspectpress.ru

3.

 

Введение

 

Вряд ли есть необходимость говорить о той роли, которую иг­рает в наш век запись и передача звуковой информации. Буквально во всех областях социальной и общественной жизни человека, в науке и культуре применяется звукотехническая аппаратура, весь­ма разнообразная как по сложности, так и по своим возможнос­тям. Это может быть обычный телефон, или канал звукового худо­жественного вещания, или сложнейший многоканальный звуко­вой комплекс современного кинотеатра. Однако если в первом случае главное требование - просто хорошая слышимость, без помех, сохранение разборчивости речи, то технические парамет­ры сложной аппаратуры оцениваются по качеству звучания, есте­ственности звука. Отметим, что при непосредственном восприя­тии звука (например, музыки или спектакля), цепочка передачи звуковой информации состоит только из двух звеньев: исполни­тель - слушатель, а при прослушивании художественных программ через электроакустический тракт в нее как важнейшее связующее звено входит звукорежиссер.

Профессия звукорежиссера синтетическая. Специалисту этого профиля необходимо обладать не только общей культурой, но и знаниями из различных областей искусства и науки. Он должен не только быть знаком с историей и теорией музыки, иметь хороший аналитический слух, обладать отменным чувством ритма и стиля музыкального произведения, но и знать физические свойства зву­ка, понимать закономерности его восприятия человеком.

Необходимо также изучить принципы устройства и функцио­нирования звукотехнического оборудования, возможности и сис­темные ограничения электроакустической передачи, учитывать не­избежные отличия качества звучания от натурального, даже при наличии самой совершенной студийной аппаратуры. Технологи­ческому аспекту профессии звукорежиссера и посвящена предла­гаемая книга.

На звукорежиссера возлагается очень непростая задача. С по­мощью современных технических средств необходимо передать слу­шателям не только искусство исполнителя, но и ощущение окру­жающей обстановки (акустику зала или атмосферу сценического действия). При этом наряду с возможностями аппаратуры и пси­хофизиологическими особенностями человеческого слуха следует также учитывать специфику восприятия звука через динамик, по­мнить об отличиях такого прослушивания от натурального. Звуко­режиссеру приходится соответствующим образом обрабатывать зву­ковую информацию.

 

 

5.

 

 Эта глава посвящена физической природе звука и психоакус­тическим взаимосвязям объективных свойств звуковых колебаний и субъективных слуховых ощущений, возникающих у слушателя под их воздействием.

 

Физическая природа звука

 

Как известно, звук - это волны, возникающие в воздухе (или другой упругой среде) под действием каких-либо колеблющихся предметов. Источниками звука могут быть, например, голосовые связки человека, струны музыкальных инструментов или любой другой вибрирующий предмет, заставляющий с определенной скоростью (v) колебаться окружающие его частицы воздуха. Плот­ность воздушной среды при этом то увеличивается, то уменьша­ется в соответствии с колебаниями источника звука. В простейшем случае это так называемый чистый тон (звук камертона), когда источник излучает только одну частоту и изменение мгновенных значений колебания строго подчиняется закону синуса. В повсед­невной жизни чистые синусоидальные тоны почти не встречают­ся. Из музыкальных инструментов к чистому тону в какой-то сте­пени приближается только флейта. Звуки, которые мы обычно слышим - речь, музыка или шумы окружающей среды, - пред­ставляют собой сложные по форме колебания, состоящие из ком­бинаций нескольких или даже многих тонов. Однако вскрыть и описать механизмы воздействия звуковых колебаний на барабанную перепонку уха и возникающие при этом слуховые ощущения много легче на примерах простых тонов. При изложении основ акустики и звукотехники прибегают именно к такому упроще­нию, не нарушающему общих закономерностей явлений.

 

 

6.

 

 

Итак, рассмотрим простейший чистый тон. Его можно опи­сать графиком изменения во времени давления воздуха в опреде­ленной точке поля под воздействием источника звука. Причем ощу­щаемая на слух разность между полным давлением воздуха и сред­ним, которое возникает в среде при отсутствии звука (например, нормальном атмосферным давлением), называется звуковым дав­лением. Принято считать, что в фазе сжатия среды звуковое давление положительное, а в фазе разряжения - отрицательное (рис. 1).

   В соответствии с интернациональной системой единиц СИ единицей звукового давления служит т Паскаль (Па), определяемый как давление, создаваемое силой в 1 Н, воздействующей на 1 м2 площади. Паскаль связан с другой, ранее применявшейся единицей звукового давления - баром следующим простым соотношением: 1 Пa = 10 бар.

Распространяясь в воздушном пространстве во все стороны со скоростью примерно

340-343 м/с, звуковые колебания образуют звуковую волну. Эта волна воздействует на барабанную перепонку уха, создавая слуховое ощущение. Область пространства, в котором наблюдаются звуковые волны, называется звуковым полем.

   При прохождении звуковой волны молекулы воздушной среды смещаются. Колебательная скорость этих смещений зависит от зву­кового давления. Волны с перпендикулярным к направлению распространения волны смещением частиц называются поперечными, а те, в которых смещения происходят вдоль направления распространения, - продольными. В газах и жидких cpeдaх могут распространяться только продольные волны.

 

 

В акустике существует понятие длина волны  звукового колебания. Эта величина определяется отрезком на предполагаемой оси, расположенной в направлении распространения звука, на котором умещается полный цикл изменения звукового давления. Иначе говоря, длина волны – это наименьшее расстояние между точками звукового поля с одинаковыми фазами колебания (рис.2)

График этот похож на график, приведенный на рис.1. Но в первом случае отображен закон изменения звукового давления во времени в одной определенной точке пространства,

 

7.

а во втором ­-

распределение мгновенных зна­чений давления от точки к точ­ке пространства, наблюдающее­ся при распространении волны в какой-то один фиксируемый мо­мент времени. Синусоидальная звуковая волна за один период ко­лебания (Т) проходит путь, рав­ный длине волны. А так как пе­риод колебания и частота - вели­чины взаимно обратные (Т =1/1), длина волны для данного коле­бания однозначно определяется частотой звукового сигнала и вы­числяется по формуле L= с/f, где l- длина волны (м); с = 340 м/с - скорость распространения звука в воздухе; f- часто­та звуковых колебаний в герцах (Гц).

Например, если сигнал имеет частоту f = 100 Гц, то соответ­ствующая длина волны l = 340/102= 3,4.м, а при f = 10000 Гц, l = 340/104 = 3,4 см, и т.д.

Понятие о длине звуковой волны поможет впоследствии объяс­нить закономерности явлений интерференции и дифракции зву­ковых волн, возникающих в студии и заметно влияющих на каче­ство звукопередачи в целом.

 

§ 2. Звуковой диапазон частот

Область акустических колебаний, способных создавать ощуще­ние звука при воздействии на орган слуха, ограничена по частоте. Для большинства людей 18-25 лет, обладающих нормальным слу­хом, полоса частот колебаний, воспринимаемых в виде звука, на­ходится в пределах между колебаниями с частотой 20 Гц (низшая граничная частота) и 20 000 Гц (высшая граничная частота). Эту полосу частот принято называть звуковым диапазоном, а частоты, лежащие в его пределах, - звуковыми частотами.

Колебания с частотами менее 20 Гц называются инфразвуко­выми, а колебания с частотами более 20 000 Гц - ультразвуковы­ми. Эти частоты наш слух не воспринимает, однако известно, что «инфразвук» оказывает определенное влияние на эмоциональное состояние слушателя. К сожалению, инфразвуковые частоты,  которые, как показали современные исследования, присутствуют

в составе акустических колебаний музыки и речи, воспроизвести с аналоговых магнитофонных лент по техническим причинам не­возможно. Это не единственное и, пожалуй, не самое главное, но все же препятствие, не позволяющее достичь при прослушивании музыки через электроакустическую систему того же эмоциональ­ного воздействия, какое испытывает слушатель в концертном зале. Частота звуковых колебаний определяет высоту (тон) звука: самые медленные колебания

8

воспринимаются как низкие, басо­вые ноты; самые быстрые - как высокие звуки, напоминающие, например, комариный писк не все люди и не всегда хорошо слы­шат все частоты звукового диапазона. С возрастом верхняя граница слышимых частот значительно понижается. Звуковой диапазон ча­стот определяет предельные возможности слуха человека (их выя­вили благодаря многочисленным исследованиям, усреднив резуль­таты многих опытов, проведенных со слушателями различных воз­растов и с разной тренировкой).

Как же человек оценивает повышение или понижение высоты тона при изменении частоты звукового колебания? В разговорном языке под высотой тона понимают его расположение на некото­рой шкале. В физической акустике и музыке для определения вы­соты тона пользуются разными шкалами.

В физике считают, что тон, например с частотой 131 Гц, имеет удвоенную высоту по сравнению с тоном частоты 65,5 Гц. При возрастании частоты до 262 Гц высота тонов еще раз удваивается. Таким образом, в интервале частот от 131 до 262 Гц высота тонов возрастает на число единиц вдвое большее, чем в интервале от 65,5 до 131 Гц. Такая оценка не соответствует особенностям наше­го слуха.

В музыке высота тона определяется только его расположением в нотной системе и соответственно в натуральном звукоряде. Ев­ропейская музыка основывается на октавной периодичности: два тона, частоты которых соотносятся как 1:2, воспринимаются слу­хом как родственные, имеющие тенденцию сливаться при одно­временном звучании.

В нашем примере нота Сº (до малой октавы с частотой 131 Гц) на октаву выше ноты С1 (65,5 Гц - до большой октавы), и нота С, (262 Гц - до первой октавы) выше ноты Сº также на октаву. Для музыканта, таким образом, высота тона и в первом и во втором случаях возрастает на один интервал - одну октаву.

Изменение частоты звуковых колебаний в определенном соот­ношении всегда приводит к изменению высоты тона на один и тот же музыкальный интервал. Удвоение частоты, как уже было сказа­но, соответствует повышению высоты тона на октаву, увеличе­ние, пропорциональное кубическому корню из двух, соответству­ет росту высоты на темперированную большую терцию, а повы­шение, кратное корню двенадцатой степени из двух, - на темперированный полутон. Кстати, в каждой октаве содержится12 полутонов. Развитый музыкальный слух четко различает эти ин­тервалы при любой высоте тона.