АКУСТИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО (Акустика для режиссера)

В. Карп.

Акустическое пространство.


Все, что создают творческие работники  на радио или в студии звукозаписи, это на самом деле не более чем сотрясение воздуха — звук.


Что такое звук? На этот вопрос можно дать различные ответы. Физик, например, скажет, что это волна, возникающая в воздушной среде в результате колебаний, и даст нам физические параметры звука: период колебаний, длину звуковой волны, амплитуду и частоту колебаний.

В нашей жизни много различных источников звуков и они вызывают у нас разную, порой диаметрально противоположную реакцию. От одних звуков мы шарахаемся, от других возбуждаемся, третьи терпим, четвертые просто не замечаем, а от пятых получаем удовольствие, при том столь большое, что готовы платить за него деньги.

Вы никогда не задавались вопросом — почему это происходит?

Звук имеет объективные показатели, которые возможно измерить приборами — уровень громкости, динамический диапазон, частотный спектр и т.д. Однако мы воспринимаем звук не столько сам по себе, сколько в качестве субъективных интерпретаций, которыми его наделяет наш мозг. Мы придаем тем или иным колебаниям воздуха смысловое, эмоциональное и даже духовное содержание, которые по своему значению и влиянию на нас гораздо важнее объективных составляющих звука. Вот в этих самых психологических и физических аспектах звука нам с вами и предстоит разобраться. Мы постараемся не особенно углубляться в какие-то вещи связанные со сложными естественнонаучными или технологическими аспектами. Но, тем не менее, знание основных законов физики звука и психологии его восприятия человеку, занятому в аудиопроизводстве просто необходимо.

Мы с вами знаем, что звук — это волны, воздействующие на воспринимающий орган человека — ухо. Давайте разберемся, что же мы с вами, собственно говоря, слышим, что нам в этом процессе важно, а что нет, в чем причина тех или иных звуковых закономерностей. Разберемся, крайне поверхностно, поскольку, с одной стороны, мы с вами не специалисты в области физики звука, а с другой стороны, сами процессы восприятия звука, мягко говоря, еще не достаточно изучены.

Основные свойства звука. Источник звука.


Звук - распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твердых телах механические колебания, воспринимаемые ухом.

Источник звукаразличные колеблющиеся тела, например, туго натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны.

Как возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда пластинка отклонится, например, в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа. При этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д.  Сжатие и разрежение прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до полного прекращения колебаний. Таким образом, колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое нами как звук.

Колебания воздуха, источником которых является колеблющееся тело, называют звуковыми волнами, а пространство, в котором они распространяются, звуковым полем.

Скорость распространения звуковых колебаний зависит от упругости среды, в которой они распространяются. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 метрам в секунду, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры. В вакууме звук не распространяется, поскольку отсутствует среда, передающая колебания.

При распространении звука, вследствие колебаний частиц среды, в каждой точке звукового поля происходит периодическое изменение давления. Среднее квадратичное значение величины этого давления, называют звуковым давлением. За единицу звукового давления принята величина, равная силе в один ньютон, действующей на площадь в один квадратный метр (ньютон на квадратный метр).

Чем больше звуковое давление, тем громче звук. При средней громкости человеческой речи звуковое давление на расстоянии 1м ото рта говорящего находится в пределах 0,0064-0,64 единиц.

Основные свойства слуха. Нелинейность слуха.


Теперь давайте разберемся с устройством слухового аппарата.

Снаружи мы видим так называемое внешнее ухо (ушную раковину). Помните знаменитый диалог в сказке Шарля Перро:

- Бабушка, а зачем тебе такие большие уши?

- Это чтоб лучше тебя слышать, дитя мое.

Как это ни забавно, Волк очень близок к истине, ответив, «чтобы тебя лучше слышать!». Действительно, благодаря воронкообразной форме ушные раковины способны улавливать и концентрировать звуковые волны. Старые люди с пониженным слухом, прислушиваясь к чему-либо, приставляют сложенную рупором ладонь к уху, как бы увеличивая его. Таким образом, функция внешнего уха — улучшение локализации источника звука в пространстве.

От внешнего уха идет канал (примерно 0,5 см в диаметре и 3 см. в длину) к барабанной перепонке. К барабанной перепонке присоединены кости образующие среднее ухо. Среднее ухо представляет собой замкнутую полость объемом около 1 кубического сантиметра, расположенную в толще височной кости. От слухового прохода ее, как уже говорилось, отделяет тоненькая барабанная перепонка из трех слоев: наружного, похожего по строению на кожу, внутреннего — слизистой оболочки и находящегося между ними соединительно-тканного, состоящего из эластичных волокон, расположенных циркулярно и радиально. Таким образом, барабанная перепонка представляет собой гибкое и в то же время достаточно прочное образование. Звуковые волны вызывают колебания этой туго натянутой, как кожа барабана, перепонки.

Среднее ухо передают вибрацию барабанной перепонки далее — на другую перепонку, во внутреннее ухо — трубку с жидкостью (около 0,2 мм. диаметром и 3-4 см. длинной), закрученную как улитка. Среднее ухо нужно, поскольку колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую вызывать колебания жидкости и поэтому среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют своего рода гидравлический усилитель, действующий благодаря тому, что площадь барабанной перепонки во много раз больше площади перепонки внутреннего уха и поэтому давление усиливается в десятки раз.

Во внутреннем ухе — улитке, натянута мембрана (напоминающая струну) жесткая к началу уха и мягкая к концу. Каждый определенный участок этой мембраны колеблется в своем диапазоне — в мягком участке — низкие частоты, в жестком — высокие. Вдоль мембраны расположены нервы воспринимающие колебания и передающие их в мозг. Этих нервных окончаний насчитывается более четырех тысяч.

Слуховой аппарат человека устроен таким образом, что он может воспринимать пространственное положение звука, благодаря наличию двух приемников звука образующих так называемый «стерео»-эффект. Не менее важным является и то обстоятельство, что, мы имеем возможность, повернуть голову и проследить изменение параметров звука. Этих нескольких градусов поворота вполне достаточно, чтобы точно определить местоположение источника звука.

По характеру колебательных движений звуки можно разделить на чистые тоны, сложные тоны и шумы. В природе мы практически не встречаемся с чистыми тонами, они подобны дистиллированной воде лабораторий, нас же окружает вода ручейков, речек, озер, прудов. Чистые тоны можно воспроизвести только с помощью камертона. Окружающие нас звуки — сложные. Помимо основного тона, имеется масса добавочных тонов, или обертонов. Звуки, состоящие из смеси тонов самых разных частот, в которых невозможно выделить основной тон, называются шумами. Мы живем в мире шумов, шумы и шорохи доминируют в окружающем нас звуковом фоне. В лесу это — шелест листьев, в поле — шум ветра, на берегу моря — плеск волн. В природе не бывает абсолютной тишины. Тем более не бывает тишины в городе, здесь мы можем говорить только о большем или меньшем уровне шума. Поэтому известный исследователь свойств звука Лангенбек писал: «Человек с детства должен тренироваться, чтобы слышать определенные звуки, несмотря на шум».

Распространению звуковой волны мешают препятствия, встречающиеся на ее пути. Способность звуковой волны огибать препятствия называется дифракцией. Низкие звуки обладают лучшей дифракцией, чем высокие. Этим, например, объясняется тот факт, что когда группа поющих людей сворачивает за угол, то сначала перестают быть слышны высокие голоса, а затем уже низкие.

Волна может отражаться от большой поверхности, оказавшейся на ее пути. При этом возникает явление, называемое эхом. Каждый из нас встречался с ним в лесу, в горах, где отражающими поверхностями являются деревья, скалы.

Основное восприятие звука человеком происходит в диапазоне 1-4 кГц, в котором заключен человеческий голос и звуки, издаваемые большинством важных для человека природными процессами. Общеизвестно, что человек в состоянии различать изменение частоты на 0,3 % на частоте порядка 1кГц.

Кроме того, звуки различной частоты распространяются в воздухе с различной скоростью. В результате высокочастотная часть спектра от источника находящегося на некотором удалении от слушателя несколько запаздывает. Частотный спектр, несущий информацию в человеческой речи находится в пределах от 500 Гц. до 2 кГц. К низким частотам относятся басы и гласные звуки, к высоким — согласные.

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение. Порог слышимости является частотно-зависимым. Выше порога слышимости расположена область  слышимости, в которой может наступить разрушение органа слуха — болевой порог.

Для более удобного оперирования столь значительными абсолютными величинами чаще используются единицы, называемые уровнем интенсивности звука, уровнем ощущения, уровнем звукового давления, уровнем плотности звуковой энергии и измеряемые в децибелах, то есть единицы эти вполне условные. Эта ситуация некоторой условности возникает постольку, поскольку имея дело со звуком мы сталкиваемся с интересным эффектом: все изменяется не на столько-то единиц, а во столько-то раз. Для примера, диапазону в одну октаву соответствует изменение частоты в два раза. Поэтому для определения уровней громкости звука используется психофизический закон, установленный в 1846 году Э.-Г. Вебером, заложившим основы «психометрии», то есть количественных измерений ощущений.

Поскольку ощущения являются субъективным процессом, то и абсолютные измерения силы ощущений невозможно. Поэтому Вебер перенес проблему в область измерения относительных величин и искал минимальные различия в ощущениях, которые можно зафиксировать. К слову сказать, Вебер (совместно с Г.-Т. Фехнером) провели такого рода исследования не только в отношении слуха, но и в отношении других органов чувств, в частности зрения и осязания.

Суть закона Вебера заключается в том, что чувствительность уха человека к звуку меняется, как логарифм интенсивности звука. Таким образом, как единица измерения был установлен децибел — некая относительная величина. «Так как децибел — величина относительная, то с его помощью можно измерить все, что угодно — хоть музыкальные интервалы. Действительно, в одной октаве содержится шесть нотных интервалов, а изменению напряжений в два раза  (как бы «на октаву») соответствует изменение уровня на 6 дБ, т.е. музыкальный звуковысотный интервал в один тон соответствует одному децибелу. Причем значения совпадают с точностью 0,0004». (М. Чернецкий).

В акустике принято измерять громкость в дБ SPL (Sound Power Level). Ноль этой шкалы находится приблизительно на уровне минимального звука, который слышит человек. Мы можем слышать осмысленные звуки громкостью примерно до 120 дБ SPL. При 140 дБ ощущается сильная боль, при 150 дБ наступает повреждение слухового аппарата. Обычно считается, что два звука различаются по громкости при разнице примерно в 1 дБ.

Одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения. Эта особенность слуха также измерена: порог заметности изменения интенсивности чистых тонов на высоких и средних уровнях ощущения составляет от 0,2 до 0,6 дБ, на низких уровнях ощущения он доходит до нескольких децибел, а среднее значение изменения интенсивности звука приблизительно 1 дБ.

Таким образом, между порогом слышимости и болевым порогом слух различает несколько сотен ступеней изменения слухового ощущения.

Амплитудная разрешающая способность слуха по ощущению изменений интенсивности звука имеет еще и частотную зависимость: она наиболее высока на средних, заметно меньше на высоких и еще меньше на низких частотах.

Для определения уровня субъективного слухового ощущения было введено понятие уровня громкости. За уровень громкости данного звука принимается уровень интенсивности равногромкого с ним чистого тона с частотой 1000 Гц. Единица измерения  уровня громкости — фон.

Несмотря на то, что слуховой аппарат человека изучен, как говорится, вдоль и поперек до сих пор не понятно, как же действуют механизмы звуковосприятия. Споры об этих механизмах продолжаются, и по сей день, окончательные выводы делать рано, поэтому ознакомимся с некоторыми из существующих гипотез.

Первым, кто попытался создать теорию слуха, был немецкий физик, математик, физиолог и психолог Герман Гельмгольц. Он предположил, что на основной мембране натянуто множество микроскопических струн. Причем у основания улитки струны они очень короткие, а чем ближе к верхушке, тем длиннее. Те или иные струны вступают в резонанс со звуками той или иной частоты. Короткие струны резонируют со звуками высокой частоты, длинные — с низкочастотными, басовыми звуками. Таким образом, происходит первичный анализ звуков уже на уровне улитки, причем высокие звуки воспринимаются у основания, а низкие — у верхушки. Однако дальнейшее изучение механических свойств основной мембраны показало, что ей не свойственна высокая избирательность. Под влиянием звуков в лимфе улитки происходят сложные гидродинамические процессы.

Эти наблюдения позволили Дьердю Бекеши сформулировать гидродинамическую теорию слуха, называемую также «теорией бегущей волны».

Американский исследователь Халавел Дэвис, вживляя микроэлектроды в улитку кошки, регистрировал электрические потенциалы, возникающие в ней. На основании своих наблюдений он создал собственную электрофизиологическую теорию слуха. Согласно его теории каждый волосок волосковых клеток кортиева органа подобен пьезоэлектрическому кристаллу. Как известно, эти кристаллы обладают интересным свойством — в прямом положении они нейтральны, но стоит их чуточку согнуть, как тут же появляется электрический заряд. При колебаниях основной мембраны, естественно, начинают колебаться и волосковые клетки. Но сверху на волоски давит покровная мембрана, они сгибаются, вследствие чего возникает электрический заряд. Таким образом, под влиянием деформации волосков рецепторных клеток синхронно со звуковыми колебаниями освобождается электрическая энергия, возникают биотоки. Эти биотоки служат раздражителями тончайших окончаний веточек слухового нерва, оплетающих волосковые клетки. По этому нерву и проводящим путям продолговатого мозга возбуждение передается в кору височных долей головного мозга, где происходит анализ и синтез звуковых раздражений.

Интенсивность звука.


Тело, являющееся источником звуковых колебаний, излучает энергию, переносимую звуковыми колебаниями в пространство (среду), окружающее источник звука. Количество звуковой энергии, проходящей в одну секунду через площадь в 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковых колебаний, называют интенсивностью (силой) звука.

Когда мы ведем обычный разговор с кем-нибудь из своих друзей, поток энергии в 1 секунду равен приблизительно 10 мкВт. Звуковой поток от оратора, выступающего перед публикой, лежит в пределах от 200 до 2000 мкВт. Мощность самых громких звуков скрипки может составлять приблизительно 60 мкВт, а мощности звуков органных труб составляют от 140 до 3200 мкВт. Интенсивность самого слабого звука, который еще можно услышать, составляет приблизительно одну миллионную микроватта на 1 м2, самого громкого – около одного миллиона микроватт.

Интенсивность звукового колебания и громкость восприятия находятся в определенной зависимости.

Бел – единица приращения громкости, соответствующая изменению силы звука в 10 раз. Слух человека различает приращение громкости на 0,1 Б. Поэтому в практике используют более мелкую единицу измерения – децибел (дБ), равный 0,1 Б. Давайте, сравним интенсивность и уровни различных звуков.

Таблица  интенсивности и уровней различных звуков.

Звук Интенсивность,
мкВт/м2
Уровень
звука, Б
Уровень
звука, дБ
Порог слышимости 0,000001 0 0
Спокойное дыхание 0,00001 1 10
Шум спокойного сада 0,0001 2 20
Перелистывание страниц газеты 0,001 3 30
Обычный шум в доме 0,01 4 40
Пылесос 0,1 5 50
Обычный разговор 1,0 6 60
Радио 10 7 70
Оживленное уличное движение 100,0 8 80
Поезд на эстакаде 1000,0 9 90
Шум в вагоне метро 10000,0 10 100
Гром 100000,0 11 110
Порог ощущений 1000000,0 12 120

В качестве курьеза хочется привести один из мировых рекордов знаменитой «Книги рекордов Гиннеса». 125 децибел — такую силу голоса продемонстрировала на соревнованиях четырнадцатилетняя шотландская школьница, перекричав взлетающий самолет «Боинг».

Если ухо человека воспринимает одновременно два или несколько звуков различной громкости, то более громкий звук заглушает (поглощает) слабые звуки. Происходит так называемая маскировка звуков, и ухо воспринимает только один, более громкий звук. Сразу после воздействия на ухо громкого звука снижается восприимчивость слуха к слабым звукам. Эта способность называется адаптацией (приспособлением) слуха.

Тембр звука.


Слово «гармоника» — означает гармоническое колебание, простой (основной) тон. Дело в том, что акустические процессы дают дополнение какой-то определенной частоты частотами ей кратными. Простой тон 100 Гц сопровождают гармоники 200, 300, 400 и т.д. Гц. Звук скрипки, например это, почти одни сплошные гармоники.

Октава  — интервал изменения частоты основного тона в два раза. Например, нота «ля» первой октавы имеет частоту примерно — 27,5 Гц, а второй — 55 Гц. Это основная причина того, что одинаковые ноты разных октав звучат в унисон.

Наше звуковосприятие устроено таким образом, что нам доставляют удовольствие гармоники и неприятны диссонансы (частоты, выбивающиеся из гармонической схемы).

Каждый звук, издаваемый различными музыкальными инструментами, голосами различных людей и т.п., имеет свои характерные особенности — своеобразную окраску или оттенок. Эти особенности звука называют тембром.

Для нашего уха существенны только частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т.е. тембр звука, определяется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени никак не воспринимаются на слух, хотя и могут очень сильно менять форму результирующего колебания.

Форма звуковых колебаний зависит от свойств источника звука. Наиболее простыми колебаниями являются равномерные или гармонические колебания, которые можно представить в виде синусоиды.

Количество полных колебаний в секунду называют частотой колебаний. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду. Время, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период. Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12 000 Гц, а слух человека воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20 000 Гц.

Наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения называют амплитудой колебаний. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого.

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.  Громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Высота тона определяется частотой колебания. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, низкой частоты — как звуки низкого тона.

Копирайт © 2010 Вячеслав Карп

Print Friendly

Коментарии (0)

› Комментов пока нет.

Добавить комментарий

Pingbacks (0)

› No pingbacks yet.