Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.
Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.
Дифракция звука
Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.
Способность волны огибать препятствие называется дифракцией .
Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.
Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.
Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.
В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D , или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.
Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.
Отражение звука
В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.
Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени .
Отражённый от препятствия звук называется эхом .
Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.
Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.
Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.
Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.
Выпуклая поверхность звук рассеивает.
Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.
Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.
Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.
Преломление звука
Изменение направления распространения звука называется преломлением . Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.
Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.
где i – угол падения,
r – угол отражения,
v 1 – скорость распространения звука в первой среде,
v 2 – скорость распространения звука во второй среде,
n – показатель преломления.
Преломление звука называют рефракцией .
Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о, то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.
Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.
В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.
Поглощение звука
При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.
Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин . Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.
Реверберация
Уоллес Сэбин
Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации .
Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации .
Самой важной характеристикой помещения является время реверберации , которое ввёл и вычислил Сэбин.
где V – объём помещения,
А – общее звукопоглощение.
где a i – коэффициент звукопоглощения материала,
S i - площадь каждой поверхности.
Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.
По результатам своих вычислений Сэбин расположил звукопоглощающие материалы таким образом, что уменьшился «эффект эха». А Симфонический Зал Бостона, при создании которого он был акустическим консультантом, до сих пор считается одним из лучших залов в мире.
Отражение звуковых волн от границы раздела двух сред имеет очень большое практическое значение. Рассмотрим опыт, иллюстрирующий законы отражения звука (§ 24.19).
Положим на дно стеклянной мензурки ручные часы. Если встать на таком расстоянии от мензурки, чтобы часов не было слышно, а затем поместить над отверстием мензурки стеклянную пластинку, как показано на рис. 25.7, то ход часов будет слышен. Меняя угол наклона пластинки и положение уха, можно убедиться, что угол падения равен углу отражения.
Интересный случай отражения звука получается, когда отражающая поверхность расположена перпендикулярно к направлению распространения волн. В этом случае звуковая волна после отражения возвращается назад к своему источнику. Возвращение звуковой волны к своему источнику после отражения называется эхом.
Оказывается, человек сохраняет звуковое ощущение в течение
0,1 с после прекращения колебаний барабанной перепонки в ухе. Это означает, что при небольшом расстоянии от отражающей поверхности до уха эхо сольется с основным звуком и лишь немного удлинит его продолжительность. Значит, эхо можно слышать раздельно от основного звука только при достаточно большом расстоянии до препятствия.
Это позволяет определить расстояние от источника звука до отражающей поверхности. Пусть расстояние от источника звука А до отражающей поверхности В равно I (рис. 25.8). Если время между отправлением звукового сигнала из точки А и его возвращением в эту же точку равно а скорость звука равна то откуда
Ясно, что звуковой сигнал должен быть кратковременным, так как при длительном сигнале эхо сольется с основным звуком и время t определить не удастся. (Покажите, что при скорости звука в воздухе 344 м/с (при 20°С) эхо будет слышно раздельно от основного звука, если расстояние до отражающей поверхности превышает 17,2 м.)
В закрытом помещении происходит многократное отражение звука от стен, что увеличивает продолжительность звучания после прекращения действия источника звука.
Остаточное звучание в закрытом помещении называется реверберацией. Для небольших помещений время реверберации должно составлять около 1 с. Время реверберации сильно влияет на качество звука в концертных залах, так как при слишком большом времени реверберации музыку слушать нельзя, а слишком маленькое время реверберации делает звуки блеклыми и отрывистыми.
На границе раздела двух сред звук не только отражается, но и поглощается при проникновении в другую среду. Энергия звуковых волн при этом частично превращается в энергию хаотического движения молекул среды. Например, оштукатуренная стена поглощает около 8% энергии звуковых волн, а ковер - около 20%. Этим объясняется тот факт, - что в комнате, заставленной вещами, звук глухой, а в пустой комнате звук громким.
Распостранение звука в свободном пространстве
Если источник звука всенаправленный , другими словами, звуковая энергия распространяется равномерно во всех направлениях, как например, звук от самолета в воздушном пространстве, то распределение звукового давления зависит только от расстояния и уменьшается на 6 дБ с каждым удвоением расстояния от источника звука.
Если же источник звука направленный , как, например, рупор, то уровень звукового давления зависит как от расстояния, так и от угла восприятия относительно оси излучения звука.
Взаимодействие звука с препятствием
Звуковые (слышимые) волны, встречая на своём пути препятствие, частично поглощаются им, частично отражаются от него, то есть переизлучаются препятствием обратно в помещение и частично проходят через него насквозь.
Сразу следует отметить, что процентное соотношение этих процессов будет различным для звуковых волн разной длины, что обусловлено особенностями поведения ВЧ, СЧ и НЧ волн. Помимо этого немаловажную роль играют характеристики самого препятствия такие, как его толщина, плотность материала из которого оно изготовлено, а также свойства поверхности (гладкая/рельефная, плотная/рыхлая).
Распостранение звука в замкнутом пространстве
Распространение звука в замкнутом пространстве (в условиях помещения) кардинальным образом отличается от условий его распространения в свободном пространстве, так, как звуковая волна встречает на своём пути множество преград (стены, потолок, пол, мебель, предметы интерьера и т.п.).
Возникающие в результате этого многочисленные отражения основного звука взаимодействуют, как с прямым звуком, исходящим непосредственно из динамика и достигающего ушей слушателя кратчайшим путём, то есть, по прямой, так и между собой. Схематически это различие иллюстрирует следующая диаграмма:
1) Открытое пространство: прямой звук;
2) Замкнутое пространство: прямой звук + ранние отражения + реверберация.
Всем известно, что звук отражается от стен, пола и потолка, но как это происходит?
Как уже было рассмотрено выше, звуковая волна, ударяясь о преграду, частично отражается от неё, частично поглощается, а частично проходит сквозь препятствие.
Естественно, чем тверже и плотнее стена, тем большую часть акустической энергии она будет отражать назад во внутреннее пространство помещения.
Звуковые волны отражаются от препятствий остронаправленно, поэтому в местах их отражений от стен, потолка и пола, то есть, в стороне от основного источника звука появляются его дополнительные "образы" (вторичные, «мнимые» источники звука или, так называемые «фантомы». В некоторых зарубежных источниках информации их также называют «горячими областями»).
Отражения, взаимодействуя между собой и с прямым звуком, искажают его и ухудшают отчетливость звуковой картины. А теперь представьте себе, что происходит, когда многочастотный звук сразу от двух или более акустических систем отражается сразу от шести поверхностей комнаты (четырёх стен, потолка и пола), и Вы поймете, какое колоссальное влияние оказывает акустика помещения на качество звука, воспроизводящегося в нём.
Итак, в замкнутом пространстве (в условиях помещения) выделяют три источника звука:
1. Прямой звук - это звук, исходящий непосредственно из динамиков АС (акустической системы) и достигающий ушей слушателя кратчайшим путём - по прямой, то есть, не отражаясь от поверхностей стен, пола и потолка помещения (условно можно считать его оригинальным звуком, записанном на музыкальном носителе).
2. Ранние отражения (первые отражения) - это отражения основного звука от стен, пола и потолка помещения, а также от предметов интерьера, находящихся в нём, достигающие ушей слушателя самыми короткими путями, то есть, претерпевая одно единственное отражение, благодаря чему они сохраняют достаточно большую амплитуду и формируют в областях отражения на поверхностях стен, пола и потолка помещения «образы» (вторичные, виртуальные, «мнимые» источники, «фантомы») прямого звука. Именно поэтому первые отражения являются наиболее важными в общей структуре отражений и, соответственно, оказывают серьёзное влияние на качество звучания и формирование стереокартины.
3. Реверберационные отражения (поздние отражения, реверберация, эхо) . В отличие от ранних отражений, они являются результатом многократных переотражений основного звука от поверхностей стен, пола и потолка помещения. Они достигают ушей слушателя сложными, длинными путями и поэтому имеют низкую амплитуду.
Под основным звуком подразумевается звук, исходящий непосредственно из динамика, но, в отличие от прямого звука, имеет круговую направленность.
Чем же отличаются ранние и поздние отражения?
Чтобы ответить на данный вопрос, необходимо ознакомиться с некоторыми субъективными особенностями человеческого звуковосприятия, связанными с временной характеристикой звука.
Это - так называемый эффект Хааса (Haas effect) , суть которого состоит в том, что, если звук прибывает от нескольких разноудаленных источников, то наша система ухо/мозг идентифицирует (воспринимает) только тот звук, который пришел раньше.
Если разница во времени прибытия нескольких звуковых сигналов составляет до 50 мс , то ранее прибывший звук доминирует над пришедшим позже, даже в случае, если последний на 10 дБ громче (т.е. громче в 3 раза!!!).
Таким образом, все отражения, достигающие ушей слушателя в течение первых 50 мс вслед за прямым звуком, воспринимаются человеческим ухом слитно с прямым сигналом, то есть, как один общий сигнал.
С одной стороны, это приводит к улучшению восприятия речи и субъективному увеличению её громкости, однако, в случае звуковоспроизведения это значительно ухудшает его качество за счёт искажения оригинальной музыкальной информации сливающимися с ней отражёнными звуковыми сигналами.
Если же отражения поступают с задержкой больше, чем 50 мс и имеют сопоставимый уровень с прямым сигналом, человеческое ухо воспринимает их как повторение прямого сигнала, то есть - в виде отдельных звуковых сигналов. В таких случаях эти отражения называют «эхом» (реверберацией) . Эхо существенно ухудшает разборчивость речи и восприятие музыкальной информации.
1) Особое практическое значение имеют ранние отражения (первые отражения) , достигающие уха слушателя во временном промежутке до 20 мс. после прямого сигнала.
Как уже говорилось, они сохраняют большую амплитуду и воспринимаются человеческим ухом слитно с прямым сигналом и, следовательно, искажают его первоначальную (оригинальную) структуру. Таким образом, первые отражения являются одним из основных врагов качественного звука .
Геометрические характеристики ранних отражений напрямую зависят от формы помещения, местоположения источника звука (в нашем случае это АС) и слушателя в нём, являясь уникальными для каждой конкретной точки данного помещения.
Амплитудные же характеристики первых отражений зависят от:
Расстояния между источником звука и отражающей поверхностью;
Расстояния от ушей слушателя до отражающей поверхности;
От акустических свойств самой отражающей поверхности.
Таким образом, акустическая характеристика каждой точки внутреннего пространства помещения, главным образом, определяется сочетанием характеристик прямого звука и ранних отражений, приходящих в данную точку.
2) Реверберация (поздние отражения, эхо).
При воспроизведении звука в помещении мы слышим не только прямой звук от источника и ранние отражения, но и более слабые (тихие) отражённые сигналы, являющиеся результатом многократных длительных переотражений основного звука от стен, пола и потолка помещения. Естественно, что эти звуковые сигналы достигают ушей слушателя с большим опозданием относительно момента прибытия прямого звука и первых отражений. Субъективно это воспринимается в
виде эха.
Таким образом, эффект, при котором затухание звука происходит не сразу, а постепенно, за счет многочисленных его переотражений от стен, пола и потолка помещения, называется реверберацией .
Спектральный состав отраженных сигналов в больших и малых помещениях отличается, так как реверберация несёт в себе информацию о размерах помещения. Помимо этого спектр реверберационных сигналов также содержит информацию о свойствах материалов, из которых изготовлены отражающие поверхности.
Например, реверберация с высоким уровнем высокочастотных составляющих, ассоциируется с комнатой, имеющей твердые стены, которые хорошо отражают высокие частоты. Если же звук реверберации глухой, то слушатель приходит к выводу, что стены комнаты покрыты коврами или драпировками, поглощающими высокие частоты.
Также следует отметить, что спектр реверберационных сигналов позволяет определить расстояние до источника звука.
Наша система ухо/мозг, автоматически оценивая соотношение между уровнями прямого звука и реверберации, самостоятельно делает вывод о том, находится ли источник звука близко (слабая реверберация) или далеко (сильная реверберация).
Кроме того, орган слуха человека устроен таким образом, что качество звуковосприятия зависит не только от количественного соотношения между прямым звуком и реверберацией, но также и от времени запаздывания реверберационного сигнала по отношению к моменту восприятия прямого звука.
Время реверберации представляет собой промежуток времени, в течение которого звуковая волна, многократно переотражаясь эхом по комнате, постепенно затухает. Этот параметр является одним из главных критериев акустической характеристики помещения.
Этот параметр характеризует размеры помещения: в малых помещениях за единицу времени происходит большее количество переотражений, что, в отличие от ситуации в больших комнатах, ведёт к быстрому ослаблению и последующему затуханию реверберации. А также и свойства его отражающих поверхностей: твёрдые глянцевые поверхности, в отличие от рельефных и мягких, хорошо отражают звук, практически не ослабляя его, что в свою очередь, естественно, продлевает время реверберации.
Для обозначения данного параметра было принято сокращение RT60 , то есть время (в секундах), за которое уровень звукового давления (SPL) в помещении снижается на 60 дБ, после того, как источник звука прекратит излучение.
Многократное эхо субъективно воспринимается как гулкость помещения . Чем меньше затухание, тем больше время реверберации и, соответственно, тем сильнее гулкость.
Как уже отмечалось, время реверберации определяется не только размерами помещения, но и отражающей способностью его стен, пола и потолка. Вам приходилось замечать, как непривычен звук в пустой комнате, подготовленной для ремонта, или в громадном ангаре, где имеет место сильная реверберация?
В связи с вышесказанным, целесообразно рассмотреть ещё одну категорию, а именно, радиус гулкости . Что это такое?
Речь идёт о соотношении уровней прямого и отражённого звука. В общем, чем ближе находится слушатель к источнику звука, тем громче прямой звук и, соответственно, тише - отражённый. По мере удаления от источника звука прямой звук ослабевает, а отражённый, наоборот, усиливается.
Логически следуя данному принципу, можно вполне справедливо предположить, что на некотором определённом расстоянии от источника звука прямой и отражённый звук будут восприниматься слушателем с одинаковой громкостью. Так вот окружность, с радиусом, соответствующим радиусу гулкости, и является границей между двумя областями: внутренней с преобладанием прямого звука и наружную, где доминирует отражённый звук.
Особенности поведения звуковых волн разной длины в условиях замкнутого пространства
Очевидно, что поведение звука в музыкальной студии подчиняется законам его распространения в замкнутом пространстве. Рассмотрим этот процесс более детально.
Поведение звуковых волн в замкнутом пространстве зависит от их длины и, соответственно, от частоты их колебаний, варьирующих в пределах от 17 метров (20 Гц - в начале слышимого басового диапазона) до 17 миллиметров (20 КГц - в конце слышимого высокочастотного диапазона).
Упрощенно поведение звуковых волн внутри помещения, в зависимости от их длины, можно представить в виде двух независимых моделей.
Одна - для НЧ выглядит как чисто волновой процесс - интерференция (сложение) всех источников НЧ (как баса от динамиков, так и низкочастотных отражений от стен, пола и потолка), приводящий к образованию трёхмерной картинки для каждой частоты подобно горному рельефу с чередующимися пиками и провалами громкости.
Вторая - для ВЧ, подобна излучению света с известными законами преломления, отражения и дифракции. Она использует наглядные методы геометрической оптики, поскольку в этих областях действуют аналогичные правила. Например, часть энергии звуковой волны, достигшей твердой поверхности, отражается ею под углом, равном углу падения.
Общую картину дополняет смешение этих двух процессов для СЧ.
Средне- и высокочастотные волны (волны малой длины).
Как уже говорилось, поведение звуковых волн ВЧ диапазона в общих чертах подчиняется законам распространения света. Это напрямую относится к волнам ВЧ диапазона и более или менее справедливо по отношению к ВСЧ поддиапазону.
Первой особенностью звуковых волн данного диапазона является их выраженная направленность , то есть изменение (усиление или ослабление) восприятия уровня ВЧ даже при незначительном отклонении от оси их излучения. Проще говоря, высокие частоты распространяются в направлении слушателя подобно лучу прожектора.
Направленность растёт с увеличением частоты сигнала, достигая максимума на самых высоких частотах. Именно направленность определяет основную значимость ВЧ волн в формировании стереокартины.
Второй характерной особенностью ВЧ, является способность к многократному отражению от твёрдых поверхностей, подобно рекошетящей пуле или бильярдному шару, что, в свою очередь, обуславливает их лёгкую рассеиваимость (диффузию).
Третья особенность - лёгкая поглощаемость даже тонкими мягкими поверхностями, такими как, непример, шторы.
Именно благодаря направленности и способности к отражению ВЧ, как отмечалось выше, принимают активное участие в формировании реверберационной картины.
Низкочастотные или басовые волны (волны большой длины).
Итак, поведение НЧ в условиях замкнутого пространства выглядит как чисто волновой процесс, в основе которого лежит интерференция, то есть, процесс сложения (наложения) звуковых волн, исходящих абсолютно от всех НЧ источников, находящихся в помещении, а также множества НЧ-отражений от стен, пола и потолка данного помещения.
Это обусловлено тем, что в отличии от СЧ и ВЧ волн, являющихся направленными, басовые волны равномерно распространяются во всех направлениях подобно сферам, расходящимся от излучающего центра. Таким образом, НЧ звуковые волны являются всенаправленными , именно поэтому, с закрытыми глазами невозможно определить местоположение вуфера.
Это свойство НЧ волн объясняет неспособность участия их в формировании стереокартины.
Помимо этого, благодаря большой длине волны и высокой энергии, НЧ волны способны не только огибать препятствие, но и, частично отражаясь, «проходить» насквозь даже через бетонные стены (это как раз тот случай, когда Ваши дальние соседи по «многоэтажке» слышат низкочастотное «гудение», во время прослушивания Вами музыки).
Таким образом, в отличии от ВЧ, которые легко отражаются от твёрдых поверхностей, басовые волны отражаются гораздо хуже, частично поглощаясь и частично проходя сквозь препятствие, причём с понижением частоты они всё больше утрачивают способность к отражению и предпочитают «идти напролом».
А ещё НЧ волны «умеют» «вытекать» из помещения через открытые оконные и дверные проёмы, а также легко проникать через стекло, как будто его вообще нет.
Учитывая все вышеперечисленные моменты, а также принимая во внимание тот факт, что длины НЧ волн соизмеримы с линейными размерами комнаты (длиной, шириной и высотой), становится понятным, почему на поведение басовых волн основное влияние оказывают именно параметры помещения.
Если длина волны звукового сигнала в два раза больше одного из линейных размеров комнаты, то на её частоте между данной парой стен возникает самое грозное и трудноподавляемое акустическое явление, буквально, «убивающее» звук, - резонанс воздушного объёма .
Субъективно это выражается в усилении сигнала этой конкретной частоты по отношению к уровню остальных частот и появлению гулкости звучания.
Низкочастотные резонансы и стоячие волны возникают между двумя параллельными поверхностями (например, между фронтальной и тыловой стенами или между боковыми стенами, или между полом и потолком) при возбуждении в данном помещении звуковой волны с соответствующей частотой.
Причём абсолютно неважно, что возбудит эту волну: воспроизведение музыки, игра на музыкальном инструменте, тембр голоса при разговоре, звуки коммуникаций или проходящего мимо транспорта, работа электробытовых приборов и т.д.).
Низкочастотные звуковые волны распространяются всенаправленно («... мы не можем локализовать басы, ниже 80 Гц...» - Anthony Grimani) и они обладают огромной энергией. Самые низкие из них - басовые частоты, практически не отражаясь, способны проходить через любые препятствия.
По мере повышения частоты их способность к отражению возрастает, а проникающая способность снижается.
«Считается, что звук распространяется прямолинейно, как любые волны. Но это справедливо лишь для лишенного препятствий широкого пространства. В реальности движение звуковых волн неизмеримо сложнее. Они сталкиваются с препятствиями и друг с другом, и порой распространяются, образуя вихри, по неописуемым траекториям.
На мой взгляд, тем, кто занимается аудиотехникой, необходимо обладать пространственным воображением, чтобы ясно представлять визуальные образы звуковых волн и их поведение, которое невозможно объяснить, опираясь только на теорию электричества.
Похоже, по сей день, огромное количество факторов, влияющих на звуковоспроизведение, остаются неизученными, бросая вызов всем накопленным знаниям и опыту звукоинженеров. Чем больше я размышляю над этим, тем отчетливее понимаю, что мир звука намного глубже, чем мы можем себе представить.»
Звуковое давление р зависит от скорости v колеблющихся частиц среды. Вычисления показывают, что
где р - плотность среды, с - скорость звуковой волны в среде. Произведение рс называют удельным акустическим импедансом, для плоской волны его называют также волновым сопротивлением.
Волновое сопротивление - важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на ее границе.
Представим себе, что звуковая волна попадает на границу раздела двух сред. Часть волны отражается, а часть - преломляется. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны Законам отражения и преломления света. Преломленная волна может поглотиться во второй среде, а может выйти из нее.
Допустим, что плоская волна падает нормально к границе раздела, интенсивность ее в первой среде I 1 интенсивность преломленной (прошедшей) волны во второй среде 1 2 . Назовем
коэффициентом проникновения звуковой волны.
Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука определяется формулой
Если волновое сопротивление второй среды весьма велико по сравнению с волновым сопротивлением первой среды (с 2 р 2 >> с 1 ρ 1), то вместо (6.7) имеем
так как с 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Приведем волновые сопротивления некоторых веществ при 20 °С (табл. 14).
Таблица 14
Используем (6.8) для вычисления коэффициента проникновения звуковой волны из воздуха в бетон и в воду:
Эти данные производят впечатление: оказывается, только очень малая часть энергии звуковой волны проходит из воздуха в бетон и в воду.
Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потолков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отражается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще имеются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения источника называют реверберацией.
Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с другой стороны, чрезмерно длительная реверберация может существенно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концертных залов и т. п. Например, время реверберации заполненного Колонного зала Дома союзов в Москве равно 1,70 с, заполненного в большого театра - 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.
Физика слуха
Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2 (рис. 6.8).В Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. Поясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости
(рис. 6.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматриваются в гл. 19). Человек в результате опыта научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука (направления А, Б и Б на рис. 6.9).
Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и животные способны установить направление на источник звука и в горизонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 6.10). Это объясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит разное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (5) и разностью фаз (∆φ) выведена в § 19.1 при объяснении интерференции света [см. (19.9)]. Если источник звука находится прямо перед лицом человека, то δ = 0 и ∆φ = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в другую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае 5 есть расстояние между ушными раковинами. По формуле (19.9) можно рассчитать для v = 1 кГц и δ = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.
Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.
 |
Кроме фазового различия бинауральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы для одного уха. На рис. 6.10 схематично показано, что звук от источника попадает в левое
ухо в результате дифракции (гл. 19).
Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки 3 (см. рис. 6.8). В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. В этом случае длина волны в четыре раза, больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте
Наиболее существенной частью среднего уха являются барабанная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. Как было показано (см. § 6.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слишком мало. Поэтому основное назначение среднего уха - способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Используя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.
Система косточек (см. рис. 6.8) на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S 1 = 64 мм 2), на другом - стремечком - с овальным окном 7 внутреннего уха (площадь S 2 = 3 мм 2).
На овальное окно внутреннего уха при этом действует сила F 2 , создающая Звуковое давление р 2 в жидкой среде. Связь между ними:
Разделив (6.9) на (6.10) и сопоставляя это соотношение с (6.11), получаем
| откуда |
или в логарифмических единицах (см. § 1.1)
На таком уровне увеличивает среднее ухо передачу наружного звукового давления внутреннему уху.
Еще одна из функций среднего уха - ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.
Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евстахиеву) трубу.
Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей системе. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.
Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразующая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат (см. § 4.3), который к слуховой функции отношения не имеет.
Улитка человека является костным образованием длиной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали с 2 3 / 4 завитков. Диаметр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.
На рис. 6.8 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Другой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия - геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перилимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 6.8 эти подробности не показаны).
Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал.
Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана - весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который
представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией, передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространятся приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм. На основании этих наблюдений были разработаны теории, согласно которым восприятие высоты тона определяется положением максимума колебания основной мембраны. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна - колебание перилимфы - сложные колебания основной мембраны - сложные колебания основной мембрны - раздражение волосковых клеток (рецепторы кортиева органа) - генерация электрического сигнала.
Некоторые формы глухоты связаны с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических колебаний. Можно помочь таким глухим, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула.
Такое протезирование основной функции, улитки (кохлеарное протезирование) разрабатывается в ряде стран. В России кохлеарное протезирование разработано и осуществлено в Российском медицинском университете. Кохлеарный протез показан на рис. 6.12, здесь 1 - основной корпус, 2 - заушина с микрофоном, 3 - вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируемым электродам.
Определение 1
Эхо - физическое явление, которое заключается в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны (электромагнитной, звуковой и др.)
Эхо это то же самое отражение, только в зеркале отражается свет, а в случае эха -- звук. Любое препятствие может стать зеркалом для звука. Чем резче, отрывистее звук, тем эхо отчётливее. Лучше всего вызвать эхо хлопаньем в ладоши. Низкий мужской голос отражается плохо, а высокий голос дает отчетливое эхо.
Эхо можно услышать, если произвести звук на месте, в окружении холмов или больших зданий.
Акустическое явление
Акустические волны отражаются от стен и других твердых поверхностей, таких как горы. Когда звук движется через среду, которая не имеет постоянных физических свойств, он может быть преломлен.
Рисунок 1. Пояснение работы эхо
Человеческое ухо не может отличить эхо от первоначального звука, если задержка составляет менее $1/15$ секунды.
Сила эха часто измеряется в дБ уровнях звукового давления (SPL) по отношению непосредственно к передаваемой волне. Эхо - сигналы могут быть желательными (как в сонаре) или нежелательными (например, в телефонных системах).
Отражение звуковых волн от поверхностей также зависит от формы поверхности. Плоские поверхности отражают звуковые волны , таким образом, что угол, при котором волна приближается к поверхности, равен углу, при котором волна покидает поверхность.
Отражение звуковых волн от криволинейных поверхностей приводит к более интересным явлением. Изогнутые поверхности с параболической формой имеют привычку фокусирования звуковых волн в точке. Звуковые волны, отраженные от параболических поверхностей концентрируют всю свою энергию в одной точке пространства; в этот момент, звук усиливается. Ученые долгое время считали, что совы имеют сферические диски на лице, которые могут быть применены с целью сбора и отражения звука.
Использование отражения звука
В воде скорость звука иная, чем в воздухе. Рассмотрим работу эхолота. Он издает резкий звук, которой проходя через толщу воды, достигает дна моря, отражается и бежит обратно в виде эха. Эхолот ловит его и вычисляет расстояние до дна моря.
Рисунок 2. Работа эхолота
Отражение звука используется во многих устройствах. Например, громкоговоритель, звуковой сигнал, стетоскоп, слуховой аппарат, и т.д.
Стетоскоп используется, чтобы услышать звуки внутренних органов пациента; для диагностических целей. Он работает по законам отражения звука.
Летучие мыши используют высокую частоту (малая длина волны) ультразвуковых волн для того, чтобы повысить их способность охотиться. Типичной жертвой летучей мыши является моль - объект не намного больше, чем сама летучая мышь. Летучие мыши используют ультразвуковые методы эхолокации, чтобы обнаружить своих сородичей в воздухе. Но почему ультразвук? Ответ на этот вопрос лежит в физике дифракции. Так как длина волны становится меньше, чем препятствие, с которым она сталкивается, волна уже не в состоянии рассеиваться вокруг него, и вследствие чего отражается. Летучие мыши используют ультразвуковые волны с длинами волн, меньшими, чем размеры их добычи. Эти звуковые волны будут сталкиваться с добычей, и вместо того, чтобы дифрагироваться вокруг добычи, они будут отражаться от добычи, что позволить мыши охотиться с помощью эхолокации.
Загрузка...
