Физика звука
Звук – это колебания
У любого явления в нашем Мире, есть какие-либо количественные и качественные показатели, которые можно измерить, а значит изменить, получив предсказуемые, в большинстве случаев, последствия. И звук не стал исключением из правил!
Для него действуют те же параметры и показатели, что и для окружающего мира. Изучением этих параметров и показателей занимается наука «Акустика».
Звуковые колебания графически можно представить в виде графика движения тела, которое порождает звук. Если речь идёт о динамике, который воспроизводит звук, то график будет отображать движение диффузора. Если речь о струне, то график колебания струны. Если какой-либо духовой инструмент, то график колебания воздуха внутри трубки инструмента и т. д.
Чтобы описать такое явление, как звук, надо сперва понять – а что мы, собственно, слышим.
- Ну, во-первых – громкость, мы различаем громкие и тихие звуки.
- Во-вторых, звуковысотность, мы различаем звуки из которых складывается мелодия.
- В-третьих, мы воспринимаем изменение громкости отдельных звуков.
- В-четвёртых, мы различаем звук одного инструмента от другого, например, пианино от гитары, слышим их уникальный тембр.
Чтобы понять, как всё это работает, надо представить для себя всю картину.
Рассмотрим график движения диффузора в динамике.
Стоит оговориться, что он не может воспроизвести два звука одновременно, он движется линейно, в определённых пределах.
У движения диффузора есть амплитуда:
Грубо говоря – это расстояние на которое он может отклониться из состояния покоя.
Когда он воспроизводит аудиосигнал, он движется в этих пределах:
При движении он создаёт напряжение в воздухе, то сжимая его, то разряжая поочерёдно. Это воздействие диффузора на воздух, создаёт в воздухе «звуковое давление». Если сила сигнала, приходящего в динамик увеличивается, то амплитуда движения диффузора увеличивается:
Вслед за амплитудой увеличивается и скорость движения диффузора, так как большее расстояние ему нужно пройти за одно и то же время – волна-то одна, амплитуды разные. Так как увеличилась скорость, то, получается, что диффузор быстрее сжимает и разряжает воздух, а если воздух сжимается быстрее, то и давление, которое возникает в воздухе, становится больше. Соответственно, доходя до наших ушей, воздух сильнее раскачивает барабанную перепонку, от этого, возбуждение нервов становится больше и мы воспринимаем, что звук стал громче. Такие вот дела.
Из этого же примера можно заметить, что, не смотря на то, что амплитуда волны увеличилась, временные отрезки для обеих волн одинаковы, это обусловлено «частотой колебания», следующим параметром, который мы можем слышать. По сути, частота колебания – это звуковысотность, именно этот параметр отвечает за то, каким мы слышим звук – высоким или низким. Чем частота больше, тем и звук, который мы слышим, – выше, чем частота меньше, тем и звук ниже.
Частота измеряется в Герцах (Гц).
1 Герц – это одно колебание в секунду.
Порог слышимости человеческого слуха – от 20 до 20000 Гц.
Каждой ноте соответствует определённое количество колебаний. Таким образом, диффузор в динамике, который проигрывает какую-либо музыку раскачивает воздух не только с определённой амплитудой, влияя на громкость, слышимой музыки, но также и с определённой частотой. То есть, он совершает то большее, то меньшее количество колебаний, в зависимости от мелодии. Чтобы хоть немного представить скорость движения динамика, то можно сказать, что ноте «Ля» первой октавы соответствует частота в 440 Гц. То есть, если мы одну секунду будем слышать из динамика ноту «Ля», то за эту самую секунду, динамик совершит 440 колебаний.
Частота звука так же влияет на громкость, но это уже больше относится к разделу «психоакустики», так как затрагивает вопрос восприятия человеком звука. Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что мы воспринимаем высокие частоты громче, чем низкие, если говорить о «звуковом давлении». То есть, если мы возьмём два звука – низкий и высокий и настроим их громкость так, чтобы они создавали одинаковое звуковое давление, то высокий будет казаться гораздо громче.
Следующее, что мы можем различить в звуке – это его ADSR-огибающая. Понятие ADSR больше относится к одиночным звукам и чаще всего к звукам синтезаторов, при цифровом синтезе звука. ADSR – это аббревиатура от английский слов Attack (Атака), Decay (Спад), Sustaine (Звучание)и Release (Затухание). Чуть позже, мы отдельно поговорим об этом подробнее, но сейчас стоит вкратце объяснить, суть. Представьте себе, что вы взяли гитару и дёрнули на ней струну. Сперва,вы услышите, что звук появился очень быстро, буквально сразу (Атака), затем громкость немного уменьшится (Спад), немного подержится (Звучание) и затихнет (Затухание).
В большинстве случаев, под ADSRподразумевают именно данные стадии звукообразования и их настройку. При цифровом синтезе эти параметры задаются в миллисекундах, при игре на инструменте ими управляет исполнитель.
Ещё одним слышимым качеством звука является тембр инструмента и наша способность эти тембры между собой различать.
Тема сложная и будет наиболее полно раскрыта во время нашего обзора различных инструментов. На тембр влияет практически всё, что есть в инструменте, в большей или меньшей мере. Первое и основное – это конечно способ звукообразования. То есть принцип работы инструмента. На скрипке по струнам водят смычком, на гитаре струны дергают, в клавишных по струнам ударяют молоточки, в духовые дуют, в результате, рождается звук инструмента. При этом, для каждого инструмента характерно своё, неповторимое звучание. Так, две гитары не будут звучать одинаково, что-то будет различаться в их звучании, хоть это по-прежнему будет звук гитары.
Это очень интересная тема, которую мы ещё разберём более подробно.
Из самых очевидных звуковых явлений мы всё рассмотрели, остались не очевидные, но о них в другой раз.
