Висота звуку

Висота звуку — це суб'єктивне сприйняття частоти звукового коливання, що стоїть частота, то вище звук:

Однак, оскільки складні (тобто практично всі) звуки можуть складатися з величезної кількості спектральних компонентів - гармонійних коливань різної частоти, не зовсім зрозуміло, про яку саме частоту йдеться. Тому коректніше буде сказати, що як висота звуку ми сприймаємо частоту його найпомітнішого спектрального компонента — основного тону.

При цьому суб'єктивна висота звуку залежатиме не тільки від частоти його основного тону, а й від співвідношення інтенсивності всіх частотних компонентів (тобто тембру), а також від його загальної гучності - при зростанні амплітуди коливань висота звуку, що сприймається, злегка знижується.

Область сприйняття звукових коливань

Умовно вважається (нехтуючи індивідуальними та груповими особливостями), що вухо людини сприймає коливання хвиль частотою від 16 до 20000 Гц (Від 12-24 до 18000-20 000 Гц). Частота коливань вище 20000 Гц належить до ультразвуків, нижче 16 - інфразвуків. У дітей верхня межа слуху вища і сягає 22 000 Гц.

У багатьох тварин верхня межа слуху вища, ніж у людини. Наприклад, у собак вона доходить до 38 000 Гц, у кішок - 70 000, у кажанів - 100 000 Гц.

Основну звукову інформацію людський мозок отримує області частот до 4 кГц. Це виявляється цілком логічним, якщо зважити на те, що всі основні життєво необхідні людині звуки (голоси людей, тварин, шум води, вітру тощо) знаходяться саме в цій спектральній смузі. Частоти вище 4 кГц є допоміжними для людини, що підтверджується багатьма дослідами.Наприклад, можна легко переконатися в тому, що людина майже не здатна розібрати мову та інші природні звуки, якщо з цих звуків "видалити" частоти від 0 до 4 кГц, залишивши лише вищі частотні складові. Одночасно із цим чутність частот вище 4 кГц, як доповнення до основних частот, створює в людини відчуття якіснішого звучання. Тому прийнято вважати, що низькі частоти відповідальні за розбірливість і ясність аудіоінформації, а високі частоти - за суб'єктивну якість звуку.

(тут нижні частоти можуть взагалі не чути — це пов'язані з характеристиками акустичної системи звичайного комп'ютера.)

Сприйняття інфразвуку та ультразвуку

Коли ми говоримо про діапазон сприйманих частот, йдеться саме про здатність слухового апарату. Частоти нижче 20-30 Гц (інфразвук) людина також здатна сприймати, але вже не вухом, а всім тілом, як вібрації.

Що таке звук? Як влаштовано вухо? Що означає герц та децибел? Як влаштовано мікрофон?

Звук. Він оточує нас із самого народження. Після зору він, мабуть, найголовніше, через що ми сприймаємо наш світ. Але що ж це? Яка його природа? За якими законами він живе? Давайте розумітися!

1. Звідки береться звук і чому ми його чуємо?
2. Чому всі звуки різні і що таке частоти та герці, амплітуда та децибели, а також гучність?
3. Як влаштований звукозапис?

1.Із-за наявності у нашої планети атмосфери, наповненої сумішшю газів - повітрям, у нас існує таке поняття як звук. Адже звук – хвилеподібні коливання молекул повітря. При будь-яких таких коливаннях, викликаних чи то бігом людини, бавовною в долоні, гавканням собаки чи ударом по струні гітари, вони вловлюються нашим вухом і сприймаються нами як звуки.Розглянемо цей процес докладніше: наприклад, ми вдарили барабанною паличкою в барабан. Тієї години чутно відповідний звук. Що сталося? Удар викликав різке зміщення молекул повітря, що утворило більший тиск, в порівнянні з загальним тиском навколишнього повітря, яке хвилеподібними коливаннями почало поширюватися в просторі, наче падіння частинок доміно, складених у ряд. Так коливання сягнули молекул повітря, що у нашому зовнішньому вусі. Вушна раковина та зовнішній вушний прохід посилили ці коливання за рахунок своєї форми (це як зал з гарною акустикою, але в нашому тілі), і нарешті, рух молекул передався барабанній перетинці - тонкій мембрані, що ізолює від повітря внутрішню частину вуха, що призвело вже до коливання самої перетинки. Коливання передалося через систему середнього вуха у внутрішнє вухо, а точніше в спеціальний "равлик" - орган, що є спіралеподібним каналом з кісткової тканини, наповнений рідиною і волокнами базилярної мембрани.

Мембрана ділить равлик на два коридори - сходи напередодні та барабанні сходи. Рідина, а саме перилимфа заповнює барабанні сходи, а ендолімфа - сходи передодня. Через ці рідини коливання передалося Кортієву органу, розташованому на базилярній мембрані. Він являє собою скупчення волоскових клітин, що уловлюють коливання, і перетворюють їх вже на нервовий імпульс, що несе інформацію про характер звуку в нервові закінчення, що йдуть у слуховий центр мозку. Найскладніший процес, який відбувається за частки секунди.

2.Ми розібралися з тим, що таке звук і як ми його сприймаємо. Але що його характеризує? І чому всі звуки різні?

У будь-якій звуковій хвилі (тобто коливання молекул у просторі) є кілька властивостей: частота (висота), амплітуда (гучність), довжина (тривалість), а також спектр (тембр). У статті розглядаються лише перші дві, найголовніші властивості.

Частота – кількість хвилеподібних коливань, що відбулися за секунду. Визначає те, що ми називаємо заввишки звуку. Чим більша частота, тим вищий звук. Частота вимірюється у герцах. 1 герц – одне коливання в секунду. Людина здатна приймати звуки від 20 до 20 000 герц. Все що нижче – інфразвук, вище – супер та гіперзвук.

Тут існує залежність - чим більше значення герц, тобто чим частіше відбуваються коливання, тим коротші:

Так, низькі за частотою звукові хвилі триваліші.

Тепер розберемося з амплітудою, яка частково задає те, що ми називаємо гучністю. Амплітуда це величина, що показує, наскільки сильні коливання повітря, тобто на скільки сильний тиск створює звукова хвиля. Ось як виглядають більший і менший за амплітудою звуки:

В останнього амплітуда коливань вище, відповідно кожне коливання створює більший тиск. Відразу уточню – амплітуда та гучність це не одне й теж! Як я вже згадав - амплітуда показує силу тиску, створюваного звуковою хвилею, а гучність це сприйняття нашим вухом цього тиску. Однак не одна амплітуда визначає, чи будемо ми вважати звук гучним, чи тихим. На гучність впливають головним чином частота, а також інші властивості звуку. Амплітуда, що вимірюється в децибелах. Децибел це не лінійна величина, вона показує не силу тиску звуку, а те, у скільки разів цей тиск більший за мінімальний рівень тиску, який може вловити наше вухо.Таким чином додавання 12 децибелів хоч до двох, хоч до ста децибелів збільшує гучність у 4 рази! Тобто додати 12 децибелів до звуку тихого шепоту зовсім не байдуже, що додати 12 децибелів до гучності на концерті Rammstein. І в тому, і в іншому випадку амплітуда, а отже, і гучність збільшиться в 4 рази. Позичив у Вікіпедії шкалу порівняння гучності в децибелах:

5 - майже нічого не чути - тиша серед ночі.

10 - майже не чути - шепіт, цокання годинника.

15 - ледве чутно - шелест листя.

20 – ледь чутно – рівень фону на відкритій місцевості;

25 - муркотання кота на відстані 0,5 м.

30 – тихо – настінний годинник, максимально дозволений шум для джерел постійного шуму, розташованих у житлових приміщеннях, вночі з 21:00 до 7:00.

35 - добре чути - приглушена розмова, тиха бібліотека, шум у ліфті.

40 - добре чутно - тиха розмова, установа (офіс), шум кондиціонера, шум телевізора в сусідній кімнаті.

50 - виразно чути - розмова середньої гучності, тиха вулиця, пральна машина.

60 - помірно галасливо - гучна розмова, норма для контор.

65 - дуже галасливо - гучна розмова на відстані 1 м.

70 — галасливо — гучні розмови з відривом 1 м, шум друкарської машинки, галаслива вулиця, пилосос з відривом 3 м.

75 - шумно - крик, сміх з відстані 1 м, шум у старому залізничному вагоні.

80 - дуже галасливо - гучний будильник на відстані 1 м, крик, мотоцикл з глушником, шум двигуна вантажного автомобіля, що працює, тривалий звук викликає погіршення слуху.

85 - дуже галасливо - гучний крик, мотоцикл з глушником;

90 - дуже галасливо пневматичний відбійний молоток, вантажний вагон з відривом 7 м.

95 - дуже галасливо - вагон метро на відстані 7 м, гучна гра на фортепіано на відстані 1 м;

100 - дуже галасливо - гучний автомобільний сигнал на відстані 5-7 м, ковальський цех, дуже галасливий завод;

110 - дуже шумно - шум працюючого трактора на відстані 1 м, гучна музика, вертоліт;

115 - дуже шумно - піскоструминний апарат на відстані 1 м, м, пневмосигнал для велосипеда;

120 - майже нестерпно - больовий поріг, грім, відбійний молоток, кисневий пальник;

130 - біль - сирена, рекорд найгучнішого крику, мотоцикл (без глушника);

140 – травма внутрішнього вуха – зліт реактивного літака на відстані 25 м, максимальна гучність на рок-концерті;

150 - контузія, травми - реактивний двигун на відстані 30 м, змагання з автомобільних звукових систем, погіршується зір;

160 - шок, травми, можливий розрив барабанної перетинки - постріл з рушниці близько вуха, ударна хвиля від надзвукового літака або від вибуху тиском 0,002 МПа;

165-185 - світлошумова граната [4];

194 - повітряна ударна хвиля тиском 0,1 МПа, що дорівнює атмосферному тиску, можливий розрив легень;

200 - повітряна ударна хвиля тиском 0,2 МПа, можлива швидка смерть;

250 - максимальний тиск повітряної ударної хвилі при вибуху тринітротолуолу - 60 МПа [5];

282 - максимальний тиск повітряної ударної хвилі при ядерному вибуху - 2500 МПа [6];

300 - середній тиск детонації звичайних вибухових речовин - 20000 МПа;

374 - максимальний тиск продуктів реакції в момент ядерного вибуху - 100000000 МПа;

Поговоримо докладніше про гучність. Вище я вже розповів, що гучність це розпізнавання нашим мозком того, наскільки вибачте за тавтологію гучним є звук.При цьому гучність залежить не тільки від амплітуди, але й від частоти. Погляньте на таблицю:

Це так звана крива гучності, вона показує залежність рівня гучності, що вимірюється тут у умовних одиницях тла, від амплітуди та частоти. Якщо ви раптом не зрозуміли, як їй користуватися, наведу довідку: по вертикалі рівень гучності в децибелах, по горизонталі частота в герцах. Вибираєте певну гучність та частоту, і проводите від них уявні лінії. Точка перетину ліній буде рівнем гучності у фоновому режимі. Картинка:

Так, криві гучності показують нам, що звук в 40 дБ і частотою 200 гц сприймається нами в 40 тла, але при цьому звук у ті ж 40 дБ, але частотою 500 гц, сприймається приблизно в 45 тла. Далі більше: 1000 герц - рівень фонів повернувся до 40, 2500 герц - знову 45 фонів, а на 7500 герц впав до 35. Звичайно, всі ці значення взяли не з повітря - крива гучності складена за відчуттями великої кількості людей у ​​віці 18-2 років, яким включали звуки різної амплітуди та частоти.

3.На завершення статті хотілося б згадати про те, як влаштований мікрофон, і яким чином він перетворює звукові хвилі, тобто коливання молекул повітря на електричний сигнал. Існує велика кількість різних типів мікрофонів, що відрізняються за своєю конструкцією та способом роботи. Хотілося б розглянути конденсаторний мікрофон, адже зараз це один із найпоширеніших типів мікрофонів, крім того, звукозапис музики або якогось іншого аудіоматеріалу в студіях завжди здійснюється саме на нього. Відразу представлю схему мікрофона:

Дві сині платівки це конденсатор.Вони не з'єднані між собою, крайня є тонкою плівкою, покритою нікелем з внутрішньої сторони, яка активно коливається під дією звукових хвиль. Вона називається діафрагмою. Друга платівка нерухома. Обидві платівки підключені до електричного ланцюга, в них є струм. При коливанні діафрагми її відстань до другої пластинки змінюється, та її електричні струми діють неї. Таким чином, напруга у другій платівці змінюється в залежності від наближення або віддалення діафрагми. На wavefrom (доріжка, що показує вхідні звукові хвилі при звукозапису в різних аудіоредакторах) показується ні що інше, як сила струму, що йде від мікрофона, і змінюється при зміні напруги, викликаної коливанням діафрагми.

P.S. На рахунок wavefrom - не впевнений, що називається саме так, принаймні в російськомовному середовищі. Буду радий, якщо просунуті звукарі підкажуть:).

Характеристики звуку: властивості, особливості, сприйняття

Звук оточує нас усюди. Але мало хто думає про його дивовижні властивості. Давайте докладно розберемо, що є звуком, які характеристики він має і як сприймається людиною.

У статті докладно розглядаються різні характеристики звуку - його фізичні властивості, особливості поширення, сприйняття людиною. Аналізуються такі важливі параметри як частота, тривалість, інтенсивність, спектр, тембр. Обговорюється застосування звуку в музиці, мовленні та науці. Надаються рекомендації щодо захисту від надмірного шуму.

Поняття звуку

Звук - це фізичне явище, пов'язане з поширенням хвиль у пружному середовищі. Джерелом звуку виступає тіло, що коливається, наприклад струна гітари або мембрана гучномовця.Коливання тіла викликають появу звукових хвиль у навколишньому середовищі – повітрі, воді чи твердих тілах.

Звукові хвилі доходять до органів слуху людини або тварини і сприймаються як звукові відчуття різної висоти та гучності. Таким чином, поняття "звук" може відноситися як до фізичного явища, так і для його суб'єктивного сприйняття.

Види звуків

За своїми характеристиками звуки поділяються на кілька видів:

• Музичні звуки
• Шумові звуки
• Мовні звуки
• Інфразвуки
• Ультразвуки

Музичні звуки мають чітку висоту і відносно постійну амплітуду. Їхніми джерелами є музичні інструменти та співочі голоси.

Шумові звуки немає певної висоти, вони хаотичні за своєю структурою. До шумових відносять звуки природного походження (шелест листя, плескіт хвиль), а також технічні шуми (скрип гальм, гул двигуна).

Мовні звуки утворюються при проголошенні людиною різних фраз. Вони можуть поєднувати як музичні, і шумові компоненти.

Інфразвуки – це звукові коливання з частотою нижче 16-20 Гц. Їхніми джерелами можуть бути природні явища (землетруси, урагани) або техногенні процеси (робота двигунів).

Ультразвуки – високочастотні коливання вище 15-20 кГц. Вони використовуються у техніці, медицині, а також видаються деякими тваринами.

Основні характеристики звуку

Будь-який звук має низку фізичних характеристик, що описують його властивості. Розглянемо основні з них:

Частота

Частота – це кількість повних коливань звукової хвилі за одиницю часу. Частота вимірюється у герцах (Гц) та характеризує висоту звуку. Чим вища частота, тим звук здається вищим.

Так, низькочастотні звуки сприймаються як баси, а високочастотні - як високі, "співучі" тони.

Характеристики звуку

Тривалість звуку визначає час звучання – від початку до повного згасання коливань. Тривалість може становити частки секунди чи хвилини. Вона впливає сприйняття ритму музикою.

Гучність характеризує інтенсивність звуку та залежить від амплітуди коливань. Від гучності залежить, наскільки "тихим" або "гучним" здається звук слухачеві. Вимірюється у децибелах.

Амплітуда - це величина відхилення коливається частки від положення рівноваги. Від амплітуди залежить гучність звуку.

Спектр звуку є розкладання складного коливання на окремі гармонійні складові різної частоти. Від діапазону залежить тембр звуку.

Інтенсивність звуку визначає потік енергії, що переноситься звуковою хвилею. Інтенсивність тісно пов'язана із гучністю звуку.

Тембр - це якісна характеристика звуку, що дозволяє розрізняти звуки однакової висоти, виконані різних інструментах.

Швидкість розповсюдження звуку

Важливою характеристикою звуку є його поширення. Вона залежить від пружних властивостей середовища проживання і може сильно відрізнятися.

У газах швидкість звуку відносно невисока становить приблизно 340 м/сек для повітря. У рідинах вона значно більша, досягаючи 1500 м/сек у воді. У твердих тілах швидкість звуку може становити 5000 м/с і вище.

Швидкість звуку v обчислюється за такою формулою:

де K - модуль об'ємного стиснення середовища, - щільність середовища.

Особливості сприйняття людиною

Людський слух здатний вловлювати звукові коливання в діапазоні приблизно 20 – 20000 Гц. Верхня межа (поріг чутності) із віком знижується.У людей похилого віку вона може опускатися до 12-14 кГц.

При дуже високих рівнях звукового тиску виникає поріг болючого відчуття. Його значення також залежить від частоти.

На сприйняття гучності та висоти звуку людиною впливають також тембр, тривалість, спрямованість та інші характеристики.

Звук у музиці та мовленні

У музичних творах використовуються різноманітні звуки – вокальні та інструментальні. Композитори враховують властивості звуку, щоб досягти потрібного емоційного впливу.

У промові звуки людського голосу несуть смислове навантаження. Відтінки вимови дозволяють передавати різні емоційні стани.

Застосування звуку в науці та техніці

Цікаві особливості звуку активно використовуються у наукових дослідженнях та інженерних розробках:

• Ультразвук у медичній візуалізації
• Інфразвук для вивчення стихійних лих
• Акустичні методи контролю матеріалів
• Звукові сигнали в радіозв'язку

Шкідливий вплив шуму

Неконтрольовані шуми негативно впливають на здоров'я людини. Постійна дія сильного шуму призводить до стресу, порушень сну, ослаблення імунітету.

Особливо шкідливі раптові гучні звуки, різкі плескання, скрегіт. Вони можуть спричинити переляк, головний біль, навіть інфаркт.

Способи захисту від шуму

Для захисту від надлишкового шуму використовуються як індивідуальні, так і колективні засоби. До індивідуальних належать беруші, навушники, спеціальні каски та шоломи. Вони глушать чи пригнічують сторонні звуки.

Для колективного захисту використовується звукоізоляція та звукопоглинання у приміщеннях, встановлення глушників шуму на виробництві. Ефект досягається застосуванням спеціальних акустичних матеріалів та конструкцій.

Звукоізоляція приміщень

Звукоізоляція офісів, квартир, студій необхідна для створення комфортних умов роботи та відпочинку. Застосовуються різні способи:

• Установка багатошарових перегородок
• Використання плаваючих підлог
• Утеплення та герметизація вікон
• Облицювання стін звукопоглинаючою панеллю

Звукоізоляція дозволяє знизити рівень шуму із сусідніх приміщень на 15-50 Дб.

Глушники шуму двигунів

Для придушення шуму від роботи двигунів на транспорті та промислових установках використовуються спеціальні глушники – резонатори та абсорбери.

У резонаторах відбувається гасіння звукової енергії з допомогою інтерференції хвиль. Абсорбери поглинають звук, перетворюючи його енергію на тепло. Комбінація цих методів дозволяє ефективно придушувати шум вихлопу автомобілів та промислового обладнання.

Використання ультразвуку в медицині

Ультразвук активно застосовується у сучасній медичній діагностиці завдяки своїй безпеці та інформативності. Основні напрямки використання:

• Ультразвукове дослідження внутрішніх органів
• Доплерівське сканування кровотоку
• Контроль стану плода при вагітності
• Моніторинг загоєння переломів

Крім діагностики ультразвук застосовують для лікування низки захворювань. Метод називається ультразвукова терапія.

Інфразвук та вивчення стихійних лих

Низькочастотний інфразвук дозволяє завчасно виявляти природні катастрофи - виверження вулканів, цунамі, смерчі. Для цього використовуються спеціальні інфразвукові датчики.

Аналіз інфразвукових коливань від землетрусів, ураганів і штормів дає інформацію про їхню силу та осередок виникнення. Це важливо для запобігання людським жертвам.

Акустичні методи дослідження матеріалів

Пружні властивості матеріалів, наявність у них дефектів можна визначити за допомогою акустичних методів контролю, що не руйнує:

• Вимірювання швидкості та ослаблення ультразвуку
• Акустична емісія
• Контроль методом акустичного резонансу

Ці методи широко застосовуються для діагностики зварних з'єднань, залізобетонних виробів, композитних матеріалів. Дозволяють виявляти приховані дефекти на ранній стадії.

Звукові сигнали в радіозв'язку

Найважливішу роль звук відіграє радіозв'язку. Голосові повідомлення, що передаються, є звуковими коливаннями, модульованими на несучій радіочастоті. На приймальній стороні відбувається демодуляція та відновлення звуку.

Крім промови, радіоканалами можуть передаватися музика і різні звукові сигнали. Для якісної передачі звуку радіозв'язку важливі такі характеристики, як лінійність амплітудно-частотної характеристики тракту і відношення сигнал/шум.

Вплив середовища на поширення звуку

Характеристики звукового поля суттєво залежать від властивостей довкілля. Розглянемо деякі ефекти:

• Відбиття від перешкод (луна)
• Поглинання звукової енергії середовищем
• Дифракція та інтерференція хвиль
• Резонанс у порожнинах та обсягах

Врахування особливостей середовища поширення необхідне при проектуванні концертних залів, студій звукозапису, систем оповіщення на відкритому повітрі.

Психоакустичні ефекти

Сприйняття звуків людиною який завжди можна пояснити лише фізичними характеристиками. Існують психоакустичні ефекти:

• Маскування слабкого звуку сильнішим
• Компресія гучності зі збільшенням інтенсивності
• Залежність гучності від тривалості звуку

Ці ефекти використовуються, наприклад, при стисненні звуку без втрати якості, що сприймається в MP3-плеєрах.

Музичні інструменти та їх звучання

Велика різноманітність музичних інструментів забезпечує широкий діапазон створюваних ними звуків. Розглянемо деякі групи:

• Струнні (гітара, скрипка) - звук утворюється коливаннями струн
• Духові (флейта, труба) - джерелом звуку є струмінь повітря
• Ударні (літаври, тарілки) - звук виникає при ударі по мембрані чи пластині
• Клавішні (рояль, синтезатор) – від удару молоточка або електричного сигналу

Конструктивні особливості інструментів визначають характер звучання – тембр, гучність, висоту звуку. Мистецтво музиканта полягає у вмілому використанні цих можливостей.

Розвиток методів аналізу та синтезу звуку

Сучасні цифрові технології відкривають нові горизонти для дослідження та перетворення звуку:

• Комп'ютерний аналіз властивостей мови та музики
• Моделювання віртуальних інструментів
• Синтез реалістичних звукових ефектів
• Автоматичне розпізнавання музичних творів

У майбутньому методи обробки звуку удосконалюватимуться з використанням технологій штучного інтелекту та машинного навчання.

Тепер ви знаєте, що звук – це фізичне явище, пов'язане з поширенням хвиль у пружному середовищі. Джерелом звуку виступає тіло, що коливається, наприклад струна гітари або мембрана гучномовця. Коливання тіла викликають появу звукових хвиль у навколишньому середовищі – повітрі, воді чи твердих тілах. Звукові хвилі доходять до органів слуху людини або тварини і сприймаються як звукові відчуття різної висоти та гучності. Таким чином, поняття "звук" може відноситися як до фізичного явища, так і для його суб'єктивного сприйняття.