На сайте мы обсудим особенности музыки как совокупности акустических сигналов; обладающих специфическими признаками и оказывающими особое воздействие на человека. Рассматриваются физические, т. е. объективные, характеристики музыкальных сигналов и их психоэмоциональные, т. е. субъективные, параметры. В результате формулируется своеобразное «техническое задание» на разработку идеального усилителя, который способен удовлетворить и «объективистов», и «субъективистов».
Что такое звук?
Ощущение звука есть особое, своеобразное ощущение, не сравнимое ни с каким другим из наших ощущений. Лорд Рэлей, Теория звука, 1877 г.
Звук — это распространяющиеся в виде волн упругие колебания в газе, жидкости или твердом теле, слышимые человеком. Частотный диапазон звуковых колебаний составляет 16—20000 Гц. Колебания с частотой ниже 16 Гц называют инфразвуковыми, с частотой выше 20 кГц — ультразвуковыми колебаниями. Напомним, что частота f равна числу колебаний в единицу времени (секунду) и обратно пропорциональна периоду колебаний Т, измеряемому в единицах времени (секундах), f= 1/Т.
Например, если период колебаний равен 1 секунде, то частота равна 1 Гц (герц), а если период колебаний равен 1 мс (миллисекунда), то частота колебаний равна 1 кГц (1 килогерц).
Звуковые колебания в газах и жидкостях являются продольными (направление колебаний сжатия-разрежения параллельно направлению распространения фронта волны). В твердых телах существуют также поперечные колебания (направление колебаний сдвига перпендикулярно направлению движения фронта волны).
Звук воспринимается человеком при помощи уха и мозга. Наружное ухо, состоящее из ушной раковины и слухового канала, улавливает колебания воздуха и передает их на барабанную перепонку. Механические колебания барабанной перепонки усиливаются в среднем ухе цепью сочлененных маленьких костей (молоточек, наковальня, стремечко) и передаются во внутреннее ухо, где имеется спиралевидная полость — улитка, переходящая в слуховой нерв.
Слуховыми рецепторами являются волосковые клетки, расположенные внутри улитки. Они превращают механическую энергию колебаний в электрический сигнал, поступающий в мозг по слуховому нерву. Внутреннее ухо также содержит рецепторы вестибулярного аппарата, подающие в мозг статические сигналы, связанные с положением тела, и динамические сигналы, связанные с ускорением.
Основными физическими характеристиками звука являются:
- интенсивность, определяющая мощность в расчете на единичную площадь (Вт/м²);
- спектральный состав — распределение мощности по частоте.
По слуховому восприятию частота звука воспринимается как его высота (тон), а интенсивность — как громкость (амплитуда). Диапазон чувствительности человеческого органа слуха по интенсивности весьма широк — от 10−12 Вт/м² (порог слышимости) до 1 Вт/м² (болевой порог).
Соответствующий диапазон звукового давления составляет 10−5—10−7 Па. Используемые в звуковоспроизводящей аппаратуре уровни электрической мощности порядка 10—100 Вт при озвучивании помещений площадью 20—50 м² обусловлены низкой эффективностью электроакустических преобразователей (громкоговорителей), а также необходимостью иметь запас мощности для компенсации пониженной чувствительности человеческого слуха на очень низких частотах.
Воспринимаемый человеком уровень громкости пропорционален логарифму величины звукового давления. Поэтому силу звука I (уровень звукового давления Р) измеряют в децибелах (дБ): I = 10 lg(P/P0), где Р0 = 2*10−5Па — звуковое давление, условно принятое за нулевой уровень. Например, уровень звукового давления в 20 дБ соответствует 100-кратному превышению значения Р0.
Громкость симфонического оркестра доходит до уровня 110 дБ, а его динамический диапазон (отношение самого высокого уровня звукового давления Рmax к самому низкому Pmin, выраженное в децибелах, т. е. 10lg(Pmax/Pmin)) достигает 75 дБ.
Кривые равной громкости
Чувствительность уха максимальна в области частот 3—4 кГц и уменьшается на более низких и более высоких частотах. Неравномерность чувствительности растет с уменьшением громкости, поэтому при звуковоспроизведении на низких уровнях громкости часто используют коррекцию амплитудно-частотной характеристики звуковоспроизводящего тракта — т. н. тонкомпснсацию.
Зависимость чувствительности уха от частоты и уровня звукового давления характеризуют набором кривых равной громкости (рис. 1.1), которые показывают, насколько должен отличаться уровень звукового давления на данной частоте для субъективного восприятия с громкостью, равной громкости источника звука с частотой 1 кГц.
В соответствии с ослаблением чувствительности слуха на краях звукового диапазона, кривые равной громкости испытывают подъем по сравнению с частотой 1 кГц. Скорость звука в воздухе составляет ѵ = 330 м/с. Длина волны λ равна произведению скорости звука на период колебаний, λ = v Т = v/f Иными словами, длина волны — это расстояние, проходимое волной за один период колебаний. Длина звуковых волн составляет в воздухе от 20,6 м (16 Гц) до 1,65 см (20 кГц). В жидкостях скорость звука выше, чем в газах, в твердых телах — выше, чем в жидкостях. Например, в воде скорость звука равна 1490 м/с, а в металлах может достигать 5000 м/с.
