Краткие сведения из физической и физиологической акустики.

Звук и его виды

Адекватным раздражителем слухового анализатора является звук, который представляет собой колебательные движения среды (воздуха, воды, почвы и пр.). В звуке, как и во всяком колебательном движении, различают амплитуду — размах колебаний, период — время, в течение которого совершается полное колебательное движение, и частоту — число полных колебаний в 1 с.

Источником звука является колеблющееся тело. В силу упругости, присущей любому веществу, любой среде, колебания, возникающие в одном месте, передаются на соседние участки, причем возникают уплотнения и разрежения среды. Эти уплотнения и разрежения распространяются во все стороны с определенной скоростью, зависящей от величины упругости и плотности среды. Так возникают звуковые волны, состоящие из чередующихся друг с другом уплотнений и разрежений среды (рис. 15).

Рис. 15. Распространение звуковой волны

Одинаковые состояния колеблющейся среды, т. е. сгущения, разрежения и все промежуточные состояния, называют фазами звуковой волны. Расстояние между одинаковыми фазами называют длиной волны. Скорость распространения звуковой волны неодинакова в различных средах. Так, например, в воздухе при 0°С она равна 332 м/с, а в воде — 1450 м/с. С повышением температуры скорость звука в воздухе увеличивается и, например, при 16° С равна уже 340 м/с.

По характеру колебательных движений звуки делятся на две группы — тоны и шумы. Если колебание совершается ритмично, т. е. через определенные промежутки времени повторяются одинаковые фазы звуковой волны, то образующийся при этом звук воспринимается как музыкальный тон.

Простейший вид тона — гармоническое колебание, так называемый чистый тон. Закон, по которому происходит это колебание, т. е. изменение амплитуды данного колебания во времени, графически изображается синусоидой, поэтому такие колебания называются иначе синусоидальными (рис. 16). Примером чистого тона может служить звук камертона. Другую группу звуков составляют шумы. К шумам относят такие звуки, как скрип, стук, крик, гул, вой, шорох и т. п. Шумы представляют собой совокупность беспорядочных (хаотических) колебаний, не связанных между собой какой-либо правильной числовой зависимостью, которая характерна для гармонических колебаний, входящих в состав музыкальных звуков.

Рис. 16. Графическое изображение гармонического колебания (синусоида)

Свойства звука

В звуке различают три основных свойства: силу, высоту и тембр.

Сила звука зависит от величины амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда, т. е. чем шире размах колебаний, тем звук сильнее, и, наоборот, чем меньше размах, тем меньше сила звука. Амплитуда колебаний ветвей звучащего камертона постепенно уменьшается, уменьшается размах колебаний частиц окружающей среды (воздуха) и соответственно — сила звука камертона. Сила звука определяется величиной давления, которое производит звуковая волна на единицу поверхности. Звуковое давление (как и атмосферное) измеряется в паскалях (Па), показывающих, какая сила в ньютонах (Н) действует на площадь в квадратных метрах (м2). Давление в 1 Па=1Н/1м2. Давление в 1 атмосферу (атм.) приблизительно составляет 105 паскалей (Па), т. е. 100 000 Па.

На практике оказывается более удобным измерять силу звука не в абсолютных, а в относительных единицах. При этом определяют величину отношения данной силы звука к силе звука, условно принятой за нулевую, т. е. за уровень отсчета. Это отношение часто выражается огромными цифрами, поэтому пользуются его логарифмом, величина которого обозначается в белах. Обычно применяется единица в десять раз меньшая — децибел (дБ). Если, например, говорят, что сила звука равна 30 дБ, то это значит, что отношение данной силы к силе, условно принятой за нулевую, равно 103, т. е. 1000, или, другими словами, данная сила звука в 1000 раз больше нулевой. Соответственно при 10 дБ это отношение будет равно 101 т. е. данная сила звука в 10 раз больше нулевой, а при 50 дБ величина отношения равна 105, или 100 000.

Вообще, для того чтобы, зная число децибел, определить величину отношения данной силы звука к нулевому уровню, нужно число децибел разделить на 10 и возвести в 10-ю степень, равную полученному частному. Таблица 1 дает конкретное представление об уровне интенсивности некоторых звуков в децибелах.

Высота звука зависит от частоты колебаний звучащего тела и измеряется числом полных колебаний в секунду. Звуки с малым числом колебаний в секунду (до 200—300) называют низкими, с большим числом колебаний (выше 2000) — высокими. Число колебаний в секунду обозначается сокращенно Гц (герц — по имени физика Герца).

Тембр звука. Тембром, или окраской, звука называют то его свойство, благодаря которому можно отличить друг от друга одинаковые по интенсивности и по высоте звуки, издаваемые разными источниками.

Таблица 1. Уровень интенсивности разных звуков

Если взять одну и ту же ноту с одной и той же силой на скрипке, на рояле, на трубе, в каждом случае получается свой характерный звук. Ни по высоте, ни по силе эти звуки не отличаются друг от друга, но они разнятся своим оттенком, своей окраской, или, как говорят, своим тембром.

В природе чистые тоны почти не встречаются. Все звуки, в том числе музыкальные, состоят из ряда простых звуков. В музыкальных звуках различают основной тон, высота которого зависит от основной частоты колебаний источника звука (струны, голосовых складок), и ряд добавочных тонов, или обертонов, число колебаний которых относится к частоте основного тона как 2:1, 3:1, 4:1 и т. д. Обертоны и придают звукам тембровую окраску.

Количество и относительная сила входящих в состав того или иного звука обертонов зависят в основном от величины и формы резонаторов, участвующих в образовании данного звука. Именно поэтому мы различаем по тембру звуки, издаваемые различными музыкальными инструментами, и голоса людей.

Громкость звука. В то время как сила звука является его физическим свойством, громкостью звука обозначают интенсивность слухового ощущения. Будучи, как и всякое ощущение, отражением внешней реальности, в данном случае отражением объективной силы звука, громкость нарастает с увеличением силы звука и, наоборот, убывает с ее уменьшением. Однако здесь нужно учесть некоторые важные особенности, характеризующие соотношение силы и громкости звуков. Во-первых, громкость, как и всякое другое ощущение, нарастает и падает значительно слабее, чем интенсивность раздражителя, т. е. в данном случае слабее, чем интенсивность звука. Так, например, установлено, что увеличение интенсивности звука на 10 дБ, т. е. в 10 раз, сопровождается увеличением громкости лишь в 2 раза. Во-вторых, чувствительность нашего слуха к звукам разной высоты неодинакова, вследствие чего звуки одинаковой интенсивности, но разной высоты ощущаются нами с разной громкостью. Наконец, в-третьих, необходимо отметить, что ощущение громкости зависит от состояния слухового анализатора и от общего состояния нервной системы. Звуки, которые в нормальных условиях воспринимаются как средние по громкости, при повышенной возбудимости нервной системы могут стать чрезвычайно громкими.

Человек обладает способностью непосредственно оценивать громкость звуков. Примером практического измерения громкости являются известные музыкальные обозначения (латинскими буквами): пиано-пианиссимо (ррр), пианиссимо (рр), пиано (р), меццо-пиано (mр), меццо-форте (mf), форте (f), фортиссимо (ff) и форте-фортиссимо (fff).

Каждая последующая ступень оценивается приблизительно в два раза громче, чем предыдущая. Большинство людей могут довольно точно определять удвоение громкости звука и уменьшение громкости в два раза. Исследование этой способности используется для характеристики состояния функции коркового отдела слухового анализатора.

Распространение звука в среде

Дифракция звука. Выше было указано, что звуковая волна, возникшая в определенном месте, распространяется с определенной скоростью во все стороны. Однако свободному распространению звуков обычно мешает целый ряд препятствий, в том числе голова самого человека, воспринимающего звуки. Так возникает дифракция звука, т. е. огибание им препятствий. Низкие звуки, обладающие большей длиной волны, лучше огибают препятствия, чем высокие, поэтому если за стеной или за домом играет оркестр, то звуки низких труб лучше слышны, чем звуки флейт. То же самое происходит, когда оркестр заворачивает за угол: сначала исчезают звуки флейт и кларнетов, а последними — звуки басовых труб и барабана.

Реверберация. В закрытом помещении происходит многократное отражение звуковых волн стенами. Это явление называют реверберацией.

Сильная реверберация сообщает излишнюю гулкость помещению. Поэтому для уменьшения отражения звуков стены обивают материей, вешают занавеси, на пол стелят ковры, что способствует частичному поглощению звуков.

Однако при чрезмерном уменьшении реверберации акустические качества помещения ухудшаются: звуки быстро гаснут, становятся как бы бледными, тусклыми. Особым устройством источника звука или приданием особой формы помещению, в котором распространяется звук, последний может быть сделан направленным. Примером такого направления звука является применение рупоров, переговорных трубок, устройство эстрадных «раковин» и т. д.

Резонанс. Если в поле звучания какого-либо источника звука попадает другой способный звучать предмет, то он может стать вторичным излучателем звука, или резонатором; это явление называют резонансом. Резонанс бывает особенно резко выраженным, или, как говорят, острым, когда резонатор настроен одинаково (в унисон) с первичным источником звука, т. е. когда период собственных колебаний резонатора и период колебаний звучащего тела одинаковы. Так, например, если открыть крышку рояля, нажать педаль и пропеть над струнами какой-либо тон, то начнет звучать струна, настроенная на тот же самый тон.

Обычно резонатором называют полое тело той или иной формы и объема с отверстием определенной величины. Воздух, заключенный в этом полом теле, имеет свой собственный тон, высота которого зависит от объема резонатора и величины его отверстия. Если к нему приблизить звучащий камертон, настроенный одинаково с собственным тоном резонатора, то воздушная масса придет в соколе-бание и значительно усилит звук камертона.

Звуки речи

Из всех звуков окружающего мира наибольшее значение для человека имеют звуки речи. С акустической точки зрения речь представляет собой поток различных звуков, прерывающийся паузами разной длительности. Особенности звуков речи определяются различием их акустических свойств: высоты, силы, тембра и длительности. Разнообразное сочетание этих свойств звуков речи является той материальной основой, которая служит для выражения мысли.

Звуки речи делятся на две основные группы — гласные и согласные. Гласные являются тоновыми звуками, согласные — преимущественно шумовыми.

Гласные звуки. Различие между отдельными гласными определяется характерными для каждого гласного формантами. Форманты представляют собой отдельные усиленные области частот, составляющих сложный спектр звуков речи. Так, например, гласный звук а независимо от своего основного тона, т. е. независимо от того, на какой высоте голоса он произнесен, имеет характерную для этого звука форманту, охватывающую область от 1000 до 1400 Гц.

Таблица 2. Форматный состав гласных звуков

Из приведенной таблицы 2 видно, что гласные у, ы, о характеризуются низкими формантами (от 200 до 800), а гласные э, и — высокими (от 1500 до 4200), для гласного же а характерны форманты средней частоты (от 1000 до 1400), так что звуки у, ы, о можно условно считать «низкими», в то время как и, э являются «высокими» звуками.

Из этой же таблицы видно, что гласные ы, э имеют, кроме основных формант, добавочные формантные области, отличающиеся от основных меньшей интенсивностью.

Согласные звуки также обладают определенными акустическими характеристиками, но значительно более сложными. Звуковой анализ звонких согласных, например б, в, з, ж и др., показывает наряду с периодическими колебаниями, соответствующими тону голосовых связок, наличие в составе этих звуков непериодических колебаний высокой частоты, не гармоничных по отношению к основному тону. Что касается глухих согласных, например п, ш, ц и др., то в их состав входят только непериодические колебания разной частоты. Согласные л, м, н обладают почти правильной периодичностью. Для р характерны биения звука с частотой около 20 колебаний в секунду (соответственно частоте вибраций языка) и форманта в области от 200 то 1500 Гц. Согласный ш имеет высокую форманту в области от 1200 до 6300 Гц, а согласный с — еще более высокую характеристическую область — от 4200 до 8600 Гц. Нужно отметить, что звуковой спектр согласных настолько сложен, что вопрос о физической природе этих звуков не может считаться окончательно разрешенным.

Если в силу каких-либо причин устраняются или ослабляются форманты, характеризующие речевые звуки, то речь становится неразборчивой, даже если она обладает достаточной громкостью. Такое устранение и ослабление формант служит причиной неразборчивости речи при несовершенной радиопередаче и при пользовании низкокачественной звукоусиливающей аппаратурой.

Снижение разборчивости речи за счет устранения высоких формант отмечается также при некоторых формах тугоухости, когда нарушается восприятие высоких тонов.