Лабораторная работа № 6. Звукозапись. Основы записи-воспроизведения звука.

1. Цель работы

Изучить основы теории записи-воспроизведения звука, основные характеристики звука, способы преобразования звука, устройство и особенности применения аппаратуры для преобразования и усиления звука, получить навыки их практического применения.

2. Теоретическая справка

Звукомназывается колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой среде, которые, воздействуя на слуховой анализатор человека, вызывают слуховые ощущения. Источником звука является колеблющееся тело, например: колебания струны, вибрация камертона, движение диффузора громкоговорителя и др.

Звуковой волнойназывается процесс направленного распространения колебаний упругой среды от источника звука. Область пространства, в которой распространяется звуковая волна, называется звуковым полем. Звуковая волна представляет собой чередование сжатий и разряжений воздуха. В области сжатия давление воздуха превышает атмосферное, в области разряжения – меньше его. Переменная часть атмосферного давления называется звуковым давлениемР. Единица измерения звукового давления – Паскаль (Па) (Па=Н/м²). Колебания, имеющие синусоидальную форму (рис. 1), называются гармоническими. Если излучающее звук тело колеблется по синусоидальному закону, то звуковое давление также изменяется по синусоидальному закону. Известно, что любое сложное колебание можно представить как сумму простых гармонических колебаний. Совокупности значений амплитуд и частот этих гармонических колебаний называются соответственноспектром амплитудиспектром частот.

Колебательное движение частиц воздуха в звуковой волне характеризуется рядом параметров:

Период колебания (Т), наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебательное движение, за это время совершается одно полное колебание. Период колебания измеряется в секундах (с).

Частота колебаний(f),число полных колебаний в единицу времени.

где: f– частота колебаний;Т– период колебаний.

Единица измерения частоты – герц (Гц) – одно полное колебание в секунду (1кГц= 1000Гц).

Рис. 1. Простое гармоническое колебание: А – амплитуда колебания, Т – период колебания

Длина волны (λ), расстояние, на котором укладывается один период колебания. Длина волны измеряется в метрах (м). Длина волны и частота колебания связаны соотношением:

где с– скорость распространения звука.

Амплитуда колебаний(А), наибольшее отклонение колеблющейся величины от состояния покоя.

Фаза колебания.

Представим себе окружность, длина которой равна расстоянию между точками А и Ε (рис. 2), или длине волны на определенной частоте. По мере «вращения» этой окружности ее радиальная линия в каждом отдельно взятом месте синусоиды будет находиться на определенном угловом расстоянии от начальной точки, что и будет значением фазы в каждой такой точке. Фазу измеряют в градусах.

Звуковая волна при столкновении с поверхностью частично отражается под тем же углом, под которым падает на эту поверхность, ее фаза при этом не изменяется. На рис. 3 проиллюстрирован фазовая зависимость отраженных волн.

Рис. 2. Синусоидальная волна: амплитуда и фаза. Если длина окружности равна длине волны на определенной частоте (расстояние от А до Е), то по мере вращения, радиальная линия этой окружности, будет показывать угол, соответствующий значению фазы синусоиды в конкретной точке

Рис. 3. Фазовая зависимость отраженных волн. Звуковые волны разных частот, излучаемые источником звука с одной и той же фазой, после прохождения одинакового расстояния достигают поверхности с разной фазой

Звуковая волна способна огибать препятствия, если ее длина больше размеров препятствия. Это явление называется дифракцией. Дифракция особенно заметна на низкочастотных колебаниях, имеющих значительную длину волны.

Если две звуковых волны имеют одинаковую частоту, то они взаимодействуют между собой. Процесс взаимодействия называется интерференцией. При взаимодействии синфазных (совпадающих по фазе) колебаний происходит усиление звуковой волны. В случае взаимодействия противофазных колебаний результирующая звуковая волна слабеет (рис. 4). Звуковые волны, частоты которых значительно отличаются друг от друга, не взаимодействуют между собой.

Рис. 4. Взаимодействие колебаний, находящихся в фазе (а) и в противофазе (б): 1, 2 – взаимодействующие колебания, 3 – результирующие колебания

Звуковые колебания могут быть затухающими и незатухающими. Амплитуда затухающих колебаний постепенно уменьшается. Примером затухающих колебаний может служить звук, возникающий при однократном возбуждении струны или ударе гонга. Причиной затухания колебаний струны является трение струны о воздух, а также трение между частицами колеблющейся струны. Незатухающие колебания могут существовать, если потери на трение компенсируются притоком энергии извне. Примером незатухающих колебаний являются колебания чашечки школьного звонка. Пока нажата кнопка включения, в звонке существуют незатухающие колебания. После прекращения подвода энергии к звонку колебания затухают.

Распространяясь в помещении от своего источника, звуковая волна переносит энергию, расширяется до тех пор, пока не достигнет граничных поверхностей этого помещения: стен, пола, потолка и т.д. Распространение звуковых волн сопровождается уменьшением их интенсивности. Это происходит из-за потерь звуковой энергии на преодоление трения между частицами воздуха. Кроме того, распространяясь во все стороны от источника, волна охватывает все большую область пространства, что приводит к уменьшению количества звуковой энергии на единицу площади, с каждым удвоением расстояния от сферического источника сила колебаний частиц воздуха падает на 6 дБ (в четыре раза по мощности) (рис. 5).

Рис. 5. Энергия сферической звуковой волны распределяется на все возрастающую площадь волнового фронта, благодаря чему звуковое давление теряет 6 дБ с каждым удвоением расстояния от источника

Встречая на своем пути препятствие, часть энергии звуковой волны проходитсквозь стены, частьпоглощаетсявнутри стен, а частьотражаетсяобратно внутрь помещения. Энергия отраженной и поглощенной звуковой волны в сумме равна энергии падающей звуковой волны. В разной степени все три вида распределения звуковой энергии присутствуют практически во всех случаях (рис. 6).

Рис. 6. Отражение и поглощение звуковой энергии

Отраженная звуковая волна, потеряв часть энергии, изменит направление и будет распространяться до тех пор, пока не достигнет других поверхностей помещения, от которых она снова отразится, потеряв при этом еще часть энергии, и т.д. Так будет продолжаться до тех пор, пока энергия звуковой волны окончательно не угаснет.

Отражение звуковой волны происходит по законам геометрической оптики. Хорошо отражают звук вещества большой плотности (бетон, металл и др.). Поглощение звуковой волны объясняется несколькими причинами. Звуковая волна расходует свою энергию на колебания самого препятствия и на колебания воздуха в порах поверхностного слоя препятствия. Отсюда следует, что пористые материалы (войлок, поролон и др.) сильно поглощают звук. В помещении, заполненном зрителями, звукопоглощение больше, чем в пустом. Степень отражения и поглощения звука веществом характеризуется коэффициентами отражения и поглощения. Эти коэффициенты могут иметь величину от нуля до единицы. Коэффициент, равный единице, указывает на идеальное отражение или поглощение звука.

Если источник звука находится в помещении, то к слушателю поступает не только прямая, но и отраженная от различных поверхностей звуковая энергия. Громкость звука в помещении зависит от мощности источника звука и количества звукопоглощающего материала. Чем больше звукопоглощающего материала размещено в помещении, тем меньше громкость звука.

После выключения источника звука за счет отражений звуковой энергии от различных поверхностей в течение некоторого времени существует звуковое поле. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника называется реверберацией.Длительность реверберации характеризуется т.н.временем реверберации, т.е. временем, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 10⁶раз, а его уровень на 60 дБ. Например, если звучание оркестра в концертном зале достигает уровня в 100 дБ при уровне фонового шума около 40 дБ, то финальные аккорды оркестра при затухании растворятся в шуме при падении их уровня примерно на 60 дБ. Время реверберации – важнейший фактор, определяющий акустическое качество помещения. Оно тем больше, чем больше объем помещения и чем меньше поглощение на ограничивающих поверхностях.

Величина времени реверберации влияет на степень разборчивости речи и качество звучания музыки. Если время реверберации излишне велико, то речь становится неразборчивой. При слишком малом времени реверберации речь разборчива, но звучание музыки становится неестественным. Оптимальное время реверберации в зависимости от объема помещения составляет около 1–2 с.

Основные характеристики звука.

Скорость звукав воздухе равняется 332,5 м/с при 0°С. При комнатной температуре (20°С) скорость звука составляет около 340 м/с. Скорость звука обозначается символом «с».

Частота. Звуки, воспринимаемые слуховым анализатором человека, образуют диапазон звуковых частот. Принято считать, что этот диапазон ограничен частотами от 16 до 20000 Гц. Эти границы весьма условны, что связано с индивидуальными особенностями слуха людей, возрастными изменениями чувствительности слухового анализатора и методом регистрации слуховых ощущений. Человек может различить изменение частоты на 0,3% на частоте порядка 1 кГц.

Физическое понятие звука охватывает как слышимые, так и неслышимые частоты колебаний. Звуковые волны с частотой ниже 16 Гц условно называют инфразвуком, выше 20 кГц – ультразвуком.Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена – в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли Гц.

Звуковой диапазон условно разделен на несколько более узких диапазонов (табл. 1).

Таблица 1

Диапазон звуковых частот условно разбит на поддиапазоны

Наименование диапазона	Частотный диапазон
Инфразвуковой	0 – 20 Гц
Очень низких частот	15 – 50 Гц
Низких частот	20 – 250 Гц
Низких средних частот	200 – 500 Гц
Средних частот	250 – 5 кГц
Верхних средних частот	2 – 6 кГц
Высоких частот	5 – 20 кГц
Очень высоких частот	15 – 25 кГц
Ультразвуковой	20 кГц – ¥

Интенсивность звука (Вт/м²) определяется количеством энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Ухо человека воспринимает звук в весьма широком интервале интенсивности: от самых слабых слышимых звуков до самых громких, например создаваемых двигателем реактивного самолета.

Минимальная интенсивность звука, при которой возникает слуховое ощущение, называется порогом слухового восприятия. Он зависит от частоты звука (рис. 7). Наибольшей чувствительностью к звуку человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1 до 5 кГц, соответственно и порог слухового восприятия здесь имеет наименьшее значение 10^-12 Вт/м². Эта величина принята за нулевой уровень слышимости. При действии шумов и др. звуковых раздражений порог слышимости для данного звука повышается (Маскировка звука – физиологический феномен, заключающийся в том, что при одновременном восприятии двух или нескольких звуков разной громкости более тихие звуки перестают быть слышимыми), причем повышенное значение сохраняется некоторое время после прекращения действия мешающего фактора, а затем постепенно возвращается к исходному уровню. У разных людей и у одних и тех же лиц в разное время порог слышимости может различаться в зависимости от возраста, физиологического состояния, тренированности.

Рис. 7. Частотная зависимость стандартного порога слышимости синусоидального сигнала

Звуки высокой интенсивности вызывают ощущение давящей боли в ушах. Минимальная интенсивность звука, при которой возникает ощущение давящей боли в ушах (~10 Вт/м²), называется порогом болевого ощущения. Так же как и порог слухового восприятия, порог болевого ощущения зависит от частоты звуковых колебаний. Звуки, интенсивность которых приближается к болевому порогу, оказывают вредное воздействие на слух.

Нормальное ощущение звука возможно, если интенсивность звука находится между порогом слышимости и болевым порогом.

Оценку звука удобно проводить по уровню (L) интенсивности (звукового давления), рассчитываемому по формуле:

(дБ)

где J₀ –порог слухового восприятия,J – интенсивность звука (табл. 2).

Таблица 2

Характеристика звука по интенсивности и его оценка по уровню интенсивности относительно порога слухового восприятия

Характеристика звука	Интенсивность (Вт/м2)	Уровень интенсивности относительно порога слухового восприятия (дБ)
Порог слухового восприятия	10-12	0
Тоны сердца, генерируемые через стетоскоп	10-11	10
Шепот	10-10–10-9	20–30
Речевые звуки при спокойной беседе	10-7–10-6	50–60
Шум, связанный с интенсивным движением транспорта	10-5–10-4	70–80
Шум, создаваемый концертом рок-музыки	10-3–10-2	90–100
Шум вблизи работающего двигателя самолета	0,1–1,0	110–120
Порог болевого ощущения	10	130

Наш слуховой аппарат способен к восприятию огромного динамического диапазона. Изменения в давлении воздуха, вызываемые самыми тихими из воспринимаемых на слух звуков, составляют порядка 210^-5Па. В то же время звуковое давление с уровнем, приближающимся к порогу болевых ощущений для наших ушей, составляет порядка 20 Па. В итоге, соотношение между самыми тихими и самыми громкими звуками, которые может воспринимать наш слуховой аппарат, 1:1000000. Измерять такие разные по уровню сигналы в линейной шкале достаточно неудобно.

С целью сжатия такого широкого динамического диапазона было введено понятие «бел». Бел – это простой логарифм отношения двух степеней; а децибел равен одной десятой бела.

Чтобы выразить акустическое давление в децибелах, необходимо возвести давление (в Паскалях) в квадрат и разделить его на квадрат эталонного давления. Для удобства возведение в квадрат двух давлений выполняется вне логарифма (что является свойством логарифмов).

Для преобразования акустического давления в децибелы применяется формула:

где: P – интересующее нас акустическое давление;P₀– исходное давление.

Когда в качестве эталонного давления берется 210^-5Па, то звуковое давление, выраженное в децибелах, называется уровнем звукового давления(SPL – от англ.soundpressurelevel). Таким образом, звуковое давление, равное 3Па, эквивалентно уровню звукового давления 103,5 дБ, следовательно:

Вышеупомянутый акустический динамический диапазон можно выразить в децибелах в виде следующих уровней звукового давления: от 0 дБ – для самых тихих звуков, 120 дБ – для звуков на уровне болевого порога, до 180 дБ – для самых громких звуков. При 140 дБ ощущается сильная боль, при 150 дБ наступает повреждение ушей.

Громкость звука,величина, характеризующая слуховое ощущение для данного звука. Громкость звука сложным образом зависит отзвукового давления(илиинтенсивности звука), частоты и формы колебаний. При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением звукового давления (рис. 8.). Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая её с громкостью простого тона частотой 1000 Гц. Уровень звукового давления (в дБ) чистого тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого (сравнением на слух), как и измеряемый звук, называется уровнем громкости данного звука (вфонах) (рис. 8).

Рис. 8. Кривые равной громкости – зависимость уровня звукового давления (в дБ) от частоты при заданной громкости (в фонах).

Спектр звука.

Характер восприятия звука органами слуха зависит от его спектра частот.

Шумы обладают сплошным спектром, т.е. частоты содержащихся в них простых синусоидальных колебаний образуют непрерывный ряд значений, целиком заполняющих некоторый интервал.

Музыкальные (тональные) звуки обладают линейчатым спектром частот. Частоты входящих в их состав простых гармонических колебаний образуют ряд дискретных значений.

Каждое гармоническое колебание называется тоном (простым тоном). Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Ощущение высоты звука определяется его частотой. Плавное изменение частоты звуковых колебаний от 16 до 20000 Гц воспринимается вначале как низкочастотное гудение, затем как свист, постепенно переходящий в писк.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам спектра, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте f_оосновного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотойf_оназывается первой гармоникой, обертон со следующей по величине частотой 2f_о– второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр определяется составом обертонов – их частотами и амплитудами, а также характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спада в конце звучания.

Амплитудно-частотная характеристика.

Любое устройство, участвующее в записи или воспроизведении звука, должно передать весь спектральный состав сигнала, сохранив при этом соотношение амплитуд гармоник звука. Представление об этих возможностях дает амплитудно-частотная характеристика – АЧХ устройства (магнитофона, телевизора, проигрывателя и др.). Ее вид представлен на рис. 9.

АЧХ показывает, какой относительный коэффициент передачи имеет устройство на воспринимаемых им частотах. Идеальной АЧХ является та, при которой устройство равномерно воспроизводит все частоты звукового диапазона, т.е. коэффициент передачи или усиления на всех частотах оказывается постоянным.

Следует отметить, что слуховой аппарат человека также имеет амплитудно-частотную характеристику, называемую в медицине аудиограммой.

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика устройства записи-воспроизведения звука: 1 – идеальная АЧХ, 2 – реальная АЧХ

Слуховой анализатор человека – совокупность механических, рецепторных и нервных структур, деятельность которых обеспечивает восприятие человеком звуковых колебаний.

У человека слуховой анализатор состоит из трех частей: ушной раковины(также называемойвнешним ухом),среднего ухаивнутреннего уха– улитки. Проходя через различные части уха звук претерпевает изменения.

Рис. 10. Слуховой анализатор человека

Снаружи мы видим так называемое внешнее ухо (рис. 10). Затем идет ушной канал – около 0,5 см в диаметре и около 3 см в длину. Одна из функций внешнего уха – улучшение локализации источника звука в пространстве. Благодаря его несимметричной форме АЧХ сигналов приходящих из разных точек пространства изменяется по разному. Ушная раковина может влиять лишь на сигналы с длинной волны, сопоставимой с размерами внешнего уха (>3 кГц). Внешний ушной канал резонирует на частоте около 2 кГц, что дает повышенную чувствительность в данном диапазоне.

Далее – барабанная перепонка, к которой присоединены кости – среднее уха.

Они передают вибрацию барабанной перепонки далее – на перепонку внутреннего уха. Смысл наличия среднего уха в том, что колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую колебать жидкость, и среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют гидравлический усилитель. Площадь барабанной перепонки во много раз больше перепонки внутреннего уха, поэтому давление (Р= F/S) усиливается в десятки раз. В функции среднего уха входит также защита от низкочастотных звуков чрезмерной амплитуды. Внутреннее ухо – улитка. В развернутом виде представляет трубку с жидкостью, диаметром около 0,2 мм и 3–4 см длинной, с постепенно уменьшающимся диаметром, закрученную как улитка. Улитка выполняет роль частотного анализатора. Внутри улитки находятся до 4000 нервных окончаний. Различные области улитки входят в резонанс при подаче сигнала соответствующей частоты.

Чувствительность слухового анализатора человека зависит от частоты. Максимальная чувствительность наблюдается в районе 1–4 кГц, в этом диапазоне заключен человеческий голос и звуки, издаваемые большинством важных нам процессов в природе. Корректная передача этого частотного отрезка – первое условие естественности звучания. Чувствительность сильно снижается в обе стороны диапазона звуковых частот.

Бинауральный слух (binauralis; лат. bini два, пара + auris ухо – относящийся к обоим ушам), играет большую роль в локализации источника звука, лучше всего развит на частотах меньших 1,5 кГц. Выше этой частоты источником информации о местоположении служит лишь разница амплитуд сигнала для левого и правого уха.

Бинауральный эффект, способность человека определять направление на источник звука. Из-за того, что уши расположены на некотором расстоянии друг от друга, звук приходит к ним, различаясь по фазе и интенсивности, что ведет к различию сигналов, поступающих в центральную нервную систему от правого и левого уха, и дает возможность определять направление на источник звука. Есть два принципа восприятия, которые соответствуют двум принципам передачи звуковой информации из уха в мозг.

Первый принцип – для частот ниже 1 кГц. Эти частоты воспринимаются ударным способом, передавая в мозг информацию об отдельных звуковых импульсах. Временное разрешение передачи нервных импульсов позволяет использовать эту информацию для определения направления на источник звука. Если звук в одно ухо приходит раньше другого (разница порядка десятков микросекунд), мы можем определить его расположение в пространстве, так как запаздывание происходит из-за того, что звуку пришлось пройти еще дополнительно расстояние до второго уха, затратив на это какое-то время. Фаза сигнала левого и правого уха не совпадает.

Второй принцип – используется для всех частот, но в основном – для тех, что выше 2 кГц, происходит определение разницы в громкости между двумя ушами.

Еще один важный момент, который позволяет нам гораздо более точно определять местоположение источника звука – возможность повернуть голову и сравнить изменение параметров звучания. Принято считать, что пространственное разрешение (способность к локализации источника звука) определяется с точностью до одного градуса.

Таким образом, для объемного восприятия во всем диапазоне звуковых частот важна громкость правого и левого канала, а на частотах до 2 кГц, дополнительно анализируются и относительные фазовые сдвиги. Фазовая информация в районе 1–4 кГц имеет приоритет над разницей в громкости.

Слуховой анализатор человека способен различать звуки по частоте, интенсивности, направлению на источник звука и др. Поэтому создание звуковоспроизводящей аппаратуры, способной воспроизводить звуки неотличимые от естественных, является технически сложной задачей.

Чтобы качество звучания мало отличалось от естественного, необходимо выполнить ряд требований. Диапазон частот, воспроизводимый аппаратурой, должен быть не уже 20–20000 Гц. Если различные частоты в этом диапазоне воспроизводятся с неодинаковым уровнем, возникают частотные искажения. Частотные искажения заметны на слух в виде искажения тембра звука. Например, ослабленное воспроизведение высших частот звукового диапазона делает звук глухим, лишенным звонкости. Ослабленное воспроизведение низших частот звукового диапазона, напротив, придает звуку неприятный металлический оттенок. Величину частотных искажений наглядно показывает АЧХ. Приведенная на рис. 9 частотная характеристика имеет спад в области низких и высоких звуковых частот относительно частоты 1000 Гц. Частотные искажения незаметны на слух, если неравномерность частотной характеристики не превышает ±2 дБ.

На слух нелинейные искажения воспринимаются как хриплый дребезжащий звук. Степень искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник). Для высококачественной аппаратуры коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 1%.