Тюмень +7(3452) 589-564; 8 (800) 200-2678

Звуковые волны

ИЗУЧАЕМ: ЗВУКОВАЯ ВОЛНА

Бой часов, пение птиц, речь человека и музыка - все эти явления можно обобщить одним словом «звук». Физика трактует звук как порождаемые некоторым источником колебания воздуха, на которые реагируют наши слуховые органы чувств.

О звуке подробнее

Итак, любой звук - это колебание воздуха. Если ввести в качестве дополнительного параметра одну из координат окружающего пространства, то совокупность колебаний каждой частицы на выбранном направлении образует звуковую волну. Если источник звука представить в виде точки, то звуковые волны можно уподобить лучам, которые от него распространяются во все стороны. Звук приводит в движение молекулы воздуха, которые начинают циклически перемещаться, изменяя механическое давление. Причем молекулы практически не перемещаются относительно своей первоначального местоположения.

Как человеческое ухо реагирует на звук?

Если на пути звуковой волны встречаются механические препятствия, то наблюдаются ее неоднократные переотражения. Колебания частиц воздуха, находящихся поблизости барабанной перепонки, изменяют воздушное давление. На барабанной перепонке имеется множество нервных окончаний, которые изменения давления трансформируют в понятный нашему мозгу сигнал.

Главные характеристики звуковых волн

Если графически отобразить звуковую волну, то получится простейшая гармоническая функция - синусоида. Хотя реальный сигнал, соответствующий этой функции, очень сложно встретить в реальном мире, для начального ознакомления с физической природой звуковых волн он вполне пригоден. Каким бы не был сложным звук, его всегда можно представить в виде математической суммы таких вот простых функций. Однако все слагаемые будут отличаться своими параметрами - частотой, фазой и амплитудой.

Что такое частота звука?

Физическая величина, численное значение которой соответствует числу колебаний за некоторый временной интервал. В привычной нам системе СИ этот интервал равен 1 секунде. А единицей измерения частоты является 1 Герц (одно колебание в секунду). Диапазон восприятия человеческого уха составляет от 20 Гц до 20кГц. А какие звуки лежат за границами нашего восприятия? Это так называемые инфразвук (частота меньше 20 Гц) и ультразвук (с частотой выше 20 кГц).

Амплитуда

Амплитуда отвечает за громкость звука, причем здесь наблюдается прямая зависимость: растет амплитуда, увеличивается громкость и наоборот. Громкость тоже имеет свой диапазон, причем довольно широкий - от еле слышного поскребывания мыши под полом до оглушающих раскатов грома. Единицей измерения громкости является децибел, причем его значение может отображать как амплитуду, так и мощность звукового сигнала. Подробнее об этом речь пойдет далее.

Фаза

Фаза - относительная характеристика, поэтому ее нужно замерять относительно другой звуковой волны. Когда речь идет о фазе, то всегда подразумевается наличие как минимум двух волн. Рассмотрим пример: есть 2 волны с одинаковой частотой. Если они находятся в фазе, то на графике это сразу видно - у них совпадают координаты максимумов, минимумов и нулей. Фаза измеряется в градусах и может принимать значения от нуля до 360. Крайние значения имеют свои собственные названия - 0 говорит о том, что волны находятся в фазе, а 360 - наоборот, в противофазе. Иногда говорят, что волны синхронны (в первом случае), и асинхронны (при фазе, равной 360-ти градусов). Как фаза связана с амплитудой? Ответ на этот вопрос несложен: усиление звука происходит только тогда, когда волны в фазе. Противофазные сигналы взаимно подавляют друг друга, обращая (в теории) амплитуду каждого в абсолютный нуль. На практике это явление может приводить к нежелательным последствиям. Например, отраженная от стен помещения звуковая волна начинает подавлять звучание источника. Нередко пропадание звука наблюдается при совмещении двух звуковых каналов в микшере для стереоскопического воспроизведения.

Что такое децибел?

Децибелы - это единицы, в которых измеряются сразу 2 физических величины: давление и напряжение. В первом случае речь идет о звуке, а во втором - об электричестве. Математически децибел описывается как логарифм от результата деления двух величин. А теперь запомните важный нюанс - для получения децибела следует взять логарифм по основанию «10» или десятичный (сокращенно десятичный логарифм обозначают 2-мя буквами латинского алфавита - «lg»). Децибелы введены для удобства пользования, так как шкала звукового давления расходится в очень больших пределах. Разница между тихим и громким звуком огромна и может достигать миллионов единиц. А введение логарифмов сокращает этот диапазон до привычных десятков и сотен. Поэтому в любой инструкции к современной звуковой аппаратуре все данные, имеющие отношения к усилению или ослаблению звука, приводятся в децибелах (дБ или dB).

Децибел децибелу рознь

Существуют несколько модификаций относительных единиц измерения уровня звука. Самых распространенных 4 и о них стоит поговорить подробнее.

1. дБм(dBm) - последняя буква обозначает милливатты, а значит речь идет о мощности. Правда, мощности электрического сигнала, в который был преобразован звуковой. Децибелы по мощности широко используются при описании характеристик электронной аппаратуры профессионального класса, а также в телефонии.

2. dBu (русск. дБн или дБu) - применяется для измерения амплитуды электрического сигнала (напряжения). Измеренное напряжение делится на эталонное значение (0.75 В), а затем логарифмируется. Сегодня этот подход не актуален, встретить значение dBu в паспорте современной электронной звуковой техники практически невозможно - повсеместно используется dBm как более удобный.

3. dBV(дБВ) - отличие дБВ от единицы измерения, описанной выше, заключается в эталонном напряжении - оно равно 1 Вольту. В отличие от dBu, единица dBV часто используется для описания технических возможностей как бытовых, так и полупрофессиональных звуковых устройств.

4. дБFS - кардинально отличается от всех децибелов, описанных выше. Две последние буквы FS являются сокращением английского слова fullscale, которое переводится как «полная шкала». Причиной ввода дБFS стало активное внедрение цифровых технологий в сферу звуковоспроизведения и звукозаписи. Ведь цифровой сигнал не имеет критерия оптимального напряжения, и для него можно выбрать любое из цифровых значений в заданном диапазоне. Максимальное значение звукового сигнала, преобразованного в «цифру» и не порождающего никаких искажений, соответствует 0.0 дБFS.

Важное отличие рассмотренных выше стандартов для измерения аналоговых сигналов по напряжению (dBu, dBV) от дБFS, заключается в том, что у них динамический диапазон не имеет запаса после нулевого значения.

MUZMART