Что такое Звук?
Любой человек, который учился (или учится) в школе, без особых размышлений ответит на этот вопрос так: «звук — это волна». И будет совершенно прав. А вот при попытке объяснить, что же из себя представляет эта волна, большинство людей вспоминает пример с веревкой или волнами на поверхности воды и после этого надолго задумываются.
Так что же представляет из себя звук? Любой предмет, совершающий возвратно-поступательные движения (камертон, струна рояля или гитары, наши голосовые связки и т.д.), вызывает в воздухе попеременное уменьшение или увеличение плотности. Движения одних молекул воздуха передаются другим молекулам, в результате чего в пространстве распространяются периодически повторяющиеся зоны увеличения и уменьшения плотности. Они-то и представляют из себя звуковую волну.
Если мы в каком-то месте поставим прибор, способный реагировать на изменение плотности воздуха, запишем его показания в течение некоторого времени и составим график зависимости плотности от времени, то получим кривую, близкую к синусоиде, знакомую нам по школьным учебникам физики. Именно такие колебания и улавливаются нашим ухом, в результате чего мы получаем ощущение звука.
Амплитуда, частота, длина и фаза звуковой волны
Амплитудой звуковой волны называется половина разницы между самым высоким и самым низким значением плотности. На графике амплитуде будет соответствовать разница между самой высокой (или низкой) точкой волны и горизонтальной осью графика. Частотой звука называют количество периодов, помещающихся в одной секунде. 1 Герц — это 1 период за секунду. Расстояние между областями одинакового сжатия воздуха называется длиной звуковой волны.
Поговорим более подробно о высоте звука. Наши уши устроены таким образом, что когда мы слышим два звука, частоты которых относятся как 2:1, то нам кажется, что эти звуки близки друг к другу и при одновременном воспроизведении они для нас как бы сливаются. Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала высоты звуков, у которой одна и та же нота повторяется каждую октаву. То есть в натуральном звукоряде частоты одинаковых нот соседних октав соотносятся между собой как 2:1.
Звукорежиссерам часто приходится переводить значения частоты в ноты и обратно. Такие навыки могут понадобится, например, при работе с разными устройствами корректировки звука. Поэтому постарайтесь запомнить это соотношение — с помощью нехитрой математической операции теперь вы сможете вычислять частоту любой ноты, памятуя, что нота Ля первой октавы имеет частоту 440 Гц.
Но помимо высоты звука, мы способны достаточно точно определять положение звукового источника в пространстве. Это означает, что звуковые волны должны обладать свойством, на которое реагирует наш слуховой аппарат. Все объясняется достаточно просто: наши уши отнесены на некоторое расстояние друг от друга. То есть, звук в каждое из них поступает не в одно и то же время, а в разное. По задержке попадания одной и той же звуковой волны на барабанные перепонки мы и определяем пространственное положение источника звука (на самом деле есть еще несколько факторов, помогающих определять направление на звуковой источник, частично они упоминаются ниже). Для описания относительных временных свойств двух звуковых волн (или разных частей одной волны) вводится понятие фазы звуковой волны.
Посмотрите на рисунок выше. На первом графике показаны две волны, которые полностью совпадают друг с другом. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. На третьем графике в том месте, где у одной волны находится область высокой плотности, у другой — область низкой плотности. В этом случае говорят, что волны находятся в противофазе. При этом, если волны одинаковые, происходит их взаимное уничтожение (в природе это бывает крайне редко, чаще противофазные волны при наложении сильно искажают звук). Средний график показывает некое промежуточное положение. В этом случае говорят, что фаза одной волны сдвинута относительно другой.
Из всего вышесказанного становится понятно, что наш слух при определении пространственного положения источника звука реагирует именно на фазу волны. А по изменению фаз мы можем судить и о перемещении источника звука. В звукозаписи понятие фазы достаточно важно.
Уровень и громкость звука
Теперь немного поговорим о таком важном параметре как уровень звука. Любая звуковая волна, которая распространяется в пространстве, может оказывать на встречающиеся препятствия (в том числе и на наши барабанные перепонки) некое давление. Люди, которые бывали на концертах и стояли около мощных колонок, не понаслышке знают, что оно может быть очень сильным. Мы субъективно воспринимаем изменение давления звуковых волн в виде ощущения изменения громкости звука.
Максимальное изменение давления в воздухе при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением. Как и любое другое, звуковое давление измеряется в Паскалях (Па). Но в акустике, при оценке интенсивности звуковых волн чаще применяется другое понятие — сила звука. Оно показывает поток звуковой энергии, который каждую секунду проходит через квадратный сантиметр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны.
Звуковое давление и сила звука находятся в квадратичной зависимости. То есть, сила звука = звуковое давление в квадрате. Сила звука описывает энергетические свойства самой волны и измеряется в ваттах/квадратный сантиметр (Вт/кв.см.). Такая единица бывает очень удобна при некоторых расчетах — это единственная причина ее введения.
Для того, чтобы мы смогли услышать тот или иной звук, его сила должна быть больше определенного уровня. Этот уровень называется порогом слышимости. То есть, если звуковая волна имеет малую интенсивность — ниже этого порога, мы просто не воспринимаем ее, и нам кажется, что вокруг стоит полная тишина, хотя на самом деле воздух вокруг колеблется. Точно также дело обстоит и со звуками большой интенсивности — мы слышим звук только до определенного уровня, который называется болевым порогом. Если сила звука больше этого уровня, то мы испытываем боль в ушах. Разница между уровнями болевого порога и порога слышимости называется динамическим диапазоном слуха. Мы способны воспринимать изменения силы звука в огромных пределах: сила звука болевого порога превосходит силу звука порога слышимости в тысячу раз!
Изменение уровня звука обычно оценивается в децибелах относительно порога слышимости. Когда говорят, что уровень звука в колонках равен ста децибелам, подразумевают, что колонки работают на уровне, превышающем порог слышимости на 100 дБ. Децибел — это логарифмическая единица измерения уровня звука, показывающая минимально слышимое изменение громкости. А динамический диапазон нашего слуха (разница между самым тихим и самым громким воспринимаемым звуками) составляет 120 дБ. Для того, чтобы как-то почувствовать такой непростой способ измерения уровня звука (лишь отражающий парадоксальность нашего слухового восприятия), мы приведем таблицу со знакомыми вам звуковыми объектами и уровнями звука, которые они производят.
Последняя строчка таблицы показывает уровень звука, превышающий болевой порог. Поэтому никогда не пытайтесь послушать звук барабана прямо у мембраны — ощущения будут очень неприятные. Из всего сказанного вы должны вынести хотя бы приблизительное представление о том, что такое децибелы. Если вы никогда не работали со звуковой техникой, то вряд ли в теории сможете проникнуться значимостью этой единицы измерения. И только когда вы начнете записывать свой собственный материал, глядя на индикаторы уровней, все до единого показывающие уровень в децибелах, вы сможете почувствовать суть логарифмической шкалы.
Теперь давайте более подробно поговорим о громкости звука — нашем субъективном ощущении от звуковых волн, имеющих разный уровень (звуковое давление, силу). Наше ощущение громкости во многом зависит от частоты звука. Высокие и низкие звуки, имеющие одинаковый уровень, субъективно воспринимаются нами как звуки разной громкости. А значение уровня звука и субъективно слышимой громкости совпадают только на частоте 1000 Гц.
На основании исследований человеческого слуха были построены графики, которые известны каждому звукорежиссеру как кривые равной громкости. На них изображены линии (они расположены через 10 дБ на частоте 1000 Гц), которые соответствуют одинаково воспринимаемой громкости на разных частотах.
Легко можно видеть, что мы гораздо лучше слышим на средних частотах, а на низких и высоких — чувствительность слуха притупляется. Из графика кривых равной громкости следует важный для практической деятельности вывод. Посмотрите на рисунок — наиболее линейно мы воспринимаем звук при уровнях 80-90 дБ. То есть при таких уровнях громкости наши уши наиболее адекватно передают звуковую картину. Поэтому корректировку звучания лучше всего делать при достаточно высокой громкости акустических систем — 80-90 дБ (примерно такой же уровень имеет шум в вагоне метро).
Тембр звука
Гитарист может извлекать из своего инструмента высокие и низкие, громкие и тихие звуки. Но что гитару делает гитарой? Почему ее звук отличается от звука фортепиано? Все объясняется довольно просто: реальные звуки представляют из себя созвучия, состоящие из нескольких простых волн. От комбинаций этих волн и зависит тембр инструмента.
У каждого созвучия есть основной тон — волна определенной частоты, которая имеет наибольший уровень. Например, у ноты Ля первой октавы эта волна имеет частоту 440 Гц. Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 3, 4 раза и т.д. выше, чем у основного тона. В музыке они называются обертонами. В акустике принята немного другая терминология. И основной тон, и обертона называются гармониками и имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон — первая гармоника, первый обертон — вторая гармоника и т.д. Эквалайзеры работают по принципу понижения или повышения уровня тех или иных частотных полос, то есть с их помощью можно менять уровень тех или иных гармоник и, соответственно, изменять тембр.
