Звук. Часть 1. Природа звука
Некоторые читатели возможно уже имеют достаточно широкие познания о природе звука. Но вероятно, среди них будут и те, кто довольно слабо представляет себе его физическую сущность. Более того, они даже и слышать о ней не хотят. Их интересы будут распространяться только на пути возможного использования звуковой среды. При этом, они могут вас спросить: «Нужно ли знать из чего изготавливается краска, чтобы стать художником?». Эти две группы читателей могут пропустить данную тему и начать изучение другого материала, описывающего операционную технику, оборудование для создания звука, а также практические проблемы и их решения. Тем не менее, для читателей, имеющих лишь начальную техническую подготовку, не составит особого труда получить необходимый запас знаний, по мере все более углубленного изучения материала. Большинство технических терминов вполне понятны из контекста или же, им будет дано строгое определение при первом их появлении. Однако для тех, кто предпочитает последовательное изучение создания музыки, мы начнем со знакомства с физической природой звука.
Вибрация материалов вызывает явление звука. Если деревянная плоскость начинает вибрировать, то она толкает примыкающий к ней воздух в прямом и обратном направлениях. Если диапазон этой вибрации находится где-то между десятью и десятью тысячами колебаний в секунду, то воздушная среда обнаруживает некоторую эластичность, не заметную при малых скоростях. Попробуйте помахать рукой в ту или другую сторону со скоростью один взмах в секунду; вы почувствуете, что с воздухом ничего не происходит, он просто, как-бы обтекая руку, возвращается на прежнее место. В этом случае мы не имеем резкого, скачкообразного возвращения частиц воздуха в прежнее положение. Но если проделать эти движения в сотни раз быстрее, воздушная среда будет вести себя совсем иначе. Она будет сжиматься под воздействием руки, двигающейся вперед, и разжиматься (или испытывать разрежение) при движении руки в обратном направлении. В этих случаях говорят, что мы имеем естественную эластичность воздушной среды.
Рис. 1 — Вибрирующая плоскость генерирует волны давления и разрежения — это звук. Камертон часто используется для демонстрации этого явления. Однако в жизни камертон не производит сильного звучания, он как бы проскальзывает воздух, не вынуждая его при этом двигаться. Вибрирующая панель является более эффективным средством.
Когда плоскость двигается вперед, каждая частичка воздуха толкает соседнюю, создавая при этом волну давления. Когда плоскость двигается назад, это давление заменяется разряжением, за которым следует другая волна давления и т.д.
В различных средах эти волны распространяются с разными скоростями, что и является характеристикой отдельной среды. Скорость распространения звука в воздушной среде зависит от его температуры и, для нормальных условий составляет примерно 340 м/сек.
Эта скорость не зависит от величины вибрации пластины, генерирующей колебания в прямом и обратном направлениях. Можно говорить о 100 перемещениях в секунду, однако результат будет аналогичен тому, были эти перемещения равны 20 или 20000 колебаниям. Величина скорости, с которой появляются волны воздушного давления, называется частотой и измеряется одним циклом в секунду, герцем (Гц): 1 Гц = 1 ц/с.
Давайте еще раз обратимся к примеру с рукой, но уже перемещающейся с частотой в 100 Гц. Конечно, это не будет являться идеальным источником звука: некоторое количество воздуха просто обтекает ладонь при ее перемещении. Для того, чтобы устранить явление обтекания, для такой среды как воздух, источник звука должен быть намного больше, что-то вроде передней панели пианино, и иметь как можно меньше скругленных углов. Однако, если вибратор размером с человеческую руку заставить двигаться еще быстрее, у воздуха уже не будет возможности для простого обтекания руки. Даже совсем маленькие поверхности при очень высоких частотах вибрации, являются эффективными источниками звука.
Рис. 2 — 1. Для большей наглядности звуковые волны обычно изображают в виде диаграммы плоской боковой волны, при этом, расстояние от источника звука откладывается по горизонтальной шкале, а перемещение отдельной частицы от ее среднего значения, по вертикальной. 2. На данном рисунке показано положение частиц, перемещающихся вдоль линии в прямом и обратном направлениях. Здесь также показано перемещение волн давления.
В действительности, звуки порождаются источниками различных форм и размеров, которые воспроизводят вибрацию довольно сложным образом. Кроме того, волны воздушного давления способны отражаться от твердых поверхностей. Эти отражения складываются с волнами основного источника, создавая при этом сложное поле различных направлений. Как же мы можем описать, не говоря уже о том, чтобы воспроизвести, такую сложную структуру звука? К счастью, нам это не потребуется.
Давайте рассмотрим единичную воздушную частичку, находящуюся где-то в середине этого поля. Проходящие мимо волны оказывают на нее определенное давление, заставляя ее двигаться «в танце», который мог бы явиться характеристикой проходящих мимо нее звуков. Теперь от нас лишь требуется описать звук, который вызывается перемещением данной частицы в рассматриваемой точке поля. На практике размеры этой частицы являются не столь существенными по сравнению с интервалом чередующихся волн давления.
Однако в то же время, эти размеры не должны быть слишком малы, так как мы хотим измерить усредненное движение, которое является достаточно большим, поскольку представляет всю совокупность случайных мельчайших вибраций молекул воздуха, воспроизводимых диафрагмой человеческого уха.
Рис. 3 — В каждой среде звуковые волны распространяются с одинаковой скоростью С. Поэтому, частота f обратно пропорциональна длине волны А.
Кроме того, человеческое ухо не воспринимает различных направлений перемещения воздушных частиц. Оно просто суммирует и измеряет изменения воздушного давления. Это приводит к идее создания постоянно действующего устройства для измерения давления. Подобное устройство, оборудованное диафрагмой близкой по своим размерам к барабанной перепонке человека, явилось бы идеальным инструментом для описания звука в практических целях. Все, что выше рассматривалось для человеческого уха, можно считать основным требованием для идеального микрофона.
