Звук. Часть 3. Волны и фаза волны

Продолжая рассматривать чистый, одночастотный тон, мы познакомимся с еще несколькими переменными характеристиками и определим, каким образом они связаны с распространением волны.

Обратимся к понятию скорости частицы, т.е. величине движения отдельных воздушных частиц. Поскольку эта величина пропорциональна воздушному давлению, формы волн давления и скорости имеют схожую конфигурацию. Кроме того, там, где одна волна имеет пиковое значение, другая волна имеет такую же пиковую величину; в тех местах, где нет давления, там не существует и скорости и т.д. В таких случаях принято говорить, что эти две волны находятся в фазе по отношению друг к другу.

Следующей переменной является градиент давления, показывающий величину изменения давления вдоль волны. Другими словами, для градиента будет существовать определенная форма волны в случае наличия давления, но в тех местах, где давление достигает своих критических значений (максимум или минимум) изменения градиента (а значит и формы его волны) будут равны 0. Возвращаясь к волнам чистого или простого тона, можно сказать, что форма волны градиента давления сдвинута по времени на четверть волны в ту или другую сторону. В этих случаях принято говорить, что рассматриваемые волны не синфазны или сдвинуты друг относительно друга на четверть волны.

Другой рассматриваемой переменной будет смещение точки относительно центрального положения. В данном случае форма волны показывает, на сколько частица перемещается в ту или иную сторону относительно центра (хорошей иллюстрацией сказанного является пример с водной поверхностью). Перемещение частицы прямо пропорционально градиенту давления и, таким образом, находится с ним в фазе. Это непосредственно связано с понятием амплитуды.

Все эти термины можно встретить при теоретическом описании работы микрофонов. Например, большинство микрофонов характеризуются постоянной величиной скорости или постоянной величиной амплитуды. Эти понятия означают, что электрический выход микрофона равен некоторой постоянной, умноженной на скорость диафрагмы, или равен постоянной, умноженной на амплитуду перемещения частицы. Микрофон со скоростной константой состоит из перемещающегося сердечника ленточного типа.

Микрофоны с амплитудной константой характеризуются электростатическими и кристалическими переменными. Однако, эти характеристики не представляются достаточно строгими для операторов. В обоих категориях можно встретить как высококачественные, так и низкокачественные микрофоны. Они упоминаются здесь только потому, что их можно встретить при чтении специальной литературы. Тем не менее, эти характеристики довольно важны для микрофонного дизайна и для инженеров, занимающихся их обслуживанием. Значительно больше можно услышать о видах операций, связанных со звуковым давлением или градиентом давления, т.к. эти характеристики микрофонов значительно влияют на различие в их применении.

Благодаря этим различиям, фаза сигнала на микрофонном выходе не всегда совпадает с фазой, которая характеризует величину звукового давления, воспринимаемого человеческим ухом. Однако, фаза не является принципиальной для человеческого уха, как и для микрофона влияние воздушного давления или его градиент. Более серьезной проблемой будет скорее сложение двух, одинаковых по своей форме, несинфазных сигналов. В реальных условиях звуковые модели настолько являются сложными, что для их восприятия применяются микрофоны самых различных типов. При этом, их расстановка в студии и совмещение выходов дают такую результирующую несинфазную картину звучания, что она практически не различима человеческим слухом.

До сих пор мы рассматривали простые тоны. Если мы будем говорить о совмещенной форме волны, то надо помнить, что частичка воздуха может находиться только в одной, конкретной точке пространства. Следовательно, ее результирующее перемещение будет определяться суммой отдельных перемещений для каждой формы волны. Однако, не все эти сложения могут привести к результату увеличения давления. Например, в том месте, где звуковая волна показывает наибольшее давление, противоположная волна, которая находится с ней в противофазе, может привести к полному взаимному уничтожению волн.