Какими свойствами обладает звук
Раскаты грома, музыка, шум прибоя, человеческая речь и все остальное, что мы слышим – это звук. А что такое “звук”?
Источник изображения: pixabay.com
В действительности все, что мы привыкли считаем звуком – это всего лишь одна из разновидностей колебаний (воздуха), которые могут воспринимать наш мозг и органы слуха.
Какая природа у звука
Все звуки, распространяемые в воздухе, представляют собой вибрации звуковой волны. Она возникает посредством колебания объекта и расходится от её источника во всех направлениях. Колеблющийся объект сжимает молекулы в окружающей среде, а затем создаёт разреженную атмосферу, заставляя молекулы отталкиваться друг от друга всё дальше и дальше. Таким образом, изменения в давлении воздуха распространяются от объекта, сами молекулы остаются в неизменной для себя позиции.
Воздействие звуковых волн на барабанную перепонку. Источник изображения:prd.go.th
По мере того, как звуковая волна распространяется в пространстве, она отражается от объектов, встречающихся на её пути, создавая изменения в окружающем воздухе. Когда эти изменения, достигая вашего уха, воздействуют на барабанную перепонку, нервные окончания подают сигнал в мозг, и вы воспринимаете эти колебания как звук.
Основные характеристики звуковой волны
Самой простой формой звуковой волны является синусоида. Синусоидные волны в чистом виде редко встречаются в природе, однако именно с них следует начинать изучение физики звука, так как любые звуки можно разложить на комбинацию синусоидных волн.
Синусоида чётко демонстрирует три основных физических критерия звука – частоту, амплитуду и фазу.
Частота
Чем реже частота колебаний, тем звук ниже, Источник изображения:ReasonGuide.Ru
Частота – это величина, характеризующая количество колебаний в секунду. Она измеряется в количестве периодов колебания либо в герцах (ГЦ). Человеческое ухо может воспринимать звук в диапазоне от 20 Гц (низкочастотные) и до 20 КГц (высокочастотные). Звуки, находящиеся выше данного диапазона называется ультразвуком, а ниже – инфразвуком, и человеческими органами слуха не воспринимаются.
Амплитуда
Чем больше амплитуда звуковой волны, тем громче звук.
Понятие амплитуды (или интенсивности) звуковой волны имеет отношение к силе звука, которую человеческие органы слуха воспринимают как объём или громкость звука. Люди могут воспринимать достаточно широкий спектр громкости звука: от капающего крана в тихой квартире, и до музыки, звучащей на концерте. Для измерения громкости используются фонометры (показатели в децибелах), в которых используется логарифмическая шкала чтобы сделать измерения более удобными.
Фаза звуковой волны
Фазы звуковой волны. Источник изображения: Muz-Flame.ru
Используется для того, чтобы описать свойства двух звуковых волн. Если две волны имеют одинаковую амплитуду и частотность, то говорят, что две звуковые волны находятся в фазе. Фаза измеряется в диапазоне от 0 до 360, где 0 – это значение, показывающее, что две звуковые волны синхронны (в фазе), а 180 – значение, означающее противоположность волн друг к другу (находятся в противофазе). Когда две звуковые волны находятся в фазе, то два звука накладываются и сигналы усиливают друг друга. При совмещении двух сигналов, не совпадающих по амплитуде, из-за разницы давления идёт подавление сигналов, что приводит к нулевому результату, то есть звук исчезает. Этот феномен известен как “подавление фазы”.
При совмещении двух одинаковых аудио сигналов – подавление фазы может стать серьёзной проблемой, так же огромной неприятностью является совмещение оригинальной звуковой волны с волной, отражённой от поверхностей в акустической комнате. Например, когда совмещают левый и правый каналы стерео микшера, чтобы получить гармоничную запись, сигнал может страдать от подавления фаз.
Что такое децибел?
В децибелах измеряется уровень звукового давления или электрического напряжения. Это такая единица, которая показывает коэффициент отношения двух разных величин друг к другу. Бел (названный в честь американского ученого Александра Белла) является десятичным логарифмом, отражающим соотношение двух разных сигналов друг к другу. Это означает, что для каждого последующего бела в шкале, принимаемый сигнал в десять раз мощнее. Например, звуковое давление громкого звука в миллиарды раз выше, чем у тихого. Для того чтобы отображать такие большие величины, стали использовать относительную величину децибел (дБ) – при этом 1.000.000.000 – это 109, или просто 9. Принятие физиками акустиками данной величины позволило сделать работу с огромными числами удобнее.
Шкала громкости различных звуков. Источник изображения: Nauet.ru
На практике получается так, что бел является слишком большой единицей для измерения уровня звука, поэтому вместо него стали использовать децибел, что составляет одну десятую от бела. Нельзя сказать, что применение децибелов вместо белов – это как использование, скажем, сантиметров вместо метров для обозначения размера обуви, белы и децибелы — относительные величины.
Из выше сказанного понятно, что уровень звука принято измерять в децибелах. Некоторые эталоны уровня звука используются в акустике на протяжении многих лет, начиная со времён изобретения телефона, и по сей день. Большинство этих эталонов сложно применить относительно современного оборудования, они используются только для устаревших единиц техники. На сегодняшний день на оборудовании в студиях звукозаписи и вещания используется такая единица, как дБu (децибел относительно уровня 0,775 В), а в бытовой аппаратуре – дБВ (децибел, отсчитываемый относительно уровня 1 В). В цифровой аудио аппаратуре для измерения мощности звука применяется дБFS (децибел полной шкалы).
дБм – “м” обозначает милливатты (мВт), данная единица измерения используется для обозначения электрической мощности. Следует отличать мощность от электрического напряжения, хотя эти два понятия тесно связаны друг с другом. Единицу измерения дБм начали использовать ещё на заре внедрения телефонных коммуникаций, на сегодняшний день её тоже используют в профессиональной аппаратуре.
дБu — в данном случае измеряется напряжение (вместо мощности) относительно эталонного нулевого уровня, за эталонный уровень принято считать 0,75 вольт. В работе с современной профессиональной аудио аппаратуре дБu заменён на дБм. В качестве единицы измерения в сфере звукотехники было удобнее использовать дБu раньше, когда для оценки уровня сигнала было важнее считать электрическую мощность, а не его напряжение.
дБВ – в основе данной единицы измерения так же лежит эталонный нулевой уровень (как и в случае с дБu), однако за эталонный уровень принимают 1 В, что является более удобным, чем цифра 0,775 В. Данная единица измерения звука часто используется для бытовой и полу профессиональной аудио аппаратуры.
дБFS – данная оценка уровня сигнала широко используется в цифровой звукотехнике и сильно отличается от указанных выше единиц измерения. FS (full scale) – полная шкала, которая используется из-за того, что, в отличие от аналогового звукового сигнала, которое имеет оптимальное напряжение, весь диапазон цифровых значений одинаково приемлем при работе с цифровым сигналом. 0 дБFS – это максимально возможный уровень цифрового звукового сигнала, который можно записать без искажения. У аналоговых стандартов измерения таких, как дБu и дБВ, после уровня 0 дБFS нет запаса по динамическому диапазону.
Если Вам понравилась статья , поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
Изучаемые вопросы
1. ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ЗВУКА
2. СВОЙСТВА МУЗЫКАЛЬНОГО ЗВУКА
3. ЧАСТИЧНЫЕ ТОНЫ. НАТУРАЛЬНЫЙ ЗВУКОРЯД
4. МУЗЫКАЛЬНАЯ СИСТЕМА. ЗВУКОРЯД. ОСНОВНЫЕ СТУПЕНИ И ИХ НАЗВАНИЯ. ОКТАВЫ
5. МУЗЫКАЛЬНЫЙ СТРОЙ. ТЕМПЕРИРОВАННЫЙ СТРОЙ. ПОЛУТОН И ЦЕЛЫЙ ТОН. ПРОИЗВОДНЫЕ СТУПЕНИ И ИХ НАЗВАНИЯ
6. ЭНГАРМОНИЗМ ЗВУКОВ
7. ДИАТОНИЧЕСКИЕ И ХРОМАТИЧЕСКИЕ ПОЛУТОНЫ И ЦЕЛЫЕ ТОНЫ
8. ОБОЗНАЧЕНИЕ ЗВУКОВ ПО БУКВЕННОЙ СИСТЕМЕ
1. ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ЗВУКА
Слово “звук” определяет два понятия: первое – звук как физическое явление; второе – звук как ощущение.
1) При вибрации какого-либо упругого тела, например, струны, в окружающем его воздухе возникают колебания давления, которые распространяются в пространстве, благодаря упругим свойствам воздуха.
Эти колебания называются звуковыми волнами. Они распространяются от источника звука по всем направлениям (то есть, каждая отдельная волна представляет собой быстро расширяющуюся сферу повышенного или пониженного давления).
2) Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервной системе в головной мозг, создавая ощущение звука.
2. СВОЙСТВА МУЗЫКАЛЬНОГО ЗВУКА
Мы воспринимаем большое количество различных звуков. Но не все звуки одинаково используются в музыке. В музыкальной теории принято различать звуки музыкальные и звуки шумовые.
Шумовые звуки не имеют точно выраженной высоты, например треск, скрип, стук, гром, шорох и т. п. Шумовые инструменты применяются лишь в качестве украшения или придания музыке эмоциональной насыщенности. К таким инструментам относятся почти все ударные: треугольник, малый барабан, разнообразные виды тарелок, большой барабан и др. В этом присутствует некоторая доля условности, о которой не следует забывать. Например, такой ударный инструмент как “деревянная коробочка” имеет звучание с достаточно ясно выраженной высотностью, однако этот инструмент все равно причисляется к шумовым. Поэтому отличать шумовые инструменты надежнее по тому критерию, возможно ли на данном инструменте исполнить мелодию, или нет.
Физический характер музыкального звука определяется несколькими свойствами; в их число входят: ВЫСОТА, ГРОМКОСТЬ и ТЕМБР.
Кроме того, в музыке имеет большое значение длительность звука. От того, что звук будет продолжительнее или короче, не меняется его физический характер, однако с точки зрения музыки длительность звука имеет столь же важное значение, как и остальные его свойства, поскольку от длительности зависит художественное содержание звука, или другими словами, его “настроение”.
Теперь рассмотрим каждое свойство музыкального звука в отдельности.
Высота звука определяется частотой колебаний вибрирующего тела. Чем чаще колебания, тем выше звук, и наоборот.
Громкость звука определяется энергией колебательных движений, то есть амплитудой колебаний. Чем шире амплитуда колебаний, тем громче звук, и наоборот:
ТЕМБРОМ называется качественная сторона звука, его окраска. Для определения особенностей тембра в музыкальной среде применяются слова из области ощущений, термины-метафоры, например, говорят: звук мягкий, резкий, густой, звенящий, певучий и т. п. Каждый инструмент или человеческий голос обладает характерным для него тембром, и даже один инструмент способен издавать звук различной окраски.
Различие тембров зависит от состава частичных тонов (натуральных призвуков или обертонов), которые присущи каждому источнику звука.
ЧАСТИЧНЫЕ ТОНЫ, или, иначе, обертоны – верхний тон – (нем.) – это неизбежные примеси, присутствующие в звуке любой природы. Их частоты всегда кратны частоте основного звука, а их количество и громкость может сильно варьироваться, благодаря чему и образуется различная тембровая окраска звука.
ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ЗВУКА – продолжительность колебаний источника звука. Если звучит упругое тело, предоставленное собственной инерции (например, струна), то длительность звучания пропорциональна амплитуде колебаний в начале звучания.
3. ЧАСТИЧНЫЕ ТОНЫ. НАТУРАЛЬНЫЙ ЗВУКОРЯД
Звуковая волна на практике всегда имеет довольно сложную форму, часто далеко не походящую на математическую синусоиду. Происходит это вследствие того, что колеблющееся тело (струна), вибрируя, преломляется в равных частях. Эти части производят самостоятельные колебания в общем процессе вибрации тела и образуют дополнительные волны, соответствующие их длине. Дополнительные (простые) колебания и вызывают образование частичных тонов. Высота частичных тонов различна, так как скорость колебания волн, от которых они образуются, не одинакова.
Например, если бы струна воспроизводила только основной тон, то форма ее волны соответствовала бы следующему графическому изображению:
Длина волны второго частичного тона, образующейся от половины струны, в два раза короче волны основного тона, а частота колебаний ее в два раза скорее и т. д.:
Если принять за единицу число колебаний первого звука (основного тона) струны, то числа колебаний частичных тонов выразятся рядом простых чисел:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и т. д.
Такой ряд звуков называется натуральным звукорядом.
Приняв за основной тон звук до большой октавы, мы можем построить ряд звуков с частотами, соответствующими этой закономерности:
Столь сложная структура звучания простой одиночной струны не воспринимается нами сознательно, потому что подобное строение имеют, в принципе, все звуки, с которыми мы имеем дело в своей жизни; а также потому, что громкости, амплитуды этих призвуков чаще всего на несколько порядков меньше, чем амплитуда главной, основной частоты струны.
4. МУЗЫКАЛЬНАЯ СИСТЕМА. ЗВУКОРЯД. ОСНОВНЫЕ СТУПЕНИ И ИХ НАЗВАНИЯ. ОКТАВЫ
Музыкальная система, положенная в основу современной музыкальной практики, представляет собой ряд звуков, находящихся между собой в определенных высотных взаимоотношениях. Расположение звуков системы по высоте называется звукорядом, а каждый звук – его ступенью. Полный звукоряд музыкальной системы включает в себя почти сотню звуков. Частоты этих звуков, от самых низких до самых высоких, заключены в пределы от 15-20 до 5000-6000 колебаний в секунду. Это те звуки, высоту которых способно различить человеческое ухо. Границы эти достаточно условны и сильно зависят от индивидуальных свойств слушающего и от тембра звука.
Основным ступеням звукоряда музыкальной системы присвоено семь самостоятельных названий:
до, ре, ми, фа, соль, ля, си
do, re, mi, fa, sol, la, si
Основные ступени соответствуют звукам, извлекаемым на фортепиано на белых клавишах:
Семь названий основных ступеней периодически повторяются в звукоряде и таким образом охватывают собой звуки всех основных ступеней, по всей длине частотной шкалы.
Это связано с тем, что каждый восьмой звук, считая вверх (не используя черных клавиш), образуется от удвоения частоты колебаний первого звука. Следовательно, он соответствует второму частичному тону первого (исходного) звука и поэтому практически с ним сливается по ощущениям слушателя.
Расстояние между звуками одинаковых ступеней называется октавой. Таким образом, весь звукоряд можно разделить на октавные участки. Началом октавы принято считать звук “до”. Весь звукоряд состоит из семи полных октав и нескольких звуков, образующих две неполные октавы по краям звукоряда (на концах фортепианной клавиатуры). Названия октав (от низких звуков к высоким) следующие: СУБКОНТРОКТАВА, КОНТРОКТАВА, БОЛЬШАЯ ОКТАВА, МАЛАЯ ОКТАВА, ПЕРВАЯ ОКТАВА, ВТОРАЯ ОКТАВА, ТРЕТЬЯ ОКТАВА, ЧЕТВЕРТАЯ ОКТАВА и ПЯТАЯ ОКТАВА. Когда Вы садитесь за клавиатуру фортепиано точно посередине ее длины, то прямо перед Вами окажутся клавиши ПЕРВОЙ ОКТАВЫ, звучание которых наиболее близко к высоте спокойно говорящего женского голоса.
Ниже приводится схема звукоряда музыкальной системы, изображенного в виде клавиатуры с делением на октавы:
5. МУЗЫКАЛЬНЫЙ СТРОЙ. ТЕМПЕРИРОВАННЫЙ СТРОЙ. ПОЛУТОН И ЦЕЛЫЙ ТОН. ПРОИЗВОДНЫЕ СТУПЕНИ И ИХ НАЗВАНИЯ
Соотношение высот звуков музыкальной системы называется музыкальным строем.
Эталоном для настройки музыкальных инструментов, от которого строится весь остальной звукоряд, служит частота 440 Hz – нота “ля” первой октавы. Различные музыкальные школы и эпохи пользовались неодинаковыми частотными эталонами: 450 Hz, 410 Hz и т.п. Сегодняшний стандарт 440 Hz является результатом многих споров и может считаться вполне устоявшимся во всем мире.
В общепринятой для Европы и Америки музыкальной системе каждая октава делится на двенадцать равных частей – полутонов. Такой музыкальный строй называется темперированным строем. Он отличается от натурального звукоряда (строя) тем, что все полутоны октавы в нем равны.
Благодаря тому, что октава разделена на 12 равных полутонов, полутон является самым узким расстоянием между звуками музыкальной системы. Расстояние, образованное двумя полутонами, называется целым тоном.
Расстояния между основными ступенями неодинаковы и располагаются следующим образом:
Целые тоны, образующиеся между основными ступенями, разделены на полутоны. Звуки, которые делят их на полутоны, извлекаются на фортепиано на черных клавишах. Таким образом, октава состоит из двенадцати звуков, расположенных на равном расстоянии друг от друга, но из них только семь звуков являются основными для звукоряда.
Каждая основная ступень звукоряда может быть повышена или понижена. Звуки, соответствующие повышенным и пониженным ступеням, считаются производными ступенями. Поэтому названия производных ступеней происходят от основных ступеней.
Повышение основных ступеней на полтона обозначается словом ДИЕЗ. Понижение основных ступеней на полтона обозначается словом БЕМОЛЬ. Повышение на два полутона – словами ДУБЛЬ-ДИЕЗ, например ФА-ДУБЛЬ-ДИЕЗ. Понижение на два полутона – словами ДУБЛЬ-БЕМОЛЬ, например СИ-ДУБЛЬ-БЕМОЛЬ.
Описанное повышение и понижение основных ступеней называется альтерацией (что означает, в данном контексте, изменение высоты).
6. ЭНГАРМОНИЗМ ЗВУКОВ
Выше было сказано, что все полутоны октавы в темперированном строе равны. Благодаря этому один и тот же звук может быть производным от повышения основной ступени, находящейся полутоном ниже его, или производным от понижения основной ступени, находящейся полутоном выше его, например фа-диез и соль-бемоль – это одна и та же клавиша фортепиано.
Высотное равенство ступеней, различных по названию и обозначению, называется энгармонизмом звуков.
Производная ступень может оказаться также и на одной высоте с основной ступенью, например си-диез и до или фа-бемоль и ми. При двойном повышении или двойном понижении наблюдается такое же явление, например фа-дубль-диез и соль; ми-дубль-диез и фа-диез;ми-дубль-бемоль и ре; до-дубль-бемоль и си-бемоль и т. д.
7. ДИАТОНИЧЕСКИЕ И ХРОМАТИЧЕСКИЕ ПОЛУТОНЫ И ЦЕЛЫЕ ТОНЫ
Выше были даны определения полутона и целого тона. Теперь следует установить разницу между диатоническими и хроматическими полутонами и целыми тонами.
ДИАТОНИЧЕСКИМ называется полутон, образующийся между двумя соседними основными ступенями звукоряда. Среди основных звуков имеется две таких пары: ми – фа и си – до.
Кроме указанных полутонов, диатонические полутоны могут образовываться между основной ступенью и соседней производной ступенью повышенной или пониженной.
8. ОБОЗНАЧЕНИЕ ЗВУКОВ ПО БУКВЕННОЙ СИСТЕМЕ
Кроме слоговых названий звуков, в музыкальной практике широко употребляется способ буквенного обозначения звуков, основанный на латинском алфавите.
Семь основных ступеней обозначаются следующим образом:
С, D, Е, F, G, А, Н ( до, ре, ми, фа, соль, ля, си).
В средних веках, когда формировалась эта система, звукоряд начинался со звука ля, а звук си-бемоль был основной ступенью. Позднее звук си-бемоль был заменен звуком си. Таким образом, звукоряд первоначально выглядел следующим образом: А, В, С, D, Е, F, G (ля, си-бемоль, до, ре, ми, фа, соль). Этим объясняется “нелогичное” присутствие в обозначениях буквы “Н”.
Для обозначения производных ступеней к буквам прибавляются слоги: is – диез; isis – дубль-диез; es – бемоль; eses – дубль-бемоль. Например: cis – до-диез, fisis – фа-дубль-диез, des – ре-бемоль, geses – соль-дубль-бемоль.
Исключение составляет производная ступень си-бемоль, за которой сохранилось традиционное обозначение буквой В, b.
При гласных а и е в слоге es буква е, для удобства произношения, отбрасывается; получается: ми-бемоль не ees, a es; ля-бемоль не aes, aas.
Для обозначения октав к буквам добавляются цифры или черточки. Звуки большой и малой октавы обозначаются соответственно прописными и строчными буквами (большими и малыми).
Например, ля большой октавы – А, соль малой октавы – g. Звуки от первой октавы до пятой обозначаются строчными буквами с прибавлением цифр, соответствующих названию октав, или такого же количества черточек сверху. Например:
Звуки контроктавы и субконтроктавы обозначаются, прописными буквами с добавлением к ним цифр или черточек снизу. Например:
Список литературы
1.Алексеев Б., Мясоедов А. Элементарная теория музыки. М., Музыка, 1986
2.Вахромеев В.А. Элементарная теория музыки: учебник. 8-е изд. – М., Музыка, 1983
3.Дубинец Е. Знаки звуков. – М., 1999
4.Красинская Л., Уткин В., Элементарная теория музыки. 4-е изд., доп. – М., Музыка, 1991
Источник