Структура вивчення звуку та обладнання для роботи із звуком

1.

Структура вивчення звуку та обладнання для роботи із звуком
Застосування
комп ютерних
для аналізу та
моделювання
акустичних умов
та СЗВ
Звук та його
основні
параметри
Елементи
психоакустики
Елементи
музичної акустики
та мовотворення
Застосування
комп ютерних
технологій для
обробки
Аналіз та
моделювання
акустичних умов
приміщень
Аналіз систем
звуковідтворення,
озвучення та
звукопідсилення
Електроакустика
Архітектурна
акустика
Системи
звуковідтворення,
озвучення та
звукопідсилення
Оцінка якості
звуковідтворення
Обробка
аналогових
звукових
сигналів
Звукозапис
аналогових
сигналів
Пристрої
реєстрації та
збереження
аналогових
сигналів
Носії
аналогових
сигналів
Аналіз пристроїв
реєстрації та
збереження
інформації
АЦП та ЦАП
звукових сгналів
Елементи
звукорежисури
Передача та
прийом звукових
сигналів
Формування
мультимедійного
звукового
контенту
Застосування
комп ютерних
технологій
Обробка
цифрових
звукових
сигналів
Звукозапис
цифрових
сигналів
Пристрої
реєстрації та
збереження
цифрових
сигналів
Носії
цифрових
сигналів
Аналіз пристроїв
реєстрації та
збереження
інформації
1

2.

ЗВУК. ВИЗНАЧЕННЯ ТА ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Акустичний
звуковий
сигнал
рзв
Lр
зв
Електричний
звуковий
М сигнал
Uзв
NU
Мікрофонний
підсилювач
Тракт формування,
обробки, запису/
відтворення звукових
сигналів
Підсилювач
потужності
Електричний
звуковий
сигнал
PЕзв
Гм
Акустичний
звуковий
сигнал
рзв
Lр
зв
зв
Рисунок 1 – Узагальнена структура роботи із звуком
рзв – звуковий тиск, Па;
Lрзв – рівень звукового тиску, дБ;
Uзв – напруга звукового електричного сигналу, В;
NUзв – рівень напруги звукового електричного сигналу, дБ;
PЕзв – потужність звукового електричного сигналу, Вт.
Звук - це особливий вид механічних коливань, здатний викликати слухові відчуття.
Звук - суб'єктивна характеристика акустичних коливань, що відображає здатність слухового апарату
людини розпізнавати частоту і інтенсивність акустичних коливань певного частотного діапазону.
Акустика з грецького (акуо) - «чую» - наука про звук, є одним з напрямків фізики (точніше механіки).
2

3.

В сферу інтересів сучасної акустики входять:
- виникнення звуку, що вимагає вивчення фізичної природи звуку, а також методів і засобів його
створення. Цими питаннями займається акустика музичних інструментів, акустика мови,
електроакустика.
- передача звуку від джерела до слухача - це завдання архітектурної акустики, електроакустики і ін .;
- сприйняття звуку слуховою системою людини і зв'язок слухових відчуттів з об'єктивними
параметрами звуку - це завдання психоакустики.
Музична акустика - проблеми створення, поширення і сприйняття музичних звуків, точніше - звуків, які
використовуються в музиці. Акустика мови - теорія і синтез мови, виділення мови на тлі шумів, автоматичне
розпізнавання мови і т. д.
Електроакустика - теорія і практика конструювання випромінювачів і приймачів, що перетворюють
електричну енергію в акустичну і навпаки, а також всіх елементів сучасних звукових трактів запису, передачі та
відтворення звуку.
Архітектурна акустика - закони поширення звуку в закритих (напівзакритих, відкритих) приміщеннях,
методи управління структурою поля в приміщенні і т. д.
Психоакустика - основні закони слухового сприйняття, визначення зв'язку об'єктивних і суб'єктивних
параметрів звуку, визначення законів розшифровки «звукового образу».
Цифрова акустика - активно розвивається в останні роки, поступово виділяється в самостійний напрям у
зв'язку зі створенням нового покоління мікропроцесорної (аудіопроцесорної) і комп'ютерної техніки.
3

4.

Звукова хвиля - це процес перенесення енергії механічних коливань в пружному середовищі (наприклад, у
повітрі). Звукова хвиля формується поступовим поширенням деформації (стиснення або розрідження) в
пружному середовищі, тобто, хвилеподібною зміною щільності (густини) середовища, що викликано звуковими
коливаннями.
Звуковими коливаннями називають коливальні рухи частинок середовища під дією збурення. Простір, в
якому відбувається поширення цих хвиль, називають звуковим полем.
pзв ампл
Фронт хвилі
Поршень, що
коливається
Звуковий
промінь
Т сзв
р
pзв д
pа ст
t
Т сзв
- довжина хвилі
Т - період коливань
сзв - швидкість звуку
Рисунок 2 - Створення звукових коливань в повітряному середовищі при синусоїдальному коливанні джерела звуку
Звукова хвиля характеризується амплітудою коливання, наприклад, амплітудою за звуковим тиском ра,
довжиною хвилі λ, періодом коливань Т, швидкістю звуку с. Звукові хвилі поширюються з відповідною швидкістю,
що називають швидкістю звуку.
4

5.

Довжина звукової хвилі, що дорівнює відстані між сусідніми фронтами, що знаходяться в однаковій
фазі (рис. 1.1),
=cT=c/f,
c – швидкість звуку, с=343 м/с (t°повітря = 20°С);
f – частота коливань, Гц.
Швидкість звуку в повітрі при температурі 20°С становить 343 м/с, що дорівнює 1235 км/год (при
температурі 0°С с = 331 м/с, при -20°С с = 319 м/с). Це досить багато по відношенню до швидкості
переміщення людини (6 км/год) або поїзда (80-100 км/год), але мало по відношенню до швидкості світла,
яка становить 300 000 км/с, або 108 107 км/год. Швидкість звуку не залежить від частоти.
Для розрахунків найчастіше використовують значення швидкості звуку 340 м/с, що відповідає
швидкості звуку при температурі 17°С.
Звуковими сигналами, які може чути людина, вважаються сигнали з частотами 20-20000 Гц
(частотний діапазон fзв=20…20000 Гц), відповідно довжини звукових хвиль для цих сигналів 17 метрів
- 1,7 см ( зв=17 м … 1,7 см). Реально людина сприймає діапазон 30-15000 Гц, відповідно довжини
звукових хвиль для цих сигналів 11,3 метра - 2,27 см.
Частоти, що лежать нижче 20 Гц, називаються інфразвуковими, а вище 20 кГц ультразвуковими.
5

6.

Таблиця 1.1 - Швидкість звуку і питомий акустичний опір для деяких середовищ
кг
м3
Середовище
t, оС
,
Водяна пара
Повітря
Повітря
Вода прісна
Вода солона
Гелій газ
Залізо
Скло
Гума
100
0
20
15
15
0
-
0.58
1.29
1.2
999
1027
0.18
7800
3250
950
c, м/с
405
331
343
1430
1500
970
~ 5.5 тис
5500
30
,
Па с кг
(
)
м м2 с
230
428
413
1430∙103
1550∙103
172
45 10 6
18 10 6
600
6

7.

Звукові сигнали умовно ділять на низькочастотні (20-500 Гц), середньочастотні
(500 Гц - 5 кГц), високочастотні (5кГц - 20 кГц).
Звукові хвилі, що передають енергію і інформацію від джерела звукового сигналу у
повітряному просторі, називаються акустичними або звуковими акустичними
сигналами. Акустичні звукові сигнали, що перетворені за допомогою мікрофона в
електричний вид називаються електричними звуковими сигналами.
Існуючі в природі звуки збуджуються або простими гармонічними (наприклад,
синусоїдальними) коливаннями, або складними, що складаються з багатьох (іноді –
багаточисленних), але одночасно здійснюваних гармонічних коливань.
Прості гармонічні коливання в природних умовах зустрічаються вкрай рідко.
Прості звуки - це синусоїдальні коливання (чисті тони), що одержуються за допомогою
генератора звукових коливань. Прості звуки характеризуються частотою і амплітудою.
Частота простого звуку або основного тону складного звуку викликає слухове відчуття,
яке називається «висотою» тону. Зміна частоти коливань від 20 до 20000 Гц викликає
сприйняття тону, що поступово змінюється від найнижчого (басового) до самого
високого. Ступенем зміни висоти тону є октава. Октаві відповідає зміна частоти у 2
рази.

8.

де А - амплітуда коливань, Т - період коливань, f частота коливань, f = 1 / Т, ω - кутова (кругова)
частота, ω = 2πf, φ0 - початкова фаза.
x(t)
0
де γ - коефіцієнт загасання; він залежить від маси тіла і внутрішнього тертя
r
1
матеріалу
g
2m
Чим більше коефіцієнт загасання, тим швидше згасають коливання (тим
швидше зменшується їх амплітуда).
Коефіцієнт загасання, а значить, і швидкість загасання коливань
залежать також від коефіцієнта внутрішнього тертя матеріалу.
Коефіцієнт загасання обернено пропорційний постійній часу (час,
протягом якого амплітуда коливань зменшиться в е = 2,71828 раз).
Враховуючи математичну постійну е, загасання коливання відбувається за
експонентою.
_
t
_
f= /2p
Загасаюче коливання можна графічно представити у вигляді коливань з
амплітудою, що поступово зменшується і описується формулою
x(t ) Ae g t sin( ' t 0 )
t
+
xд
хm
x(t ) A sin( t 0 )
хm
Просте гармонійне коливання описується за
формулою
х
A
Т=1/f
x/x0
e-gt
2
4
6
8
10
12 14
t, c

9.

У електроакустиці, музичній акустиці, радіотехніці для визначення процесів загасання часто
використовується величина, що називається добротністю системи - Q.
p
p
Q
Добротність Q визначається як величина, зворотна коефіцієнту загасання:
gT T
Чим менше добротність, тим швидше згасають коливання. Добротність показує скільки
періодів укладається в проміжку часу, що дорівнює постійній часу τ (с).
Якщо Q < 0,5, то загасання буде настільки велике, що система взагалі не буде здійснювати
коливання, вона практично відразу зупиниться (рис. 1.3, б). Такий рух називається аперіодичним.
Величина добротності музичних інструментів досить велика: камертон Q = 10000, резонатор
духового інструменту Q = 10-60 та ін. В той же час акустичні системи мають добротність на
низьких частотах в межах Q = 0,7-1,2.
Всі реальні тіла, і струна в тому числі, має нескінченно багато власних частот і форм (мод)
поперечних коливань, тому коливання струни називають коливанням складної форми. Складні
музичні звуки створюються в результаті змішування простих гармонічних коливань – гармонік.
При збудженні реальних тіл вони роблять коливання складної форми, які можуть бути представлені
у вигляді суми одночасних коливань з різними власними частотами і амплітудами (метод
представлення називається аналізом Фур'є).
Набір власних частот і амплітуд коливань, які збуджуються в даному тілі при впливі на нього
зовнішньої сили (удаpoм, щипком, смичком і ін.), називається амплітудним спектром. Якщо
представлено набір фаз коливань на цих частотах, то такий спектр називається фазовим.

10.

Фундаментальна частота
L
f0
2
f2=2f1
3
f3=3f1
4
f4=4f1
5
f5=5f1
...
Рисунок 1.2 - Спектр складного музичного звуку та
коливання струни на фундаментальній частоті та
гармоніках
t
f10=10f1
10
...
`
pзв
f1
f2
f3
f0 f2 f3
1
n
pзв
fn=nf1
pm
pср
+
+
-
+
-
+
+
-
t
+
-
-
t
Рисунок – Вигляд складного
музичного звуку та
синусоїдального сигналу
10

11.

Перша основна (нижча) власна частота називається фундаментальною частотою f1 (іноді
її називають основною частотою f0). Всі власні частоти вище першої називаються
обертонами, наприклад (рис. 1.2), фундаментальна частота f0(1)=100 Гц, перший обертон - 110
Гц, другий обертон - 180 Гц і т. д. Обертони, частоти яких знаходяться в цілочисельних
співвідношеннях з фундаментальної частотою, називаються гармоніками (при цьому
фундаментальна частота називається першою гармонікою).
Як вібратори в музичних інструментах, що настроюються, можуть використовуватись
лише ті тіла, які мають власні частоти, що знаходяться в гармонійних відносинах, тобто, у
яких всі обертони є гармоніками.
Реальні випромінювачі, наприклад голосові зв'язки, струни рояля, скрипки коливаються
одночасно не одним, а кількома способами, випромінюючи при цьому не тільки основне
коливання, але і ряд інших, так званих вищих гармонік, або обертонів. Амплітуди гармонік
завжди менше амплітуди основного коливання, а їх частоти в ціле число разів більше
основної частоти. Склад гармонік визначає тембр (забарвлення) основного звуку, дозволяючи
розрізняти звучання одного і того ж тону, випромінюваного, наприклад, роялем і скрипкою,
чоловічим голосом і жіночим і т. д.
Внаслідок цього повний частотний діапазон спектра кожного музичного інструменту
завжди ширше висотного діапазону основного ладу цього ж інструмента.

12.

Літаври
F#7 2960
G#7 3322
A#7 3729
С#7 2218
D#7 2489
F#6 1480
G#6 1661
A#6 1865
С#6 1108,7
D#6 1244,5
F#5 740,0
G#5 830,6
A#5 932,5
С#5 554,4
D#5 622,3
F#4 370,0
G#4 415,3
A#4 466,2
С#4 277,2
D#4 311,1
F#3 185,0
G#3 207,7
A#3 233,1
С#3 138,6
D#3 155,6
F#2 92,50
G#2 103,83
A#2 116,54
С#2 69,30
D#2 77,78
F#1 46,25
G#1 51,91
A#1 58,27
С#1 34,65
D#1 38,89
C0
D0
E0
F0
G0
27,50 A0
30,87 B0
32,7
С1
36,71 D1
41,20 E1
43,63 F1
49,00 G1
55,00 A1
61,74 B1
65,41 С2
73,42 D2
82,41 E2
87,31 F2
98,00 G2
110,00 A2
123,47 B2
130,81 С3
146,83 D3
164,81 E3
174,61 F3
196,00 G3
220,00 A3
246,94 B3
261,63 С4
293,66 D4
329,63 E4
349,23 F4
397,00 G4
440,00 A4
493,88 B4
523,25 С5
587,33 D5
659,26 E5
698,46 F5
783,90 G5
880,00 A5
987,77 B5
1046,50 С6
1174,66 D6
1318,51 E6
1396,91 F6
1567,98 G6
1760,00 A6
1975,53 B6
2093,00 С7
2349,32 D7
2637,02 E7
2793,83 F7
3135,96 G7
3520,00 A7
3951,07 B7
4186,01 С8
A#0 29,14
Тамтами
Мова, музика і
Ударні
Гонг
Бас-барабан
Сопрано-саксофон
шуми - це звуки,
Тенор-саксофон
Бас-саксофон
Мідні
Труба
що
збуджуються
Валторна
духові
Тромбон
Туба
коливаннями
Флейта-пікколо
Дерев яні
Флейта
Гобой
Кларнет
складної форми.
духові
Фагот
Гітара
Частотний діапазон
Скрипка
Альт
Струнні
Віолончель
Конрабас
мови і музичних
Сопрано
Меццо-сопрано
інструментів
Тенор
Голос
Баритон
Бас
обмежений. Так,
Акордеон
Орган
наприклад, нижнє
Піаніно
... Синтезатор
«до» рояля дає тон
Значення частоти
ноти f, Гц
з частотою 32,7 Гц,
Позначення ноти
Клавіатура
а верхнє, віддалене
фортепіано
Позначення ноти
на сім октав від
Значення частоти
ноти f, Гц
нижнього, - з
1 октава
2 октава
3 октава
4 октава
5 октава
СубконрКонрВелика
Мала
частотою 32,7·27=
октава
октава
октава
октава
0
1
2
3
4
5
6
7
8
S 2 1, 0595
4186 Гц.
Рисунок 1.3 – Частотні діапазони основних тонів музичних інструментів
Інтервальний коефіцієнт
напівтону для
рівномірно темперованої
шкали
12

13.

Таблиця 1.2 - Параметри роздратування і параметри відчуття
Параметри роздратування
Частота
Частотний діапазон, АЧХ
Параметри відчуття
Висота тону
Тембр ( «сухий», «соковитий», різкий,
натуральний).
Нерівномірність АЧХ
Зміна тембру
Амплітуда, рівень сигналу Інтенсивність Гучність, рівень гучності
сигналу
Нестабільність рівнів
Зміна гучності (коливання гучності)
Динамічний діапазон
Відчуття самих тихих і найгучніших
звуків
Коефіцієнт нелінійних спотворень
Помітність спотворень
Зважений шум
Звукові перешкоди
13

14.

Параметри звукових сигналів
Звуковий тиск
рзв = ра м - ра ст;
F
р
, (Н/м2) (Па),
S
рзв – звуковий тиск, Па;
ра м – атмосферний тиск, миттєве значення, Па;
ра ст – статичний атмосферний тиск, 101 325 Па;
F – сила, що діє на площадку площею S;
S – площа.
Звуковий тиск є визначним параметром звуку по відношенню до людини, тобто це
те, що сприймає і відчуває людина слуховими органами.
14

15.

Інтенсивністю звуку або сила звуку
Рак
I
Sфр
Вт
( 2)
м
I
2
pеф
0сзв
,
Рак - акустична потужність випромінювача, Вт;
Sфр - повна площа фронту звукової хвилі, м2;
реф – ефективне (діюче) значення звукового тиску, Па (рзв еф = 0,7рампл);
0 = 1,2041 кг/м3 - щільність повітря при нормальних (нульових) умовах:
атмосферному тиску 760 мм рт. ст., температурі t° = 20°C і вологості 80%;
сзв = 343 м/с - швидкість поширення звуку в повітрі при тих же умовах;
а сзв – питомий акустичний опір.
Інтенсивність – це параметр, який визначає акустичну потужність звукового
акустичного сигналу, тобто, джерела.
15

16.

ВИДИ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗВУКОВИХ ХВИЛЬ
ПЛОСКА ХВИЛЯ
Фронт плоскої хвилі - площина, звукові промені йдуть паралельно один одному. Енергія в плоскій хвилі не
розходиться в сторони, інтенсивність звуку практично не залежить від відстані, що пройшла хвиля, якщо знехтувати
втратами на в'язкість середовища, молекулярне розсіювання, турбулентний загасання і дифракцію хвиль.
Інтенсивність звуку в плоскій хвилі
I = рm υm/2 = ре υе = р2е/(ρс),
де ре і υе - ефективні значення звукового тиску і швидкості коливань.
СФЕРИЧНА ХВИЛЯ
Звукове поле сферичної хвилі - в області низьких частот, де довжина звукової хвилі велика по відношенню до розміру
джерела λ >> d (наприклад, на частоті 40 Гц, де довжина хвилі дорівнює 8,5 м, практично будь-яке джерело звуку
матиме розміри менше довжини хвилі), можна вважати джерело сигналу точковим, а тривимірну звукову хвилю, що
розходиться в різні боки навколо нього - сферичною.
Фронт сферичної хвилі являє собою сферу, в центрі якої знаходиться джерело коливань, а звукові промені збігаються
з радіусами сфери.
Ir=I1/r2
pr = p1/r
2
2
Pa = const.
Pa 4p ra I a 4p rb I b
ЦИЛІНДРИЧНА ХВИЛЯ
Для циліндричної хвилі фронт хвилі має круглу циліндричну форму, вісь циліндра збігається з віссю джерела звуку, а
радіуси циліндра - зі звуковими променями (якщо джерело звуку має нескінченну довжину). Потік енергії не
розходиться уздовж твірної циліндра.
Ir = I1/r
Pa 2p hra I a 2p hrb I b
pr p1 / r
16

17.

ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ ХВИЛЬ
Інтерференція звукових хвиль виникає при одночасному поширенні двох або декількох хвиль, що поширюються в
різних напрямках. Інтерференція взаємне накладення звукових хвиль одна на іншу.
ВІДБИТТЯ ЗВУКУ
Якщо звукова хвиля зустрічає на своєму шляху яку-небудь перешкоду або іншу середу з іншими параметрами, то
при падінні звукової хвилі на поверхню відбувається часткове поглинання і часткове відбиття звукової хвилі. Закони
відбиття звукових хвиль аналогічні законам відбиття світлових хвиль: кут падіння φ1 дорівнює куту відбиття φ2 .
ЗАЛОМЛЕННЯ ЗВУКУ
Звукова хвиля, падаючи на поверхню розділу двох середовищ, як і світлова хвиля, частково проходить в інше
середовище. При цьому відбувається заломлення хвилі, тобто якщо хвиля падає на поверхню розділу під кутом φ1,
то в наступному середовищі напрямок руху хвилі (звукового променю) буде під кутом φ2.
ДИФРАКЦІЯ ХВИЛЬ
Якщо розміри перешкоди мають величину меншу довжини звукової хвилі або хвиля падає близько до краю
перешкоди (у порівнянні з довжиною хвилі), то хвиля дифрагує навколо перешкоди (рис. 1.8). Дифракція обгинання (поглинання) звуковими хвилями перешкоди.
ЗАГАСАННЯ ХВИЛЬ
У реальних середовищах звукові хвилі затухають внаслідок в'язкості середовища і молекулярного загасання.
Причому загасання звукових хвиль через в'язкість, а також молекулярне затухання залежать від частоти коливань,
температури і вологості повітря і визначаються в децибелах на кілометр.
17

18.

1 2
1
Середовище 1
2
1
с1
Границя
середовищ
с2
2
( пад відб ) 2
Середовище 2
2
pвідб
.
відб
2
( пад відб )
pпад
(428 413) 2
(413 1,43 106 ) 2
4
відб 0-20
3,2 10 , відб вода-пов
0,9994,
(428 413) 2
(413 1,43 106 ) 2
18