Звук в воздухе — это быстрые и очень малые колебания давления. Микрофон (microphone)микрофон (microphone) — Устройство, преобразующее звуковые колебания в электрический сигнал. В идеальной модели напряжение на выходе пропорционально звуковому давлению. превращает их в электрическое напряжение той же формы, и уже это напряжение записывают, усиливают и оцифровывают.
Звук как колебания давления
Источник звука — колеблющееся тело: струна, мембрана динамика, голосовые связки. Мембрана, двигаясь вперёд, сжимает прилегающий слой воздуха, а двигаясь назад, разрежает его. Сжатый слой давит на соседний, тот на следующий, и область повышенного давления уходит от источника. За ней следует область пониженного давления, затем снова повышенного.
Такое распространение колебаний давления в среде называется звуковой волной (sound wave)звуковая волна (sound wave) — Распространяющиеся в упругой среде колебания давления: частицы среды колеблются около своих мест и передают сжатия и разрежения соседним.. В воздухе частицы смещаются вдоль направления распространения волны, поэтому её называют продольной. Каждая частица только колеблется около своего положения равновесия и передаёт движение соседям (Russell, Wave Motion). Звук распространяется и в жидкостях, и в твёрдых телах; дальше речь идёт о воздухе.
Если поставить в одной точке датчик давления, он покажет, как давление меняется во времени. Удобно следить не за полным давлением, а за его отклонением от атмосферного. Положительное отклонение соответствует сжатию, отрицательное — разрежению. Для чистого тона (pure tone)чистый тон (pure tone) — Синусоидальное звуковое колебание одной частоты. Служит простой моделью для изучения частоты, фазы и громкости., например звука камертона, график отклонения имеет форму синусоиды — колебания одной частоты (frequency)частота (frequency) — Число полных колебаний за секунду. Обозначается f и измеряется в герцах; 1 Гц означает одно колебание в секунду. (рисунок 1).
Частота, период, длина волны и фаза
Время одного полного колебания называется периодом (period)период (period) — Время одного полного повторения периодического колебания. Обозначается T, измеряется в секундах и связано с частотой как T = 1/f. и измеряется в секундах. Число колебаний за секунду — частотачастота (frequency) — Число полных колебаний за секунду. Обозначается f и измеряется в герцах; 1 Гц означает одно колебание в секунду. , её единица — герц (Гц): 1 Гц означает одно колебание в секунду. Период и частота обратны друг другу (формула 1).
- частота, Гц;
- период, с.
Частота определяет высоту тона (pitch)высота тона (pitch) — Ощущение, по которому звук воспринимают как низкий или высокий. Для чистого тона растёт с частотой; физическая частота и ощущение высоты — разные величины.: чем она больше, тем выше звучит тон. Человек слышит частоты примерно от 20 Гц до 20 кГц. Это усреднённые границы: у конкретного слушателя они другие, а чувствительность внутри диапазона неодинакова и выше всего примерно от 1 до 4 кГц (Smith, глава 22).
Пока частица воздуха совершает одно колебание, волна успевает уйти на расстояние, которое называется длиной волны (wavelength)длина волны (wavelength) — Расстояние между ближайшими точками волны в одинаковой фазе, например соседними сжатиями. Обозначается λ, измеряется в метрах; λ = c/f. . Это расстояние между соседними сжатиями в пространстве, тогда как период — интервал между ними во времени. Длина волны связана с частотой через скорость звука (speed of sound)скорость звука (speed of sound) — Скорость распространения звуковой волны в среде. Измеряется в м/с; в воздухе при 20 °C составляет примерно 343 м/с. (формула 2).
- длина волны, м;
- скорость звука в среде, м/с.
Скорость звукаскорость звука (speed of sound) — Скорость распространения звуковой волны в среде. Измеряется в м/с; в воздухе при 20 °C составляет примерно 343 м/с. определяется свойствами среды: в сухом воздухе она не зависит от частоты и амплитуды (amplitude)амплитуда (amplitude) — Наибольший модуль отклонения колеблющейся величины от равновесного значения. Для синусоиды обозначается A; единицы совпадают с единицами сигнала., но растёт с температурой. Вблизи комнатной температуры её приближённо описывает выражение м/с, где — температура в градусах Цельсия (HyperPhysics, Speed of Sound). При 20 °C получается около 343 м/с; это значение используется в расчётах таблицы 1.
| f | T | λ | Пример |
|---|---|---|---|
| 20 Гц | 50 мс | 17,2 м | Нижняя граница слуха |
| 100 Гц | 10 мс | 3,43 м | Низкий гул |
| 1 кГц | 1 мс | 34,3 см | Середина слышимого диапазона |
| 20 кГц | 0,05 мс | 1,72 см | Верхняя граница слуха |
Слышимые длины волн различаются в тысячу раз: от размеров комнаты до ширины пальца. Поэтому одна и та же комната или преграда по-разному влияет на низкие и высокие звуки.
Как звучат частоты из таблицы, можно послушать в визуализации 2. Ползунок меняет частоту чистого тона от 20 Гц до 20 кГц по логарифмической шкале (logarithmic scale)логарифмическая шкала (logarithmic scale) — Шкала, на которой равные расстояния соответствуют одинаковым отношениям положительных величин. Например, 100, 1000 и 10 000 Гц расположены на равных расстояниях.: равные отрезки соответствуют равным отношениям частот, каждая треть длины — десятикратному изменению. Рядом показаны период и длина волны выбранного тона. Частоту можно менять во время звучания: тон плавно меняет высоту.
- Частота f
- 1 000 Гц
- Период T
- 1 мс
- Длина волны λ
- 34,3 см
Область наибольшей чувствительности слуха. Примерно от 1 до 4 кГц слух чувствительнее всего: при той же громкости тон кажется громче, чем на краях диапазона.
Какова длина волны тона 440 Гц (нота ля первой октавы) в воздухе при 20 °C?
По формуле 2: м. Период этого тона мс.
Фаза
Частота и период задают, как часто повторяется колебание. В какой точке цикла оно находится в данный момент, показывает фаза (phase)фаза (phase) — Положение внутри периода колебания, выраженное углом: полный период соответствует 360°, или 2π радиан. Начальная фаза — её значение в момент t = 0.. Её измеряют углом: полный период соответствует 360°, или радиан (radian)радиан (radian) — Единица угла, заданная отношением длины дуги окружности к её радиусу. Дуга длиной в один радиус соответствует 1 рад; полный оборот — 2π рад., половина периода — 180°, четверть — 90°. Угол появляется потому, что синусоида — проекция точки, которая равномерно движется по окружности: за период точка делает один оборот, а её высота над центром меняется по синусоиде (J. O. Smith, Projection of Circular Motion).
С учётом фазы чистый тон записывается формулой 3 (J. O. Smith, Sinusoids).
- отклонение давления от атмосферного в момент , Па;
- амплитуда, Па;
- время, с;
- начальная фаза, рад.
Выражение в скобках, , — фаза в момент : за каждый период она растёт на . Начальная фаза — её значение при . При давление в момент равно нулю и растёт, как на рисунке 1. Начальная фаза зависит от того, какой момент принят за ноль времени, поэтому для одного тона она произвольна. Смысл имеет разность фаз двух колебаний одной частоты: она показывает, насколько одно опережает другое.
Сдвиг фазы равнозначен сдвигу во времени. Синусоида, сдвинутая раньше на , имеет вид , то есть её фаза больше на (J. O. Smith, Sinusoids at the Same Frequency). С учётом формулы 1 отсюда следует формула 4.
- разность фаз, рад или градусы;
- сдвиг во времени, с.
Для тона 1 кГц с периодом 1 мс разность фаз 90° — четверть периода, 0,25 мс. Синусоида с большей начальной фазой проходит те же значения раньше. Визуализация 3 показывает две такие синусоиды: ползунок меняет начальную фазу пунктирной от 0 до 360°, отрезок над графиком показывает, на сколько она опережает сплошную. На окружности рядом с графиком угол между векторами равен разности фаз, а высота конца каждого вектора — значению его синусоиды в момент .
- опорная, φ = 0°
- сдвинутая на φ
- Δt — сдвиг во времени
φ = 90°. Пунктир опережает сплошную линию на Δt = 1/4 T = 0,25 мс.
При сдвиге на 180°, половину периода, : в каждый момент значения равны по модулю и противоположны по знаку, сжатие одной волны приходится на разрежение другой. Такие колебания называют противофазными, поэтому смену знака синусоиды описывают и как сдвиг фазы на 180°. Сдвиг на 360° возвращает синусоиду к исходной: фазы, которые отличаются на целое число оборотов, описывают одно и то же колебание.
Два тона 440 Гц различаются по фазе на 90°. На сколько один опережает другой во времени?
По формуле 4: . Период тона мс, поэтому мс.
Амплитуда и звуковое давление
Отклонение давления от атмосферного, вызванное звуковой волной, называется звуковым давлением (sound pressure)звуковое давление (sound pressure) — Отклонение давления в среде от равновесного, например атмосферного, вызванное звуковой волной. Измеряется в паскалях.. Его измеряют в паскалях (Па). Наибольшее отклонение за период — амплитудаамплитуда (amplitude) — Наибольший модуль отклонения колеблющейся величины от равновесного значения. Для синусоиды обозначается A; единицы совпадают с единицами сигнала. на рисунке 1. При одной и той же частоте звук с большей амплитудой воспринимается громче; восприятие громкости (loudness)громкость (loudness) — Ощущение того, насколько сильным кажется звук. Зависит от звукового давления, частотного состава и условий восприятия. зависит и от частоты.
Звуковые колебания очень малы по сравнению с самим атмосферным давлением, около 101 325 Па. За условный порог слышимости (threshold of hearing)порог слышимости (threshold of hearing) — Минимальный уровень звука, который слушатель способен обнаружить в заданных условиях. Зависит от частоты и слушателя; опорные 20 мкПа не задают его для всех частот. принимают среднеквадратичное давление 20 мкПа, или Па, то есть примерно в 5 миллиардов раз меньше атмосферного давления (HyperPhysics, Sound Intensity). Даже у звука на условном болевом пороге (threshold of pain)болевой порог (threshold of pain) — Уровень звука, при котором слушание становится болезненным. Условно около 130 дБ SPL; задаёт верхнюю границу слуховой области., около 130 дБ SPL, среднеквадратичное звуковое давление составляет примерно 63 Па — около 0,06 % атмосферного.
Реальный звук редко бывает чистым тоном. Голос, музыкальный инструмент или шум дают более сложную форму, но в данной точке это по-прежнему одна величина, давление, меняющаяся во времени. Её и преобразует микрофон.
Аналоговый аудиосигнал
Микрофонмикрофон (microphone) — Устройство, преобразующее звуковые колебания в электрический сигнал. В идеальной модели напряжение на выходе пропорционально звуковому давлению. преобразует звуковое давление в электрическую величину. В динамическом микрофоне (dynamic microphone)динамический микрофон (dynamic microphone) — Микрофон, использующий электромагнитную индукцию. В описанном варианте мембрана перемещает катушку в магнитном поле, и в ней возникает напряжение. звук двигает мембрану со связанной катушкой в поле магнита, и в катушке наводится напряжение. В конденсаторном микрофоне (condenser microphone)конденсаторный микрофон (condenser microphone) — Микрофон, в котором движение мембраны меняет ёмкость конденсатора. Электрическая цепь преобразует это изменение в аудиосигнал. давление меняет расстояние между тонкой мембраной и неподвижной пластиной, а значит, ёмкость и ток в цепи. В обоих случаях выходное напряжение или ток повторяет изменения звукового давления (HyperPhysics, Microphones).
Получившееся напряжение называется аналоговым аудиосигналом (analog audio signal)аналоговый аудиосигнал (analog audio signal) — Электрическое напряжение или ток, непрерывные во времени и по значению и представляющие звуковые колебания. В идеальной модели форма сигнала повторяет изменения звукового давления.. Слово «аналоговый» означает, что электрическая величина ведёт себя аналогично давлению: где давление выросло, выросло и напряжение (рисунок 4).
Аналоговый сигнал непрерывен в двух смыслах. Он определён в любой момент времени, а не только в отдельные моменты. Его значение может быть любым в пределах диапазона, а не только одним из заранее заданных уровней. Например, его можно рассматривать как напряжение, меняющееся во времени.
Дальше сигнал усиливают, передают по кабелю и записывают. Компьютер не может хранить непрерывную функцию (function)функция (function) — Правило, сопоставляющее каждому допустимому значению аргумента ровно одно выходное значение. Запись h(u) обозначает результат функции h при аргументе u.: при оцифровке сигнал измеряют через равные промежутки времени — это дискретизация (sampling)дискретизация (sampling) — Измерение непрерывного сигнала через равные промежутки времени: вместо функции времени сохраняется последовательность отсчётов. и округляют каждое значение до одного из конечного набора уровней — это квантование (quantization)квантование (quantization) — Замена значения отсчёта одним из конечного набора представимых уровней. Разность между выбранным уровнем и исходным значением называется ошибкой квантования.. Дискретизация ограничивает частоты, которые можно восстановить, а квантование добавляет ошибку значений; их рассматривают отдельно (Smith, глава 3).
Источники
- Russell D. A. Acoustics and Vibration Animations. Wave Motion in Mechanical Medium. в списке литературы → — продольная волна, колебания частиц около положения равновесия, сжатия и разрежения.
- Nave C. R. HyperPhysics. Speed of Sound. в списке литературы → — скорость звука в сухом воздухе и её зависимость от температуры.
- Nave C. R. HyperPhysics. Wave Relationship. в списке литературы → — связь скорости, частоты, периода и длины волны.
- Smith J. O. III. Mathematics of the Discrete Fourier Transform (DFT) with Audio Applications. Sinusoids. в списке литературы → — запись синусоиды , начальная и мгновенная фаза в радианах.
- Smith J. O. III. Mathematics of the Discrete Fourier Transform (DFT) with Audio Applications. Sinusoids at the Same Frequency. в списке литературы → — задержка синусоиды во времени как сдвиг её фазы.
- Smith J. O. III. Mathematics of the Discrete Fourier Transform (DFT) with Audio Applications. Projection of Circular Motion. в списке литературы → — синусоида как проекция равномерного движения по окружности.
- Nave C. R. HyperPhysics. Sound Intensity. в списке литературы → — порог слышимости 20 мкПа и условный болевой порог.
- Nave C. R. HyperPhysics. Microphones. в списке литературы → — принцип работы динамического и конденсаторного микрофонов.
- Smith S. W. The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing. Гл. 22: Human Hearing. в списке литературы → — диапазон слышимых частот и область наибольшей чувствительности.
- Smith S. W. The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing. Гл. 3: Quantization. в списке литературы → — аналоговый сигнал как напряжение во времени, дискретизация и квантование.
Связи
Связи списком
Ссылается на
Ссылаются сюда
- АЦП и ЦАП
- Дискретизация: отсчёты, период и частота дискретизации
- Звук в пространстве: панорама, задержка, реверберация и мид-сайд
- Как устроен звук: первый обзор
- Математика для аудио
- Психоакустика: как слух воспринимает звук
- Уровень сигнала: децибелы, dBFS, пик, RMS и LUFS
- LFO: низкочастотный генератор и модуляция