Что такое звук: частота, громкость и поведение волн

Звук — это волновые периодические изменения давления упругой среды, чаще всего воздуха, которые ухо воспринимает как слышимый сигнал. Понимание того, как устроена звуковая волна и как её слышит человек, объясняет почти всё в работе аудиотехники: почему одна и та же запись звучит на разных системах по-разному, зачем комнате нужна акустическая обработка и откуда берётся разница между точным и утомительным воспроизведением. Это базовая тема, на которой держатся все остальные разделы Hi-Fi.

В учебниках звук определяют как колебательные движения частиц, распространяющиеся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой среде. Дальше речь пойдёт только о слышимом звуке — том, что воспринимает ухо. Чтобы разобраться в нём по существу, удобно идти от простого к сложному: сначала физика волны, затем особенности человеческого слуха и в конце — поведение звука в реальном помещении.

Что такое звук с точки зрения физики

По своей природе звук — это периодические изменения давления воздуха. Источник колеблется, поочерёдно сжимая и разрежая прилегающий воздух; частицы воздуха при этом лишь колеблются около своего положения, а в пространстве распространяется волна давления. Звук — волновое явление и подчиняется физическим законам, которые описывают, как он распространяется и взаимодействует с препятствиями. Любую звуковую волну можно описать через несколько базовых характеристик; для наших целей достаточно четырёх — частоты, длины волны, амплитуды и скорости.

Частота, длина волны и диапазон слуха

Частота — это число колебаний в секунду, и измеряется она в герцах: одно колебание в секунду равно одному герцу (Гц). Частота задаёт высоту тона: чем она выше, тем выше звук. Поскольку волна распространяется с конечной скоростью, частота и длина волны жёстко связаны — длина волны равна скорости звука, делённой на частоту (λ = c / f). При скорости около 343 м/с это даёт наглядные цифры: на 20 Гц длина волны составляет примерно 17 метров, на 1 кГц — около 34 сантиметров, а на 20 кГц — менее двух сантиметров. Слышимый диапазон человека традиционно описывают формулой «20–20»: от 20 Гц до 20 000 Гц. Всё, что ниже, относят к инфразвуку, всё, что выше, — к ультразвуку.

Почему частоты звучат с разной громкостью

Слух человека неравномерен по частоте. Психоакустические исследования показывают, что лучше всего ухо слышит то, что для него важнее всего, — человеческую речь, которая лежит в области примерно 2–5 кГц; где-то здесь находится и пик чувствительности. На более низких и более высоких частотах чувствительность падает, причём по плавным кривым. Эти линии — графики того, с какой громкостью человек воспринимает звуки одинаковой амплитуды на разных частотах. Их получили статистически, по усреднённым оценкам множества слушателей: первые такие кривые опубликовали Харви Флетчер (Harvey Fletcher) и Уилден Мэнсон (Wilden Munson) в 1933 году, и сегодня действует их современная редакция — стандарт ISO 226. Практический вывод важен для каждого, кто слушает музыку: на малой громкости бас и верх проседают по восприятию, поэтому тихая фонограмма часто кажется более плоской, чем громкая.

Как мы определяем направление на источник звука

Локализовать источник звука позволяет наличие двух ушей — такой слух называют бинауральным. Звук приходит к ближнему и дальнему уху с небольшой разницей во времени, точнее — со сдвигом по фазе. Мозг анализирует эту разницу, и лёгкого поворота головы достаточно, чтобы приблизительно указать направление на источник. Чем выше частота, тем точнее работает механизм: длина волны мала, фазовый сдвиг и звуковая тень головы выражены заметно. На низких же частотах длина волны становится больше расстояния между ушами, фазовая разница теряет однозначность — и определить, откуда идёт глубокий бас, на слух гораздо труднее.

По опыту настройки систем в нашем шоуруме на этом физическом факте держится практическое правило: глубокий бас ухо почти не локализует, поэтому положение сабвуфера в комнате определяется его взаимодействием с помещением, а направление «на слушателя» здесь роли почти не играет. Частая ошибка новичка — пытаться «прицелить» саб на слух; на деле важнее найти точку, где бас звучит ровно по всей зоне прослушивания.

Почему одни звуки приятны, а другие — нет

Любое сложное колебание можно разложить на сумму простых — это математический результат, известный как ряды Фурье. Простые составляющие, частоты которых кратны основной, называют гармониками, и именно их набор и соотношение задают тембр — то, по чему мы отличаем скрипку от трубы на одной и той же ноте. Восприятие созвучий подчиняется столь же простой логике. Консонанс — благозвучие — возникает при простых отношениях частот: октава (2:1), квинта (3:2), кварта (4:3). Диссонанс рождается из сложных отношений или из близких частот, дающих биения — медленные пульсации громкости (их легко услышать, нажав соседние клавиши рояля). Влияет на восприятие и характер искажений: чётные гармоники (кратные двум) усиливают октавы и на слух мягче, а высокие нечётные гармоники звучат резче — именно с этим связывают разговоры о «тёплом» ламповом характере.

Мешает восприятию и шум — любой звук, который не несёт полезной информации. Эталон шума — белый шум, в котором энергия равномерно распределена по всем частотам. Если в спектре становится больше низких частот и меньше высоких, шум называют розовым; он звучит мягче и глубже. Сюда же относятся маскировка (громкий звук заглушает близкий по частоте тихий), нелинейные искажения и посторонние призвуки. Чем громче помеха относительно полезного сигнала, тем сильнее страдают сначала комфорт, а затем и разборчивость звучания.

Нота и частота: язык музыканта и инженера

У понимания звука есть две точки зрения. Инженер скажет «440 герц», музыкант — «нота ля», и оба будут правы: это одно и то же, описанное на разных языках. Инженер мыслит частотой, музыкант — высотой тона. Любопытно, что выдающиеся музыканты порой не знают нотной грамоты, а вот специалист по акустике без понимания физики немыслим.

При этом обе профессии по-своему служат одной цели — чистому, комфортному звучанию. Композитор строит музыку на принципах гармонии, избегая лишних диссонансов. Конструктор акустики добивается того же на уровне техники: минимизирует искажения и призвуки, следит за равномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), динамикой и десятком других параметров.

Громкость и звуковое давление в децибелах

С громкостью всё устроено сложнее, чем с частотой, потому что она относительна. Абсолютной тишины в быту не существует: в полностью заглушённой камере человек начинает слышать стук сердца и звон в ушах. Поэтому звуковое давление измеряют относительно условного нулевого уровня — порога слышимости — и выражают в децибелах (дБ). Шкала логарифмическая, и это оправданно: именно логарифм лучше всего описывает работу органов чувств. Закон психофизиологии Вебера-Фехнера гласит, что сила ощущения пропорциональна логарифму силы раздражителя; для звука раздражитель — это амплитуда колебаний давления.

Логарифмическая природа шкалы рождает неочевидные на первый взгляд правила. Увеличение уровня на 3 дБ соответствует удвоению акустической мощности, на 6 дБ — удвоению звукового давления, а субъективно вдвое громче звук становится лишь при росте примерно на 10 дБ. Самое малое изменение, которое улавливает слух, — около 1 дБ. Эта же логика объясняет, почему разница в паспортной чувствительности колонок в несколько децибел значит гораздо больше, чем кажется: подробный разбор есть в материале о чувствительности акустики в децибелах.

Чтобы шкала стала наглядной, полезно привязать её к привычным звукам. За ноль децибел принят порог слышимости (напомним, это не тишина). Шёпот и тихая комната — это около 20–30 дБ, обычный разговор — порядка 60 дБ, городской трафик и шумная улица — около 85 дБ, поезд метро — под 95 дБ. Дальше начинается опасная зона: длительное воздействие звука громче примерно 85 дБ со временем повреждает слух, около 120–130 дБ лежит порог боли, а ещё более высокие уровни способны нанести физическую травму почти мгновенно. Безопасными для слуха при любой длительности считаются уровни примерно до 70 дБ.

Как звук ведёт себя в помещении

В реальной комнате звук почти никогда не приходит к слушателю напрямую. Встречая поверхность, волна частично отражается, частично поглощается и частично проходит сквозь неё — и так с каждой стеной, полом и потолком. Отражения порождают реверберацию: множественное, постепенно затухающее эхо со своей частотной окраской (затухает оно потому, что часть энергии при каждом отражении поглощается). А то, что часть звука проходит сквозь стену, легко подтвердят соседи, когда громкость переходит некоторый предел.

Реверберация должна быть умеренной. Если её почти нет, комната звучит глухо и неестественно; если её слишком много — как в вокзальном зале — страдает разборчивость. Портят картину и резонирующие предметы: например, посуда в стеклянном шкафу, отзывающаяся на определённых нотах. Когда все эти факторы приведены к балансу, помещение становится акустически комфортным — и именно в нём раскрывается качественная аудиосистема. Как довести обычную комнату до такого состояния, подробно разобрано в гиде по акустической подготовке комнаты для Hi-Fi.

На прослушиваниях в нашей комнате одна и та же пара акустики до и после акустической обработки нередко воспринимается как два разных комплекта: меняются разборчивость, читаемость баса и построение сцены — порой сильнее, чем при замене самих колонок. Это лучшая иллюстрация того, что звук — результат совместной работы техники и помещения.

Материал подготовлен экспертами pult.by. Данные основаны на общепризнанных принципах акустики, отраслевых стандартах (в том числе ISO 226) и нашем практическом опыте работы с техникой в шоуруме.

© pult.by. Все права защищены.
Копирование, распространение и использование материалов допускается только при размещении активной индексируемой гиперссылки на источник.