Звук, его восприятие и характеристики

На протяжении многовековой истории люди стремились проникнуть в тайны звуков окружающего мира и использовать их в своих интересах. Наивная вера первобытного человека в чудодейственные, сверхъестеств^ниГые возможности звуков, сопровождающих различные явления природы и стихийные бедствия, стала причиной слепого поклонения источникам этих звуков и многочисленных суеверий. Удивительное влияние ритмов и мелодий на настроение и состояние людей обусловило их применение в ритуальных и религиозных обрядах. Совершенство и точность усиливающих, отражающих и собирающих звуки акустических устройств древних храмов и площадей поражают и восхищают современных ученых-акустиков. И это неудивительно: ведь столь совершенные акустические приборы были созданы в то время, когда еще не существовало научно обоснованного представления о сущности звуковых явлений, не было точных методов получения оценки физических свойств звука. История не оставила нам имен тех, кто создал статуи шепчущих богов, древнеегипетскую флейту, иерусалимскую трубу.

Истоки науки о звуке — акустики — восходят к VI веку до н. э. и связаны с именем греческого философа и ученого Пифагора. Он и его ученики выявили гармонические сочетания звуков на основе опытов со струнами разной длины. Пифагор не только определил зависимость высоты звука от длины струны, но и количественно описал музыкальные интервалы. Более поздние представления пифагорийцев о гармонии вселенной, включали описанные Пифагором численные отношения музыкальных интервалов, соотносимые с расстояниями между планетами.

Человек смог в полной мере воспользоваться свойствами звукового окружения как источником информации о внешнем мире и создал уникальную в природе систему звукового общения — мощнейшее средство коммуникации. Устная речь стала не только средством обмена текущим опытом, но и обусловила сохранение и передачу его многим поколениям еще до возникновения письменности. Тем самым речь обеспечила возможность социального наследования культурных и научных ценностей. Человек создал также и другой звуковой "язык", включающий музыку,— язык эмоций, чувств, настроений, переживаний, шумов и т. д.

Люди живут в мире звуков, потому что многие окружающие нас тела, колеблясь, звучат. Звук — это результат распространения в воздухе колебательных движений его частиц. Их мы не видим. Это звуковые волны, представляющие собой зоны повышенного давления и разряжения воздуха. Звуковые волны, так же как и водяные, изображают условно волнистой линией — синусоидой. Сильные сигналы имеют большой размах синусоиды — большую амплитуду колебаний, слабые — небольшую амплитуду.

Важнейшей характеристикой колебаний звука является частота — число, показывающее, сколько полных колебаний в секунду совершает, например, маятник часов, струна и т. п. Для оценки частоты колебаний принята единица, носящая название Герц (Гц). 1 Гц равен одному колебанию в секунду. Если, например, звучащая струна совершает 440 полных колебаний в секунду (при этом она создает тон "ля" третьей октавы), это значит, что частота ее колебаний 440 Гц. Более крупная единица — килогерц (кГц) — равна 1000 Гц. Частота колебаний звучащего тела определяет тон или высоту звука. Чем больше эта частота, тем выше тон звука. Наше ухо способно реагировать на сравнительно небольшую полосу (участок) частот звуковых колебаний, примерно от 20 Гц до 20 кГц, которая вмещает всю обширнейшую гамму звуков, создаваемых голосом человека и симфоническим оркестром: от очень низких тонов, похожих на звук жужжания жука, до еле уловимых— высоких, похожих на писк комара. Более медленные колебания (до 20 Гц), называемые инфразвуко-выми, и более частые (свыше 20 кГц), называемые ультразвуковыми, мы не слышим.

Звуковые колебания обычно представляют собой сложные формы: их спектр чрезвычайно широк. На рисунке 1 показан спектр звука одного из музыкальных инструментов (контрфагота), достигнутого на частоте f₀ = 64 Гц (нота "до" одной из октав). Еще раз подчеркнем, что частота определяет слуховое восприятие высоты музыкального звука.

Очень сложную форму звуковых колебаний представляет собой речь человека, особенно вокальная речь.

Выделяют пять важнейших характеристик вокальной речи: сила, высота, тембр, дикция, вибрато, каждая из которых изменяется в определенных пределах. Эти изменения могут многое рассказать о мастерстве певца и звукорежиссера, осуществляющего звукозапись или звукоусиление голоса для трансляции в зал.

Звукоусиление изменяет все перечисленные характеристики голоса. Так, звук, идущий к зрителям не от певца, находящегося на сцене, а откуда-то сбоку, из репродуктора, скрытого за портьерами, носит отпечаток искусственности и неполноценности.

Конечно, современные высококачественные, дорогостоящие электроакустические системы больших залов Дворцов культуры в большинстве избавлены от этого. В настоящее время ведутся разработки по передаче естественного голоса певца, музыки. Но это требует больших усилий. Например, работа по созданию акустических систем для аппаратуры звуковоспроизведения не менее сложна и трудоемка, чем труд скрипичных мастеров, так как они должны по возможности без искажений передавать звуки не только скрипки, но и всех других инструментов, а также человеческого голоса.

К сожалению, появление.мощных систем электронного звукоусиления породило новое увлечение, которое можно было бы назвать "пением без голоса" или "шептанием в микрофон". Конечно, нет ничего плохого в том, что микрофон "помогает" некоторым певцам с недостаточными вокальными данными, Стоит только сожалеть, что "шептанием в микрофон" начинают увлекаться многие певцы, которые, бесспорно, могли бы развить свой голос и сделать его способным сильно и красиво звучать в любом помещении без всяких приспособлений.

Чтобы успешно справляться с репертуаром, певец должен иметь диапазон голоса не менее двух октав. Таким образом, его голосовые связки должны изменять частоту своих колебаний в четыре раза. На самой низкой ноте ("ми" большой октавы) голосовые связки баса колеблются с частотой всего лишь 82 Гц, а на самой высокой басовой ноте ("ми" первой октавы) — с частотой 349 Гц. Зато голосовые связки самого высокого женского голоса — колоратурного сопрано — на самой высокой ноте ("фа* третьей октавы) колеблются с частотой 1397 Гц (табл. 2).

В обычной речи высота голоса изменяется значительно меньше, чем в пении. Статистически установлено, что мужчины говорят, как правило, в пределах большой и малой октав на частоте 85—200 Гц, а женщины — в пределах малой и первой октав на частоте 160—340 Гц.

Речь артистов (сценическая речь) по частотному диапазону значительно шире, чем обычная: ее диапазон, так же как и у певцов, доходит до двух октав.

Частотный диапазон музыкальных звуков гораздо шире, чем частотный диапазон речи. Он лежит в пределах от 30 Гц до 14—16 кГц.

Рассмотрим некоторые характеристики звука.

Звуковым полем называют пространство, в котором распространяются звуковые колебания. Каждый клубный зал характеризуется своим звуковым полем.

К физическим параметрам звука относятся: частота его колебаний, амплитуда, тембр; к энергетическим параметрам — интенсивность звука; к психофизическим — громкость и динамический диапазон.

С частотой звуковых колебаний и их амплитудой мы уже познакомились выше. Однако, чтобы иметь возможность добиваться высококачественного воспроизведения звука в залах, требуются более глубокие знания о частотных колебаниях. Так, простые синусоидальные или гармонические колебания воспринимаются на слух как "чистые" или "простые" тоны, лишенные всякой музыкальной особенности. Постепенное увеличение частоты звукового колебания от 16—20 Гц до 20000 Гц вызывает восприятие постепенно изменяющегося тона от самого низкого (басового) до самого высокого.

Основной ступенью изменения высоты тона, принятой в музыке, является октава. Октава — это такой частотный интервал, который соответствует увеличению частоты звуковых колебаний ровно в два раза. Так, например, если мы возьмем частоту колебаний 100 Гц и увеличим ее на октаву, то получим 200 Гц. Если теперь частоту этого звукам еще увеличим на октаву, то получим уже 400 Гц, следующая октава — 800 Гц и т. д.

Октава делится на 12 полутонов, а каждый полутон — на 100 центов. Сама же октава удобна для измерения частоты не только в математическом отношении (простое удвоение частоты), но и для слуха: интервал в октаву слух воспринимает как самый простой, а звуки, разнящиеся на октаву, как очень сходные. Поэтому и обозначение в разных октавах эти звуки (разнящиеся на октаву) имеют одно и то же, например "до¹" первой октавы, "до¹¹" второй октавы, "до¹¹¹" третьей октавы и т. д.

От частоты колебаний голосовых связок зависит высота голоса: чем чаще колеблются голосовые связки, тем выше голос. Изменение высоты основного тона голоса в процессе обычной речи определяет интонацию предложения (вопрос, восклицание и т. д.). Речь, лишенная интонации, монотонна и невыразительна (неэмоциональна). Недаром поэтому создатели научно-фантастических кинофильмов наделяют роботов речью, лишенной интонации. Подобный прием нередко применяется и в музыке. Так, например, в опере П. И. Чайковского "Пиковая дама" призрак, явившийся Герману в образе графини, сообщает ему тайну трех карт монотонным, бесцветным голосом, звучащим на одной ноте.

Тембром звука называется качество восприятия звука, которое независимо от частоты и амплитуды позволяет отличать звучание одного источника от другого. Источники звука — музыкальные инструменты, голос и др.— создают сложные периодические звуковые колебания, форма которых несинусоидальна. Сложный периодический процесс может быть представлен с помощью спектрограммы, когда по оси ординат откладывают амплитуды гармоник, а по оси абсцисс — их частоты. Такой спектр, состоящий из ряда линий, называется дискретным частотно-амплитудным спектром. Амплитуда основной частоты может быть меньше амплитуды высших гармоник. Тембр, создаваемый высокими гармониками, характеризуется ярким металлическим звучанием; низкие гармоники придают звучанию глубокий лирический оттенок. Следовательно, тембр обусловливает художественную сторону звучания, придавая звуку своеобразную окраску, которую можно сравнить с цветовой.

Но если в обычной разговорной речи характер тембра не является существенным, то в художественном творчестве— это важнейшее свойство звука, составляющее его главное богатство. Например, голос выдающегося русского певца Ф. И. Шаляпина отличался своеобразным, каждый раз неповторимо изменяющимся красочным тембром. По тембру звука легко различаются голоса людей. По "цвету" голоса вокальные педагоги определяют тип голоса певца (баритон, бас, тенор и т. д.).

Энергетическая характеристика звука — его интенсивность— определяется, как среднее количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны. Единица интенсивности — Вт/см². Интенсивность звука представляет собой активную составляющую удельной мощности звуковых колебаний.

Интенсивность самых слабых звуков, воспринимаемых человеческим ухом, составляет 10~¹⁶ Вт/см². Для сильных звуков, вызывающих болевые ощущения, эта величина составляет 10~² Вт/см². Это значит, что сильные и слабые звуки различаются в 10¹⁴ раз. Чтобы не иметь дела с такими огромными диапазонами величин, в акустике используются логарифмические единицы измерения — децибелы (дБ). Если интенсивность одного звука L_t больше, чем интенсивность второго (L₂) на 1 дБ, то эту разность (К), вычисляют по формуле K=101gLi/L₂. Другими словами если мы говорим, что интенсивность одного звука отличается от интенсивности другого на 40 дБ, это значит, что интенсивность звуков различается в 10000 раз.

Децибел очень удобная единица для измерения интенсивности звука больших мощностей и диапазонов. Так, если за 1 дБ принять самый низкий порог слышимости, то все остальные более сильные звуки будут характеризоваться тем, во сколько раз они превышают этот условный уровень.

Разница в интенсивности звука на 3 дБ уже вполне четко отмечается слухом, а увеличение на 10 дБ воспринимается примерно как удвоение. Уровень среднего разговорного голоса равен примерно 70 дБ. Как видим, децибелы не имеют размерности, т. е. они, как и все относительные единицы, показывают, не сколько, а во сколько раз. В децибелах проградуированы приборы на целом ряде электроакустических устройств, и в частности на пульте звукорежиссера.

Психофизическим эквивалентом интенсивности звука является его громкость. Более интенсивные звуки воспринимаются как более громкие. Однако между громкостью и интенсивностью нет прямого соответствия. В дальнейшем для простоты будет использоваться термин "громкость звука".

Важной для электронных систем звуковоспроизведения является следующая характеристика звука — его динамический диапазон, который в упрощенном виде определяется как разность между максимальным и минимальным уровнями интенсивности воспроизводимого звука. Динамический диапазон измеряется в дБ.

Рекомендуема я литература

Вартаньян П. А. Звук — слух — мозг.— М., 1981.

Бабурыкин В. Н., Гензель Г. С., Павлов Н. Ю. Электроакустика и радиовещание: Акустические вопросы вещания.— М., 1967.

Морозов В. П. Тайны вокальной речи.— Л., 1967.

Сапожков М. А. Электроакустика: Учебник для вузов.—М., 1978.

Павловская В. И., Качерович А. Н., Лукьянов А. В. Акустика и электроакустическая аппаратура.— М., 1977.

Контрольные вопросы

1. В каких единицах измеряется частота колебаний?

2. В каких пределах частот воспринимает звуковые колебания человеческий слух?

3. Чем определяется слуховое восприятие высоты музыкального звука?

4. Что относится к физическим, энергетическим и психофизическим параметрам звука?

5. Каков частотный диапазон мужского голоса? женского?

6. Каков частотный диапазон музыкальных звуков?

7. Почему для энергетической характеристики звука — его интенсивности — выбрана безразмерная единица децибел?