Раздел 1. Излучение, распространение и восприятие естественных волн

РАЗДЕЛ 1. ИЗЛУЧЕНИЕ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОЛН

Электроакустика - наука о технических средствах перевода звуковых колебаний в электрический сигнал и обратного перевода электрического сигнала в максимально похожие звуковые колебания. Поэтому начнем с изучения объекта копирования - естественных (существующих без помощи электроакустики) звуковых волн.

Жизненный цикл звука можно представить в виде следующих этапов: излучение, распространение, восприятие. Будем рассматривать их по порядку.

ЛЕКЦИЯ 2. ИЗЛУЧЕНИЕ

Многие учебники по электроакустике начинаются рассмотрением теории распространения звуковых волн. Это наукообразно, но по существу неправильно, поскольку звуковые волны это носитель, теория звуковых волн его математическая модель, а объектом являются источники звука. С рассмотрения объекта передачи мы и начнем.

Естественные источники звука, параметры, виды

Основные типы источников звука, с которыми имеет дело электроакустика, следующие.

1. Музыкальные источники.

2. Речевые источники.

3. Звук как таковой (например, в охранных системах).

Музыкальные источники

Для начала определим некоторые из используемых музыкальных терминов. Сложность в том, что нельзя рассматривать характеристики источников в отрыве от свойств слуха и наоборот. Но с чего-то надо начинать, поэтому рассмотрим характеристики источников звука, полагаясь пока на Ваше обыденное знание о свойствах слуха.

Все звуки, используемые в музыке, по периодичности спектра можно разделить на:

1) тональные (имеющие выраженную периодичность со слышимой частотой);

2) нетональные (шумовые).

Основные слышимые свойства установившегося тонального звука следующие: высота, громкость, тембр. При организации звуков в систему большое значение имеет также длительность.

Высота звука определяется частотой колебаний издающего тональный звук тела.

Громкость - слуховая оценка мощности источника звука. Наиболее близким по смыслу физическим параметром является огибающая звукового сигнала. Реально же ощущение громкости складывается из оценки дальности до источника звука (из двух источников, создающих одинаковое звуковое давление у барабанной перепонки, более громким ощущается более удаленный), спектрального состава (более звонкий звук оценивается более громким; это связано с учетом априорной информации о меньшей линейности процессов большей амплитуды), а также наличия и характера реверберации.

Спектр периодического сигнала (представление его в виде суперпозиции синусоидальных колебаний) является линейчатым, т.е. в суперпозиции участвуют только кратные частоты (поскольку закончить период все синусоиды должны в той же фазе, что и начинали, иначе следующий период будет другим по форме). Наиболее глухим, без призвуков, слышится звук, максимально близкий к синусоиде. Чисто синусоидальный звук называется чистым тоном. А под собственно тоном (основным тоном) понимается наименьшая по частоте составляющая в ряду кратных частот спектра тонального звука, имеющая определенную высоту и обозначаемая определенной нотой.

Остальные составляющие спектра тонального звука с частотами, кратными тону, называемые обертонами (нем. obertone - высшие тона), частичными тонами, призвуками, гармониками, определяют тембр (слышимый характер) звука.

В отличие от громкости и высоты, тембр не является одномерной характеристикой и не ощущается параметрически, например, в виде слуховой оценки уровней обертонов, поэтому его аналитическое описание (в виде совокупности частных характеристик) чрезвычайно затруднительно. В лучшем случае для его характеристики используются слова из слуховой области ощущений, например:

1. Глухой / звонкий - физически означает низкий / высокий уровень обертонов. Причем нечетные гармоники и гармоники высших порядков способствуют ощущению звонкого тембра в большей степени.

2. Бубнящий - физически означает наличие низкочастотного сигнала значительной амплитуды с малым уровнем обертонов и медленно изменяющейся громкостью.

2. Рокочущий - физически означает небольшое периодическое изменение громкости и (или) высоты звука. В спектральной области означает возникновение боковых полос вокруг тона и гармоник.

3. Шепелявый, свистящий, шипящий, шумящий (для нетональных звуков) - означает наличие в звуке непериодических, случайных колебаний с достаточно широким непрерывным спектром. Первые три характеристики используются в основном по отношению к высокочастотным шумам.

Неплохим вариантом является также использование для описания тембра общих характеристик динамических процессов: отрывистый, резкий, слитный, вибрирующий. Но этого часто недостаточно и тогда используется множество слов из других областей ощущений - густой, мягкий, жесткий, прозрачный. Это следствие попытки передать непараметрическое ощущение тембра путем его ассоциации с другими явлениями. Такие описания желательно использовать только по необходимости, т.к. велика вероятность отличия ассоциаций собеседника от Ваших собственных.

Все три характеристики (высота, громкость, тембр) являются весьма парадоксальными. Вот некоторые (далеко не все) признаки этого.

1. Кривая огибающей, которая определяет громкость, может быть построена не единственным образом. Точный способ и параметры, которыми руководствуется слуховой аппарат, неизвестны.

2. Частота, определяющая ощущение высоты, и спектр, определяющий тембр, требует для своего определения некоторого времени. Однако высота, громкость и тембр слишком длительного тона на слух воспринимаются с большими погрешностями.

Ряд кратных частот, включающий основной тон и обертоны, называется натуральным звукорядом [2]. Звукорядом вообще называется расположение звуков по высоте. Полный звукоряд современной музыкальной системы состоит из 88 звуков с частотами от 16 до 4176 Гц. Такой шаг сетки приблизительно соответствует разрешающей способности слуха по частоте (хотя существуют и мнения о значительно большей разрешающей способности слуха [8]). Звуки, входящие в звукоряд называются ступенями. Ступени, частоты которых укладываются в ряд 1,2,4,8,16..., при одновременном воспроизведении сливаются, поэтому все ступени этого ряда имеют одинаковые наименования. Интервал между ними называется октавой (от лат. octava - восьмая), потому что этот интервал разбит на семь частей, и каждый восьмой звук образует интервал в 1 октаву. Так что термин "октава" - музыкальный и в технику пришел, вероятно, через электроакустику.

Семь ступеней, образующие октаву, называются до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Весь звукоряд состоит из 7 полных и двух неполных октав:

субконтроктава (3 звука);

контроктава;

большая октава;

малая октава;

1-4 октавы;

5 октава (1 звук).

Музыкальный строй - ряд абсолютных частот ступеней. Современный музыкальный строй делит каждую октаву на 12 частей (называемых полутонами), причем ля 1-й октавы имеет частоту 440 Гц. Расстояние в два полутона называется целым тоном. Полутона определяют все основные ступени звукоряда (рис. 2.1, белые клавиши) и 5 дополнительных частот (черные клавиши).

Рис. 2.1. Фрагмент клавиатуры фортепиано

Промежуточные 5 ступеней считаются образуемыми от основных (альтерация) и называются так же, но с добавлениями: если повышать основную ступень на 0,5 тона, то добавляется "диез", если понижать, то "бемоль". Повышение / понижение на тон называется "дубль-диез" / "дубль-бемоль". При этом образуется ситуация, когда один звук может называться по-разному (энгармонизм звуков).

Диапазон музыкального инструмента - диапазон частот его тонов.

Форманта - область частот (не зависящая от высоты звука), в которой заметно усиливается звучание попадающих в нее обертонов или основного тона. Это своеобразное описание "амплитудно-частотной характеристики" музыкального инструмента.

Вибрато - небольшое периодическое изменение высоты (частотное вибрато) или амплитуды (амплитудное вибрато) музыкального звука. Периодичность вибрато находится в пределах от 5 до 7 Гц. Вероятно, красота вибрато связана с погрешностями слухового восприятия монохроматического звука.

Фазы музыкального звука

1. Атака.

2. Стабильная фаза.

3. Затухание.

Атака - переходный процесс, характеризующий установление музыкального звука. Это короткий (от долей до десятков мс), но важнейший этап звучания, в большой степени определяющий узнаваемость и натуральность звучания музыкальных инструментов (эффект присутствия). Попробуйте воспроизвести фонограмму "задом-наперед", при этом атака и затухание меняются местами. Определить вид музыкального инструмента оказывается практически невозможным.

Чередованием стабильных фаз создается мелодия.

Затухание определяет пространственность и глубину звука. В значительной степени характер затухания зависит от акустических свойств помещения.

Виды музыкальных источников

[А. Лихницкий. О музыке, ее исполнении и качестве звучания. "Аудио Магазин" N3(4) 1995].

Совет: сопоставьте приводимые частотные диапазоны со стремлением обеспечить воспроизведение электроакустической аппаратурой диапазона от 20 Гц до 20 кГц.

Певческий голос - диапазон от 80 до 1000 Гц для мужского голоса и от 160 до 1300 Гц для женского.

Основные характеристики качества:

1) тональный баланс между нижней (около 500 Гц) и верхней (около 3000 Гц) формантами. Нижняя форманта отвечает за теплоту и округлость звучания голоса, верхняя - за его блеск;

2) живость (изменчивость), динамические оттенки;

3) чистота вибрато и интонации;

4) разборчивость артикуляции.

Смычковые инструменты.

1) скрипка - диапазон от 136 до 2000 Гц;

2) альт - от 131 до 1100 Гц;

3) виолончель - от 65 до 700 Гц;

4) контрабас - от 41 до 240 Гц.

Все перечисленные инструменты занимают разные частотные диапазоны, однако имеют сходные признаки звучания.

Характеристики качества (и собственно инструмента, и исполнения):

1) тональный баланс между тремя ее формантами: первая - на частотах от 220 до 300 Гц (отвечает за полноту и звучность инструмента), вторая - в диапазоне частот от 600 до 800 Гц (у скрипок Страдивари она на частоте 630 Гц) и третья - в диапазоне от 1400 до 4500 Гц. Последняя форманта отвечает за сочность, "светлоту" и "полетность" звука.

2) пропорции между первыми ее шестью обертонами.

Как и в случае певческого голоса, главным для достижения натуральности звучания скрипки является передача живости (изменчивости) ее "голоса", чистоты интонации и вибрато, а также яркость воспроизведения штрихов. Все эти особенности звучания описываются критерием "ясность".

В противоположность описанному встречается очень детальное, ясное воспроизведение звучания смычковых инструментов, но звук при этом может восприниматься как "резкий" и "рваный", исчезает ощущение "пения". Такое звучание вызывает чувство дискомфорта и утомляет. Опыт показывает, что очень трудно добиться такой передачи звука смычковых, при которой в той или иной мере не наблюдался бы один из указанных дефектов.

Щипковые инструменты. Все щипковые инструменты характеризуются быстрой атакой (от 1 до 5 мс) и длительным затуханием звука (от 1 до 5с).

1) клавесин - диапазон от 87 до 1400 Гц;

Звук клавесина чрезвычайно богат обертонами, которые заполняют практически весь средневысокочастотный диапазон слухового восприятия.

Характеристики качества: нежность, тонкость и очень высокая детальность звука.

1) акустическая гитара - от 81 до 1300 Гц.

Ее значение в экспертизе качества звучания электроакустической аппаратуры заключается в ее распространенности и общеизвестности тембра и характера звукоизвлечения. При воспроизведении через аудиосистему звучания гитары нужно обратить внимание на то, как звучит щипок - следует добиваться сходства с натуральным его звучанием.

2) арфа - от 34,6 до 3320 Гц. "Глиссандо" - быстрое проведение пальца одной руки (или пальцев обеих рук) по струнам инструмента.

3) контрабас щипковый - от 41 до 240 Гц.

Клавишные инструменты

Рояль - диапазон от 27,5 до 4186 Гц. Относительно глухой слабоокрашенный звук. Наилучшим образом подходит для проявленного воспроизведения мелодии.

Характеристики качества:

1) специфики тембров нижнего регистра (с присутствием легкого рокотания);

2) звучность среднего регистра;

3) яркость верхнего регистра;

4) разделенность звуков при игре staccato;

5) динамические оттенки.

Дефекты, наиболее часто встречающиеся при воспроизведении через аудиосистему звучания рояля: это неотчетливая или "надтреснутая" атака, а также неестественный или окрашенный тембр звучания его регистров. Невысокий уровень обертонов позволяет осуществлять слуховую оценку коэффициента гармоник аппаратуры.

Медные духовые инструменты

1) концертная труба - диапазон от 185 до 1046 Гц;

2) валторна - от 61 до 700 Гц;

3) тромбон - от 81 до 520 Гц.

Характеристики: яркое, выразительное звучание, особенно в области атаки. Атака длится от 20 до 100 мс и характеризуется быстрой и очень сложной перестройкой обертонального состава.

Ударные инструменты

1) кастаньеты - спектр в диапазоне от 0,6 до 16 кГц;

2) ксилофон - спектр распространяется до 9 кГц;

3) тарелка (большая оркестровая) - от 800 Гц до 18 кГц;

4) тарелка джазовая - от 500 Гц до 18 кГц;

5) малый барабан - спектр распространяется до 4 кГц. Сухой трескучий звук.

6) литавра большая - от 87 до 800 Гц. Чистый, звонкий и глубокий бас.

Все ударные инструменты характеризуются резкой атакой (меньше 1 мс у кастаньет и ксилофона и около 16 мс у большой литавры) и слабо выраженным тональным характером их звучания.

Характеристики качества:

1) динамика,

2) ясность передачи атаки,

3) отсутствие "окраски".

Электронные музыкальные инструменты рассматривать не будем в силу того, что их звук не может непосредственно охарактеризовать качество системы копирования звука, более того, он сам часто копирует "живые" источники звука. Кроме того, электронные инструменты совершенствуются гораздо меньшее время и рано судить об их качестве и особенностях тембра. Хотя и по отношению к электронному звуку можно различить более и менее верное звучание, например по уровню интермодуляции, наличию дисгармоничных и других призвуков, не укладывающихся в гармонический ряд.

Цель рассмотрения характеристик музыкальных инструментов - инициировать более внимательное отношение к звуку - объекту копирования.

Искусственные источники

Искусственные источники звука являются предметом исследования электроакустики и будут рассматриваться в дальнейшем.

ЛЕКЦИЯ 3 (4 ЧАСА). РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПРОСТРАНСТВЕ И ВЕЩЕСТВЕ

Звуковые волны, достигающие приемника, можно разделить на прямые и отраженные.

Прямая волна

Определение звука, звуковой волны, звукового поля уже давались.

Звуковой луч - направление распространения звуковой волны.

Фронт волны (волновой фронт) - поверхность, проходящая через точки с одинаковым "этапом" (фазой) колебания.

Иногда разделяют понятия волнового фронта и волновой поверхности. Под волновой поверхностью понимают поверхность равных фаз, а под волновым фронтом поверхность, разделяющую области пространства, куда волна уже дошла и куда еще нет. Это полезно в тех случаях, когда интересуются импульсными или однократными акустическими воздействиями на объект; для электроакустики такая ситуация не характерна.

Фронт перпендикулярен лучу.

Не путать волновой фронт с диаграммой направленности.

Плоская волна

Плоской волной называется волна с плоским фронтом. При этом лучи являются параллельными.

Образуется поблизости от колеблющейся плоскости или если рассматривается небольшой участок волнового фронта точечного излучателя. Причем абсолютная площадь этого участка может быть тем больше, чем дальше мы находимся от излучателя. То, что излучатель считается точечным, также говорит о большом расстоянии до него. Кроме того, точечность излучателя говорит о том, что рассматривается только прямая волна.

Лучи, охватывающие участок плоскости рассматриваемого волнового фронта, образуют "трубу". Амплитуда звукового давления в плоской волне не уменьшается при удалении от источника, т.к. не происходит растекания энергии за пределы стенок этой трубы. Если иметь ввиду практически реальные случаи, то это соответствует остронаправленному излучению, например, излучению электростатических панелей большой площади, рупорных излучателей.

Единственное, чем отличаются сигналы в различных точках луча плоской волны, это временной сдвиг. Если звуковое давление на некотором участке плоского волнового фронта является синусоидальным p_зв=p_звm*exp(jWt), то на расстоянии r по лучу p_зв=p_звm*exp(jW(t-r/c_зв))= p_звm*exp(j(Wt-r*W/c_зв))= p_звm*exp(j(Wt-k*r)), где r/c_зв - время пробега звуковой волной расстояния r, k= W/c_зв=2p/l - волновое число. k определяет фазовый сдвиг между сигналами во фронтах плоской волны, находящихся на расстоянии r.

Реальные звуковые волны являются более сложными, чем синусоидальные, однако выкладки, проводимые для синусоидальных волн, справедливы и для несинусоидальных сигналов, если не рассматривать частоту как константу, т.е. рассматривать сложный сигнал в частотной области. Это возможно, и даже более адекватно восприятию звука человеком, до тех пор, пока процессы распространения волн остаются линейными (в сфере интересов электроакустики это практически всегда так).

Сферическая волна

Волна, фронт которой представляет собой сферу, называется сферической.

Лучи при этом совпадают с радиусами сферы. Сферическая волна формируется в следующих случаях.

1. Размеры источника много меньше длины волны и расстояние до источника позволяет считать его точкой. Такой источник называется точечным.

2. Источник представляет собой пульсирующую сферу.

В обоих случаях предполагается, что переотражения волны отсутствуют, т.е. рассматривается только прямая волна. Чисто сферических волн в сфере интересов электроакустики не бывает, это такая же абстракция, как и плоская волна. В области средневысоких частот конфигурация и размеры источников не позволяют считать их ни точкой, ни сферой. А в области низких частот непосредственное влияние начинает оказывать как минимум пол. Единственная близкая к сферической волна формируется в заглушенной камере при малых габаритах излучателя. Но рассмотрение этой абстракции позволяет уяснить некоторые важные моменты распространения звуковых волн.

На больших расстояниях от излучателя сферическая волна вырождается в плоскую.

На расстоянии r от излучателя звуковое давление может быть представлено в виде:

,

где p_зв1 - амплитуда звукового давления на расстоянии 1 м от центра сферы. Уменьшение звукового давления с удалением от центра сферы связано с растеканием мощности на все большую площадь - 4pr². Суммарная мощность, перетекающая через всю площадь волнового фронта не меняется, поэтому мощность, приходящаяся на единицу площади уменьшается пропорционально квадрату расстояния. А давление пропорционально корню квадратному из мощности, поэтому оно уменьшается пропорционально собственно расстоянию. Необходимость нормирования к давлению на некотором фиксированном расстоянии (1 м в данном случае) связана с тем же фактом зависимости давления от расстояния, только в обратную сторону - при неограниченном приближении к точечному излучателю звуковое давление (а также колебательная скорость и смещение молекул) неограниченно увеличивается.

Колебательную скорость молекул в сферической волне можно определить из уравнения движения среды:

.

Дифференцирование выполним по формуле производной произведения:

.

Преобразуем в экспоненциальную форму: . Итого, колебательная скорость , фазовый сдвиг относительно звукового давления (рис. 3.1). Упрощенно говоря, наличие фазового сдвига между звуковым давлением и колебательной скоростью связано с тем, что в ближней зоне с удалением от центра звуковое давление гораздо быстрее убывает, чем запаздывает.

Рис. 3.1. Фазовый сдвиг колебательной скорости относительно звукового давления в зависимости от расстояния до центра сферической волны, выраженного в длинах волн

На рис. 3.1 можно видеть две характерные зоны.

1. Ближняя r<<

l.

2. Дальняя r>>

l.

Сопротивление излучения сферы радиуса r:

.

Т.е. не вся мощность расходуется на излучение, часть запасается в некоем реактивном элементе и затем возвращается излучателю. Физически этому элементу можно сопоставить массу соколеблющегося с излучателем воздуха (присоединенная масса среды):

,

.

Легко видеть, что присоединенная масса среды уменьшается с ростом частоты.

На рис. 3.2 представлена частотная зависимость безразмерных коэффициентов вещественной и мнимой составляющих сопротивления излучения. Излучение эффективно, если Re (z (r))> Im (z (r)). Для пульсирующей сферы это условие выполняется при kr >1.

Рис. 3.2. Частотные характеристики безразмерных коэффициентов активной и реактивной составляющих компонент сопротивления излучения для пульсирующего шара

В заключение отметим, что выше не учитывалось затухание волны в воздухе. В качестве первого приближения это допустимо, основной источник затухания волны в помещении прослушивания - поглощение ее поверхностями помещения (см. Лекцию 4).

Для плоской волны

; ; т.к. .

Для сферической волны

.

Плотность звуковой энергии

Плотностью звуковой энергии e называется энергия, содержащаяся в единице объема среды распространения.

Время пробега волной единицы длины по лучу 1/с_зв => e =I/с_зв; [e]=[Вт/м²]/[м/с]=[Вт*с/м³]=[Дж/м³].

Плотность энергии через давление:

.

Плотность энергии в отличие от интенсивности величина скалярная, и поэтому может применяться и в тех случаях, когда определение лучей и волновых фронтов затруднительно или невозможно, например, при распространении звуковых волн в помещениях

ЛЕКЦИЯ 4 (6 ЧАСОВ) ОТРАЖЕННЫЕ ВОЛНЫ

Звуковое поле в пространстве с отражателями определяется не только характеристиками источника(ов), но и отражателей. Отражатель - тоже источник звука, только не самостоятельной волны, а связанной с первоисточником стационарным отношением. Таким образом, имеет место поле нескольких когерентных источников, для которого характерны многолучевость, интерференция и стоячие волны.

Интерференция (лат. inter между + ferens (ferentis) несущий, переносящий) - явление зависимости амплитуды суперпозиции когерентных синусоидальных или близких к ним сигналов от разности фаз между слагаемыми.

В этих условиях очень сложно определять волновые фронты и лучи, поэтому интенсивность, как привязанную к волновому фронту, практически не применяют для характеристики многолучевого поля. Применяют плотность энергии, т.к. объем лишен векторных признаков.

Звуковое поле в присутствии отражателей можно разделить на прямую волну от источника и совокупность отраженных, называемую реверберацией (от ср.-век. лат. reverberatio - отражение). Их соотношение зависит от расположения источника и отражателей и от формы (длины) волны.

Если на прямой линии между источником и приемником имеется акустически непрозрачное препятствие, то говорят о блокировании прямой волны.

Геометрическая акустика

Упав на преграду, волна:

1) частично отражается;

2) частично поглощается;

3) частично проникает через преграду (с точки зрения приема в помещении это то же, что и поглощение).

Эти процессы (рис. 4.1) для плоских волны и преграды могут быть описаны законами геометрической акустики.

Рис. 4.1. Диаграмма, поясняющая процессы отражения и преломления звуковой волны, падающей на преграду

1. Угол падения равен углу отражения.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скоростей звука в двух соприкасающихся средах.

Отношение энергии отраженного сигнала к энергии падающего называется коэффициентом отражения b.

Отношение энергии поглощенного поверхностью сигнала (включая перевод в тепло и звукопроводность) к энергии падающего называется коэффициентом поглощения a.

Отношение энергии прошедшего через поверхность сигнала к энергии падающего называется коэффициентом звукопроводности g.

a, b, g зависят от:

1) материала поверхности;

2) конструктивных особенностей (конфигурации) поверхности;

3) частоты сигнала;

4) угла падения волны.

Очевидно a+b=1.

Спад звуковой энергии

Имеем установившуюся e₀, в момент времени t=0 источник звука выключается. Далее:

t=t_ср+0: ,

t=2t_ср+0: ,

t=nt_ср+0: .

Как и ранее

.

Процесс спада также экспоненциальный (линейный в логарифмической шкале) и тем короче, чем больше А и меньше V. Коэффициент, определяющий скорость изменения давления, один и тот же и для нарастания, и для спада, т.е. чем больше время реверберации, тем медленнее и нарастание.

Рис. 4.5. Зависимость плотности звуковой энергии в помещении от времени при включении и выключении источника

Потери энергии происходят также в воздухе из-за его вязкости, теплопроводности и молекулярного поглощения. Они могут быть описаны соотношением , где , m - коэффициент затухания, равный обратному значению того пути l, на котором e уменьшается в e раз. , где h - коэффициент вязкости.

С учетом поглощения звука в воздухе:

.

В связи с тем, что звукопоглощение в воздухе пропорционально квадрату частоты, оно влияет на процесс изменения плотности звуковой энергии в основном на высоких частотах. Однако, чем больше помещение, тем больше длина свободного пробега и тем на меньших частотах начинает сказываться поглощение в воздухе.

Эквивалентная реверберация

Поле в точке прослушивания после выключения источника меняется скачком - исчезает прямой звук. Величина скачка определяется акустическим отношением. В идеально диффузном поле R=-, e_пр=0 и скачек отсутствует. Два процесса спада энергии, со скачком и без, оцениваются как эквивалентные по гулкости, если точка их пересечения отстоит от момента исчезновения прямой волны в точке прослушивания на Dt=0,2 c.

Рис. 4.6. Сопоставление реального спада плотности энергии и спада в диффузном поле

Время, за которое энергия эквивалентного процесса уменьшается на 60 дБ, называется эквивалентным временем реверберации Т_эр.

,

где - коэффициент направленности приемника,

E_п1 - чувствительность приемника к прямому звуку,

E_п2 - чувствительность приемника к диффузному звуку.

Т_эр<Т_р. Для R>3 Т_эр»Т_р, для концертных залов это практически всегда так, для электроакустических систем не всегда.

Оптимальная реверберация

Оптимальным является время реверберации, при котором программа воспринимается наилучшим образом. Исследована зависимость разборчивости (артикуляции) от времени реверберации для различных объемов помещения. Процентная артикуляция - это отношения числа правильно понятых слогов артикуляционной таблицы к общему их числу.

Рис. 4.6. Зависимость процентной артикуляции от времени реверберации

Наибольшая разборчивость обеспечивается при Т₆₀>1 с, т.е. оптимальная скорость затухания реверберации > 60 дБ/с. Причем недостаток реверберации также уменьшает разборчивость. Объясняется это, вероятно, двумя моментами.

1. Удлинение звуков позволяет слуховому аппарату более точно проанализировать характеристики звука и больше времени дается на смысловое восприятие. Вполне вероятно, что в условиях недостаточной реверберации более активно используется кратковременная слуховая память в качестве "устройства выборки-хранения" отрывистого звука на время его распознавания.

2. Реверберация отфильтровывает быстрые изменения трех слышимых характеристик звука: высоты громкости и тембра и подавляет щелкающие или хрустящие помехи звуку.

Геометрия помещения

При выборе геометрии следует стремится к равномерному распределению резонансных частот. Этому способствуют.

1. Выбор соотношения размеров сторон помещения. Самая неблагоприятная форма в этом смысле - куб, поскольку некоторые собственные частоты, соответствующие разным тройкам чисел g, q, r (см. выше), совпадают.

2. Использование непараллельных и криволинейных поверхностей.

Законы геометрической акустики сохраняют свою силу и для криволинейных поверхностей.

Рис. 4.7. Отражение звуковых волн от вогнутой (а) и выпуклой (б) поверхностей (И - источник звука)

Из рисунка видно, что при отражении звуковых лучей от вогнутой поверхности происходит их фокусировка с образованием мнимого источника звука. В этой точке звуковое давление возрастает, что означает увеличение неравномерности звукового поля. Поэтому при проектировании помещений допустимы поверхности либо с малым (не более 40 см), либо с большим (в четыре и более раз больше длины помещения) радиусом кривизны.

Выпуклые поверхности способствуют рассеянию отраженных волн, способствуя однородности звукового поля.

Концепция LEDE

Аббревиатура от Live End - Dead End. Автор Don Davis, создана концепция в 1978 году. Согласно этой концепции передняя стена и передняя половина помещения являются "меpтвыми", поглощающими.

Задняя стена и задняя половина являются "живыми", отражающими. При такой обработке помещения обеспечивается "оживление" звучания реверберацией и в то же время реверберационное дополнение максимально разнесено с прямой волной по углу, что обеспечивает минимальное маскирующее и расфокусирующее действие реверберации.

Изначально LEDE предназначалась для студий звукозаписи, однако практика, по мнению приверженцев концепции, показала универсальный характер возможного использования основных принципов обработки помещений по LEDE.

ВОСПРИЯТИЕ: ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА

ЛЕКЦИЯ 6 (4 ЧАСА). СОБСТВЕННО ВОСПРИЯТИЕ

Восприятие в целом можно разделить на 2 составляющих:

1) восприятие содержания звука;

2) восприятие пространственных характеристик источника звука.

Будем рассматривать их по порядку.

Восприятие содержания

Под восприятием содержания будем понимать восприятие эмоций и информации, закодированных во временной форме сигнала вне зависимости от ее пространственных характеристик. Собственно, эмоции - это тоже информация, но особого рода.

В этой связи перед нервной системой стоит 2 задачи:

1) селекция нужного источника;

2) собственно извлечение информации из формы сигнала.

Условие, при котором сигналы источников можно разделить: два сигнала можно разделить, если один из них нельзя представить как второй, измененный по амплитуде и сдвинутый во времени (причем это касается не отдельных периодов времени, а всего сигнала). В противном случае мы слышим либо эхо, либо один кажущийся источник звука (КИЗ), расположенный между излучателями.

Если указанное условие выполняется (а оно выполняется даже для исполнителей, поющих в унисон), то разделить сигналы Вы можете только в том случае, если в Вашей слуховой памяти есть образцы разделяемых сигналов по отдельности. Эти образцы не обязательно должны быть точными (например, голос конкретного человека), достаточно, чтобы эти образцы описывали то, что присуще сигналам по отдельности, но не присуще их суперпозиции. Образцы слуховых образов, хранящихся в слуховой памяти можно разделить на врожденные и приобретенные.

Наиболее правдоподобная гипотеза того, как конкретно осуществляется разделение источников, состоит в том, что выполняется корреляционное (или какое-либо другое) сравнение поступающей смеси сигналов с имеющимися образцами. Если обнаружен аддитивно существующий в смеси интересующий нас компонент, то формируется соответствующий образ.

Теперь относительно собственно восприятия содержания.

В восприятии музыкального произведения можно выделить три уровня восприятия:

1) восприятие звука (восприятие основных характеристик отдельных фрагментов звуковой волны);

2) восприятие эмоций, заложенных в отдельные музыкальные фразы;

3) восприятие музыкального произведения в целом.

Они не лучше и не хуже друг друга, это звенья одной цепи. Далее рассмотрим только первый, т.к. вторые - вопрос музыкальной культуры и между ними и традиционными научными методами - зияющая пропасть. Основные слышимые характеристики звука - громкость, высота, тембр. Рассмотрим первые две, т.к. относительно третьей пока можно высказать только самые общие соображения.

Восприятие громкости

Человек оценивает не то, на сколько изменилась мощность источника, а во сколько раз она изменилась. Это позволяет иметь больший динамический диапазон и более стабильную относительную погрешность.

Уровни

В связи с логарифмической зависимостью слухового ощущения от возбуждающего стимула характеристики звуковых сигналов также выражают в логарифмической шкале. Но логарифм можно брать только относительно безразмерных положительных величин. Поэтому логарифмируют не сам параметр p, а его отношение к некоторому опорному p ₀ (нуле<