Для создания различных музыкальных тонов на духовых инструментах, таких, как показанный на рисунке кларнет, музыкант начинает дуть в мундштук и одновременно с этим нажимать на рычажки клапанов, чтобы открывать те или иные отверстия в боковой стенке инструмента. Открывая отверстия, музыкант изменяет длину стоячей волны, определяемую протяженностью столба воздуха внутри инструмента, и тем самым увеличивает или уменьшает высоту тона.

Играя на таких духовых инструментах, как труба или туба, музыкант частично перекрывает проходное сечение раструба и регулирует положение клапанов, изменяя тем самым длину столба воздуха.

В тромбоне воздушный столб регулируется путем перемещения скользящего изогнутого колена. Отверстия в стенках простейших духовых инструментов, таких, как флейта и пикколо, для получения аналогичного эффекта перекрываются пальцами.

Одно из древнейших творений

Утонченная конструкция кларнета, показанного на рисунке вверху, обязана своим появлением грубым бамбуковым свирелям и примитивным флейтам, которые считаются первыми инструментами, созданными человеком на заре цивилизации. Старейшие духовые инструменты опередили струнные на несколько тысячелетий. Раструб на открытом конце кларнета делает поправку на динамическое взаимодействие звуковых волн с окружающим воздухом.

Тонкий язычок в мундштуке кларнета (рисунок вверху) колеблется при поперечном обтекании воздухом. Колебания распространяются в виде волн сжатия по трубке инструмента.

Телескопические трубки

В тромбоне скользящее изогнутое трубчатое колено (цуг) плотно прилегает к основной трубке. Перемещение телескопического цуга внутрь и наружу изменяет длину столба воздуха и, соответственно, тон звука.

Изменение тона при помощи пальцев

Когда отверстия закрыты, колеблющийся столб воздуха занимает всю длину трубки, создавая самый низкий тон.

Открытие двух отверстий приводит к укорачиванию воздушного столба и созданию более высокого тона.

Открытие большего количества отверстий еще сильнее укорачивает воздушный столб и обеспечивает дальнейшее повышение тона.

Стоячие волны в открытых трубах

В трубе, открытой с обоих концов, стоячие волны формируются так, что на каждом конце трубы находится пучность (участок с максимальной амплитудой колебаний).

Стоячие волны в закрытых трубах

В трубе с одним закрытым концом стоячие волны формируются так, что у закрытого конца расположен узел (участок с нулевой амплитудой колебаний), а у открытого - пучность.

Февраль 18, 2016

Мир домашних развлечений довольно разнообразен и может включать в себя: просмотр кино на хорошей домашней кинотеатральной системе; увлекательный и захватывающий игровой процесс или прослушивание музыкальных композиций. Как правило, каждый находит что-то своё в этой области, или сочетает всё сразу. Но какими бы не были цели человека по организации своего досуга и в какую бы крайность не ударялись - все эти звенья прочно связаны одним простым и понятным словом - "звук". Действительно, во всех перечисленных случаях нас будет вести за ручку звуковое сопровождение. Но вопрос этот не так прост и тривиален, особенно в тех случаях, когда появляется желание добиться качественного звучания в помещении или любых других условиях. Для этого не всегда обязательно покупать дорогостоящие hi-fi или hi-end компоненты (хотя будет весьма кстати), а бывает достаточным хорошее знание физической теории, которая способна устранить большинство проблем, возникающих у всех, кто задался целью получить озвучку высокого качества.

Далее будет рассмотрена теория звука и акустики с точки зрения физики. В данном случае я постараюсь сделать это максимально доступно для понимания любого человека, который, возможно, далёк от знания физических законов или формул, но тем не менее страстно грезит воплощением мечты создания совершенной акустической системы. Я не берусь утверждать, что для достижения хороших результатов в этой области в домашних условиях (или в автомобиле, например) необходимо знать эти теории досканально, однако понимание основ позволит избежать множество глупых и абсурдных ошибок, а так же позволит достичь максимального эффекта звучания от системы любого уровня.

Общая теория звука и музыкальная терминология

Что же такое звук ? Это ощущение, которое воспринимает слуховой орган "ухо" (само по себе явление существует и без участия «уха» в процессе, но так проще для понимания), возникающее при возбуждении барабанной перепонки звуковой волной. Ухо в данном случае выступает в роли "приёмника" звуковых волн различной частоты.
Звуковая волна же представляет собой по сути последовательный ряд уплотнений и разряжений среды (чаще всего воздушной среды в обычных условиях) различной частоты. Природа звуковых волн колебательная, вызываемая и производимая вибрацией любых тел. Возникновение и распространение классической звуковой волны возможно в трёх упругих средах: газообразных, жидких и твёрдых. При возникновении звуковой волны в одном из этих типов пространства неизбежно возникают некоторые изменения в самой среде, например, изменение плотности или давления воздуха, перемещение частиц воздушных масс и т.д.

Поскольку звуковая волна имеет колебательную природу, то у неё имеется такая характеристика, как частота. Частота измеряется в герцах (в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца), и обозначает количество колебаний за период времени, равный одной секунде. Т.е. например, частота 20 Гц обозначает цикл в 20 колебаний за одну секунду. От частоты звука зависит и субъективное понятие его высоты. Чем больше звуковых колебаний совершается за секунду, тем «выше» кажется звучание. У звуковой волны так же имеется ещё одна важнейшая характеристика, имеющая название - длина волны. Длиной волны принято считать расстояние, которое проходит звук определённой частоты за период, равный одной секунде. Для примера, длина волны самого низкого звука в слышимом диапазоне для человека частотой 20 Гц составляет 16,5 метров, а длина волны самого высокого звука 20000 Гц составляет 1,7 сантиметра.

Человеческое ухо устроено таким образом, что способно воспринимать волны только в ограниченном диапазоне, примерно 20 Гц - 20000 Гц (зависит от особенностей конкретного человека, кто-то способен слышать чуть больше, кто-то меньше). Таким образом, это не означает, что звуков ниже или выше этих частот не существует, просто человеческим ухом они не воспринимаются, выходя за границу слышимого диапазона. Звук выше слышимого диапазона называется ультразвуком , звук ниже слышимого диапазона называется инфразвуком . Некоторые животные способны воспринимать ультра и инфра звуки, некоторые даже используют этот диапазон для ориентирования в пространстве (летучие мыши, дельфины). В случае, если звук проходит через среду, которая напрямую не соприкасается с органом слуха человека, то такой звук может быть не слышим или сильно ослабленным в последствии.

В музыкальной терминологии звука существуют такие важные обозначения, как октава, тон и обертон звука. Октава означает интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1 к 2. Октава обычно очень хорошо различима на слух, в то время как звуки в пределах этого интервала могут быть очень похожими друг на друга. Октавой также можно назвать звук, который делает вдвое больше колебаний, чем другой звук, в одинаковый временной период. Например, частота 800 Гц, есть ни что иное, как более высокая октава 400 Гц, а частота 400 Гц в свою очередь является следующей октавой звука частотой 200 Гц. Октава в свою очередь состоит из тонов и обертонов. Переменные колебания в гармонической звуковой волне одной частоты воспринимаются человеческим ухом как музыкальный тон . Колебания высокой частоты можно интерпретировать как звуки высокого тона, колебания низкой частоты – как звуки низкого тона. Человеческое ухо способно чётко отличать звуки с разницей в один тон (в диапазоне до 4000 Гц). Несмотря на это, в музыке используется крайне малое число тонов. Объясняется это из соображений принципа гармонической созвучности, всё основано на принципе октав.

Рассмотрим теорию музыкальных тонов на примере струны, натянутой определённым образом. Такая струна, в зависимости от силы натяжения, будет иметь "настройку" на какую-то одну конкретную частоту. При воздействии на эту струну чем-либо с одной определённой силой, что вызовет её колебания, стабильно будет наблюдаться какой-то один определенный тон звука, мы услышим искомую частоту настройки. Этот звук называется основным тоном. За основной тон в музыкальной сфере официально принята частота ноты "ля" первой октавы, равная 440 Гц. Однако, большинство музыкальных инструментов никогда не воспроизводят одни чистые основные тона, их неизбежно сопровождают призвуки, именуемые обертонами . Тут уместно вспомнить важное определение музыкальной акустики, понятие тембра звука. Тембр - это особенность музыкальных звуков, которые придают музыкальным инструментам и голосам их неповторимую узнаваемую специфику звучания, даже если сравнивать звуки одинаковой высоты и громкости. Тембр каждого музыкального инструмента зависит от распределения звуковой энергии по обертонам в момент появления звука.

Обертоны формируют специфическую окраску основного тона, по которой мы легко можем определить и узнать конкретный инструмент, а так же чётко отличить его звучание от другого инструмента. Обертоны бывают двух типов: гармонические и негармонические. Гармонические обертоны по определению кратны частоте основного тона. Напротив, если обертоны не кратны и заметно отклоняются от величин, то они называются негармоническими . В музыке практически исключается оперирование некратными обертонами, поэтому термин сводится к понятию "обертон", подразумевая под собой гармонический. У некоторых инструментов, например фортепиано, основной тон даже не успевает сформироваться, за короткий промежуток происходит нарастание звуковой энергии обертонов, а затем так же стремительно происходит спад. Многие инструменты создают так называемый эффект "переходного тона", когда энергия определённых обертонов максимальна в определённый момент времени, обычно в самом начале, но потом резко меняется и переходит к другим обертонам. Частотный диапазон каждого инструмента можно рассмотреть отдельно и он обычно ограничивается частотами основных тонов, который способен воспроизводить данный конкретный инструмент.

В теории звука также присутствует такое понятие как ШУМ. Шум - это любой звук, которой создаётся совокупностью несогласованных между собой источников. Всем хорошо знаком шум листвы деревьев, колышимой ветром и т.д.

От чего зависит громкость звука? Очевидно, что подобное явление напрямую зависит от количества энергии, переносимой звуковой волной. Для определения количественных показателей громкости, существует понятие - интенсивность звука. Интенсивность звука определяется как поток энергии, прошедший через какую-то площадь пространства (например, см2) за единицу времени (например, за секунду). При обычном разговоре интенсивность составляет примерно 9 или 10 Вт/см2. Человеческое ухо способно воспринимать звуки достаточно широкого диапазона чувствительности, при этом восприимчивость частот неоднородна в пределах звукового спектра. Так наилучшим образом воспринимается диапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, который наиболее широко охватывает человеческую речь.

Поскольку звуки столь сильно различаются по интенсивности, удобнее рассматривать её как логарифмическую величину и измерять в децибелах (в честь шотландского учёного Александра Грэма Белла). Нижний порог слуховой чувствительности человеческого уха составляет 0 Дб, верхний 120 Дб, он же ещё называется "болевой порог". Верхняя граница чувствительности так же воспринимается человеческим ухом не одинаково, а зависит от конкретной частоты. Звуки низких частот должны обладать гораздо бОльшей интенсивностью, чем высокие, чтобы вызвать болевой порог. Например, болевой порог на низкой частоте 31,5 Гц наступает при уровне силы звука 135 дБ, когда на частоте 2000 Гц ощущение боли появится при уже при 112 дБ. Имеется также понятие звукового давления, которое фактически расширяет привычное объяснение распространение звуковой волны в воздухе. Звуковое давление - это переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде в результате прохождения через неё звуковой волны.

Волновая природа звука

Чтобы лучше понять систему возникновения звуковой волны, представим классический динамик, находящийся в трубе, наполненной воздухом. Если динамик совершит резкое движение вперёд, то воздух, находящийся в непосредственной близости диффузора на мгновение сжимается. После этого воздух расширится, толкая тем самым сжатую воздушную область вдоль по трубе.
Вот это волновое движение и будет впоследствии звуком, когда достигнет слухового органа и "возбудит" барабанную перепонку. При возникновении звуковой волны в газе создаётся избыточное давление, избыточная плотность и происходит перемещение частиц с постоянной скоростью. Про звуковые волны важно помнить то обстоятельство, что вещество не перемещается вместе со звуковой волной, а возникает лишь временное возмущение воздушных масс.

Если представить поршень, подвешенный в свободном пространстве на пружине и совершающий повторяющиеся движения "вперёд-назад", то такие колебания будут называться гармоническими или синусоидальными (если представить волну в виде графика, то получим в этом случае чистейшую синусойду с повторяющимися спадами и подъёмами). Если представить динамик в трубе (как и в примере, описанном выше), совершающий гармонические колебания, то в момент движения динамика "вперёд" получается известный уже эффект сжатия воздуха, а при движении динамика "назад" обратный эффект разряжения. В этом случае по трубе будет распространяться волна чередующихся сжатий и разрежений. Расстояние вдоль трубы между соседними максимумами или минимумами (фазами) будет называться длиной волны . Если частицы колеблются параллельно направлению распространения волны, то волна называется продольной . Если же они колеблются перпендикулярно направлению распространения, то волна называется поперечной . Обычно звуковые волны в газах и жидкостях – продольные, в твердых же телах возможно возникновение волн обоих типов. Поперечные волны в твердых телах возникают благодаря сопротивлению к изменению формы. Основная разница между этими двумя типами волн заключается в том, что поперечная волна обладает свойством поляризации (колебания происходят в определенной плоскости), а продольная – нет.

Скорость звука

Скорость звука напрямую зависит от характеристик среды, в которой он распространяется. Она определяется (зависима) двумя свойствами среды: упругостью и плотностью материала. Скорость звука в твёрдых телах соответственно напрямую зависит от типа материала и его свойств. Скорость в газовых средах зависит только от одного типа деформации среды: сжатие-разрежение. Изменение давления в звуковой волне происходит без теплообмена с окружающими частицами и носит название адиабатическое.
Скорость звука в газе зависит в основном от температуры - возрастает при повышении температуры и падает при понижении. Так же скорость звука в газообразной среде зависит от размеров и массы самих молекул газа, - чем масса и размер частиц меньше, тем "проводимость" волны больше и больше соответственно скорость.

В жидкой и твёрдой средах принцип распространения и скорость звука аналогичны тому, как волна распространяется в воздухе: путём сжатия-разряжения. Но в данных средах, помимо той же зависимости от температуры, достаточно важное значение имеет плотность среды и её состав/структура. Чем меньше плотность вещества, тем скорость звука выше и наоборот. Зависимость же от состава среды сложнее и определяется в каждом конкретном случае с учётом расположения и взаимодействия молекул/атомов.

Скорость звука в воздухе при t, °C 20: 343 м/с
Скорость звука в дистиллированной воде при t, °C 20: 1481 м/с
Скорость звука в стали при t, °C 20: 5000 м/с

Стоячие волны и интерференция

Когда динамик создаёт звуковые волны в ограниченном пространстве неизбежно возникает эффект отражения волн от границ. В результате этого чаще всего возникает эффект интерференции - когда две или более звуковых волн накладываются друг на друга. Особыми случаями явления интерференции являются образование: 1) Биений волн или 2) Стоячих волн. Биения волн - это случай, когда происходит сложение волн с близкими частотами и амплитудой. Картина возникновения биений: когда две похожие по частоте волны накладываются друг на друга. В какой-то момент времени при таком наложении, амплитудные пики могут совпадать "по фазе", а также могут совпадать и спады по "противофазе". Именно так и характеризуются биения звука. Важно помнить, что в отличие от стоячих волн, фазовые совпадения пиков происходят не постоянно, а через какие-то временные промежутки. На слух такая картина биений различается достаточно чётко, и слышится как периодическое нарастание и убывание громкости соответственно. Механизм возникновения этого эффекта предельно прост: в момент совпадения пиков громкость нарастает, в момент совпадения спадов громкость уменьшается.

Стоячие волны возникают в случае наложения двух волн одинаковой амлитуды, фазы и частоты, когда при "встрече" таких волн одна движется в прямом, а другая – в обратном направлении. В участке пространства (где образовалась стоячая волна) возникает картина наложения двух частотных амплитуд, с чередованием максимумов (т.н. пучностей) и минимумов (т.н. узлов). При возникновении этого явления крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. В отличие от бегущих волн, в стоячей волне отсутствует перенос энергии вследствие того, что образующие эту волну прямая и обратная волны переносят энергию в равных количествах и в прямом и в противоположном направлениях. Для наглядного понимания возникновения стоячей волны, представим пример из домашней акустики. Допустим, у нас есть напольные акустические системы в некотором ограниченном пространстве (комнате). Заставив их играть какую-нибудь композицию с большим количеством баса, попробуем изменить местоположение слушателя в помещении. Таким образом слушатель, попав в зону минимума (вычитания) стоячей волны ощутит эффект того, что баса стало очень мало, а если слушатель попадает в зону максимума (сложения) частот, то получается обратный эффект существенного увеличения басовой области. При этом эффект наблюдается во всех октавах базовой частоты. Например, если базовая частота составляет 440 Гц, то явление "сложения" или "вычитания" будет наблюдаться также на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц и т.д.

Явление резонанса

У большинства твёрдых тел имеется собственная частота резонанса. Понять этот эффект достаточно просто на примере обычной трубы, открытой только с одного конца. Представим ситуацию, что с другого конца трубы подсоединяется динамик, который может играть какую-то одну постоянную частоту, её также впоследствии можно менять. Так вот, у трубы имеется собственная частота резонанса, говоря простым языком - это частота, на которой труба "резонирует" или издаёт свой собственный звук. Если частота динамика (в результате регулировки) совпадёт с частотой резонанса трубы, то возникнет эффект увеличения громкости в несколько раз. Это происходит потому, что громкоговоритель возбуждает колебания воздушного столба в трубе со значительной амплитудой до тех пор, пока не найдётся та самая «резонансная частота» и произойдёт эффект сложения. Возникшее явление можно описать следующим образом: труба в этом примере "помогает" динамику, резонируя на конкретной частоте, их усилия складываются и "выливаются" в слышимый громкий эффект. На примере музыкальных инструментов легко прослеживается это явление, поскольку в конструкции большинства присутствуют элементы, называемые резонаторами. Нетрудно догадаться, что служит цели усилить определённую частоту или музыкальный тон. Для примера: корпус гитары с резонатором ввиде отверстия, сопрягаемого с объёмом; Конструкция трубки у флейты (и все трубы вообще); Циллиндрическая форма корпуса барабана, который сам по себе является резонатором определённой частоты.

Частотный спектр звука и АЧХ

Поскольку на практике практически не встречаются волны одной частоты, то возникает необходимость разложения всего звукового спектра слышимого диапазона на обертоны или гармоники. Для этих целей существуют графики, которые отображают зависимость относительной энергии звуковых колебаний от частоты. Такой график называется графиком частотного спектра звука. Частотный спектр звука бывает двух типов: дискретный и непрерывный. Дискретный график спектра отображает частоты по отдельности, разделённые пустыми промежутками. В непрерывном спектре присутствуют сразу все звуковые частоты.
В случае с музыкой или акустикой чаще всего используется обычный график Амплитудно-Частотой Характеристики (сокращённо "АЧХ"). На таком графике представлена зависимость амплитуды звуковых колебаний от частоты на протяжении всего спектра частот (20 Гц - 20 кГц). Глядя на такой график легко понять, например, сильные или слабые стороны конкретного динамика или акустической системы в целом, наиболее сильные участки энергетической отдачи, частотные спады и подъёмы, затухания, а так же проследить крутизну спада.

Распространение звуковых волн, фаза и противофаза

Процесс распространения звуковых волн происходит во всех направлениях от источника. Простейший пример для понимания этого явления: камешек, брошенный в воду.
От места, куда упал камень, начинают расходиться волны по поверхности воды во всех направлениях. Однако, представим ситуацию с использованием динамика в неком объёме, допустим закрытом ящике, который подключён к усилителю и воспроизводит какой-то музыкальный сигнал. Несложно заметить (особенно при условии, если подать мощный НЧ сигнал, например бас-бочку), что динамик совершает стремительное движение "вперёд", а потом такое же стремительное движение "назад". Остаётся понять, что когда динамик совершает движение вперёд, он излучает звуковую волну, которую мы слышим впоследствии. А вот что происходит, когда динамик совершает движение назад? А происходит парадоксально тоже самое, динамик совершает тот же звук, только распространяется он в нашем примере всецело в пределах объёма ящика, не выходя за его пределы (ящик закрыт). В целом, на приведённом выше примере можно наблюдать достаточно много интересных физических явлений, наиболее значимым из которых является понятие фазы.

Звуковая волна, которую динамик, находясь в объёме, излучает в направлении слушателя - находится "в фазе". Обратная же волна, которая уходит в объём ящика, будет соответственно противофазной. Остаётся только понять, что подразумевают эти понятия? Фаза сигнала – это уровень звукового давления в текущий момент времени в какой-то точке пространства. Фазу проще всего понять на примере воспроизведения музыкального материала обычной напольной стерео-парой домашних акустических систем. Представим, что две такие напольные колонки установлены в неком помещении и играют. Обе акустические системы в этом случае воспроизводят синхронный сигнал переменного звукового давления, притом звуковое давление одной колонки складывается со звуковым давлением другой колонки. Происходит подобный эффект за счёт синхронности воспроизведения сигнала левой и правой АС соответственно, другими словами, пики и спады волн, излучаемых левыми и правыми динамиками совпадают.

А теперь представим, что давления звука по-прежнему меняются одинаковым образом (не претерпели изменений), но только теперь противоположно друг другу. Подобное может произойти, если подключить одну акустическую систему из двух в обратной полярности ("+" кабель от усилителя к "-" клемме акустической системе, и "-" кабель от усилителя к "+" клемме акустической системы). В этом случае противоположный по направлению сигнал вызовет разницу давлений, которую можно представить в виде чисел следующим образом: левая акустическая система будет создавать давление "1 Па", а правая акустическая система будет создавать давление "минус 1 Па". В результате, суммарная громкость звука в точке размещения слушателя будет равна нулю. Это явление называется противофазой. Если рассматривать пример более детально для понимания, то получается, что два динамика, играющие "в фазе" - создают одинаковые области уплотнения и разряжения воздуха, чем фактически помогают друг другу. В случае же с идеализированной противофазой, область уплотнения воздушного пространства, созданная одним динамиком, будет сопровождаться областью разряжения воздушного пространства, созданной вторым динамиком. Выглядит это примерно, как явление взаимного синхронного гашения волн. Правда, на практике падения громкости до нуля не происходит, и мы услышим сильно искажённый и ослабленный звук.

Самым доступным образом можно описать это явление так: два сигнала с одинаковыми колебаниями (частотой), но сдвинутые по времени. Ввиду этого, удобнее представить эти явления смещения на примере обычных круглых стрелочных часов. Представим, что на стене висит несколько одинаковых круглых часов. Когда секундные стрелки этих часов бегут синхронно, на одних часах 30 секунд и на других 30, то это пример сигнала, который находится в фазе. Если же секундные стрелки бегут со смещением, но скорость по-прежнему одинакова, например, на одних часах 30 секунд, а на других 24 секунды, то это и есть классический пример смещения (сдвига) по фазе. Таким же образом фаза измеряется в градусах, в пределах виртуальной окружности. В этом случае, при смещении сигналов относительно друг друга на 180 градусов (половина периода), и получается классическая противофаза. Нередко на практике возникают незначительные смещения по фазе, которые так же можно определить в градусах и успешно устранить.

Волны бывают плоские и сферические. Плоский волновой фронт распространяется только в одном направлении и редко встречается на практике. Сферический волновой фронт представляет собой волны простого типа, которые исходят из одной точки и распространяется во всех направлениях. Звуковые волны обладают свойством дифракции , т.е. способностью огибать препятствия и объекты. Степень огибания зависит от отношения длины звуковой волны к размерам препятствия или отверстия. Дифракция возникает и в случае, когда на пути звука оказывается какое-либо препятствие. В этом случае возможны два варианта развития событий: 1) Если размеры препятствия намного больше длины волны, то звук отражается или поглощается (в зависимости от степени поглощения материала, толщины препятствия и т.д.), а позади препятствия формируется зона "акустической тени". 2) Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны или даже меньше её, тогда звук дифрагирует в какой-то мере во всех направлениях. Если звуковая волна при движении в одной среде попадает на границу раздела с другой средой (например воздушная среда с твёрдой средой), то может возникнуть три варианта развития событий: 1) волна отразится от поверхности раздела 2) волна может пройти в другую среду без изменения направления 3) волна может пройти в другую среду с изменением направления на границе, это называется "преломление волны".

Отношением избыточного давления звуковой волны к колебательной объёмной скорости называется волновое сопротивление. Говоря простыми словами, волновым сопротивлением среды можно назвать способность поглощать звуковые волны или "сопротивляться" им. Коэффициенты отражения и прохождения напрямую зависят от соотношения волновых сопротивлений двух сред. Волновое сопротивление в газовой среде гораздо ниже, чем в воде или твёрдых телах. Поэтому если звуковая волна в воздухе падает на твердый объект или на поверхность глубокой воды, то звук либо отражается от поверхности, либо поглощается в значительной мере. Зависит это от толщины поверхности (воды или твёрдого тела), на которую падает искомая звуковая волна. При низкой толщине твёрдой или жидкой среды, звуковые волны практически полностью "проходят", и наоборот, при большой толщине среды волны чаще отражается. В случае отражения звуковых волн, происходит этот процесс по хорошо известному физическому закону: "Угол падения равен углу отражения". В этом случае, когда волна из среды с меньшей плотностью попадает на границу со средой большей плотности - происходит явление рефракции . Оно заключается в изгибе (преломлении) звуковой волны после "встречи" с препятствием, и обязательно сопровождается изменением скорости. Рефракция зависит также от температуры среды, в которой происходит отражение.

В процессе распространения звуковых волн в пространстве неизбежно происходит снижение их интенсивности, можно сказать затухание волн и ослабление звука. На практике столкнуться с подобным эффектом достаточно просто: например, если два человека встанут в поле на некотором близком расстоянии (метр и ближе) и начнут что-то говорить друг другу. Если впоследствии увеличивать расстояние между людьми (если они начнут отдаляться друг от друга), тот же самый уровень разговорной громкости будет становиться всё менее и менее слышимым. Подобный пример наглядно демонстрирует явление снижения интенсивности звуковых волн. Почему это происходит? Причиной тому различные процессы теплообмена, молекулярного взаимодействия и внутреннего трения звуковых волн. Наиболее часто на практике происходит превращение звуковой энергии в тепловую. Подобные процессы неизбежно возникают в любой из 3-ёх сред распространения звука и их можно охарактеризовать как поглощение звуковых волн .

Интенсивность и степень поглощения звуковых волн зависит от многих факторов, таких как: давление и температура среды. Также поглощение зависит от конкретной частоты звука. При распространении звуковой волны в жидкостях или газах возникает эффект трения между разными частицами, которое называется вязкостью. В результате этого трения на молекулярном уровне и происходит процесс превращения волны из звуковой в тепловую. Другими словами, чем выше теплопроводность среды, тем меньше степень поглощения волн. Поглощение звука в газовых средах зависит ещё и от давления (атмосферное давление меняется с повышением высоты относительно уровня моря). Что касательно зависимости степени поглощения от частоты звука, то принимая во внимание вышеназванные зависимости вязкости и теплопроводности, поглощение звука тем выше, чем выше его частота. Для примера, при нормальной температуре и давлении, в воздухе поглощение волны частотой 5000 Гц составляет 3 Дб/км, а поглощение волны частотой 50000 Гц составит уже 300 Дб/м.

В твёрдых средах сохраняются все вышеназванные зависимости (теплопроводность и вязкость), однако к этому добавляется ещё несколько условий. Они связаны с молекулярной структурой твёрдых материалов, которая может быть разной, со своими неоднородностями. В зависимости от этого внутреннего твёрдого молекулярного строения, поглощение звуковых волн в данном случае может быть различным, и зависит от типа конкретного материала. При прохождении звука через твёрдое тело, волна претерпевает ряд преобразований и искажений, что чаще всего приводит к рассеиванию и поглощению звуковой энергии. На молекулярном уровне может возникнуть эффект дислокаций, когда звуковая волна вызывает смещение атомных плоскостей, которые затем возвращаются в исходное положение. Либо же, движение дислокаций приводит к столкновению с перпендикулярными им дислокациями или дефектами кристаллического строения, что вызывает их торможение и как следствие некоторое поглощение звуковой волны. Однако, звуковая волна может и резонировать с данными дефектами, что приведет к искажению исходной волны. Энергия звуковой волны в момент взаимодействия с элементами молекулярной структуры материала рассеивается в результате процессов внутреннего трения.

В я постараюсь разобрать особенности слухового восприятия человека и некоторые тонкости и особенности распространения звука.

В наш век доступной информации люди не перестали распространять слухи и мифы. Это происходит от лености ума и других особенностей характера индивидуумов.

Напомним, что ветроэнергетика – это большая отрасль мировой экономики, в которую ежегодно вкладываются десятки миллиардов долларов. Поэтому даже ленивый умом гражданин мог бы предположить, что возникающие в процессе развития отрасли вопросы уже где-то кем-то ставились и разбирались.

Для того, чтобы облегчить доступ широкой общественности к правильной информации мы создадим здесь «справочник», в котором будем разбивать мифы об отрасли. Уточним, что мы говорим о промышленной ветроэнергетике, в которой работают крупные ветрогенераторы мегаваттного класса. В отличие от фотоэлектрической солнечной энергетики, в которой небольшие, распределенные электростанции в совокупности занимают весомую долю в генерации, малые ветровые электростанции – нишевая сфера. Ветроэнергетика – это энергетика больших машин и мощностей.

Сегодня рассмотрим миф о вреде ветроэнергетики для окружающей среды и здоровья человека в связи с издаваемым шумом и инфразвуком (звуковыми волнами, имеющими частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом).

Отнесемся к этому мифу со всей серьезностью. Дело в том, что о страшных последствиях инфразвука, производимого ветрогенераторами, я слышал лично от уважаемого члена-корреспондента РАН, главы целого Курчатовского института (!), Ковальчука М.В.

Начнем с того, что ветрогенератор – это машина с движущимися частями. Машины, которые совсем бесшумны, вряд ли встречаются. При этом шум ветровой турбины не столь велик по сравнению, скажем, с газовой турбиной или другим генерирующим устройством сопоставимой мощности, работающим на основе сжигания топлива. Как видно на картинке, шум ветровой турбины непосредственно у генератора не выше, чем у работающей газонокосилки.

Разумеется, жить под большим ветряком неприятно и вредно для здоровья. Также шумно и вредно жить у железной дороги, на московском Садовом кольце и т.д.

Для того, чтобы шум не мешал, необходимо строить ветровые электростанции на расстоянии от жилых домов. Каким должно быть это расстояние? Универсальной мировой нормы нет. В документах Международной организации здравоохранения не содержится специальных рекомендаций. Однако, существует документ «Night Noise Guidelines for Europe», рекомендующий максимальный уровень шума в ночное время (40 дБ), который учитывается и при планировании объектов ветроэнергетики. В Великобритании с её развитой ветроэнергетикой норм, устанавливающих дистанцию между ветровыми электростанциями и жилыми домами, нет (рассматривается законопроект). В германской федеральной земле Баден-Вюртемберг установлено минимальное расстояние от жилых домов в 700 метров, при этом проводятся расчеты по каждому конкретному проекту с учетом допустимого уровня шума в ночное время (макс. 35-40 дБ в зависимости от типа жилой застройки)…

Перейдем к инфразвуку.

Для начала возьмём 70-страничное австралийское «Уровень инфразвука вблизи ветровых ферм и в других районах» с результатами измерений. Замеры делал не абы кто, а специализированное предприятие Resonate Acoustics, занимающиеся акустическими исследованиями, и по заказу Министерства защиты окружающей среды Южной Австралии. Вывод: «уровень инфразвука в домах вблизи оцениваемых ветряных турбин не выше, чем в других городских и сельских районах, и вклад ветровых турбин в измеренные уровни инфразвука является незначительным по сравнению с фоновым уровнем инфразвука в окружающей среде».

Теперь посмотрим на брошюру «Факты: ветроэнергетика и инфразвук », изданную Министерством экономики, энергетики, транспорта и территориального развития немецкой Федеральной земли Гессен: «Нет никаких научных доказательств того, что инфразвук от ветровых турбин может вызвать последствия для здоровья при соблюдении минимальных расстояний, установленных в земле Гессен» (1000 м от границы поселения). «Инфразвук, исходящий от ветровых турбин, ниже порога человеческого восприятия».

В научном журнале Frontiers in Public Health опубликована по поводу влияния шума низкой частоты и инфразвука от ветровых турбин на здоровье («Health-Based Audible Noise Guidelines Account for Infrasound and Low-Frequency Noise Produced by Wind Turbines»). Вывод: звуки низкой частоты ощущаются на расстоянии до 480 м, впрочем, как и вообще шум генератора. Действующие нормы и правила строительства ветровых электростанций надежно защищают потенциальных реципиентов шума, в том числе низкочастотного шума и инфразвука.

Можем также взять исследование Министерства окружающей среды, климата и энергетического хозяйства Земли Баден-Вюртемберг «Низкочастотные шумы и инфразвук от ветроэнергетических установок и других источников»: «Инфразвуки вызываются большим количеством природных и промышленных источников. Они повседневная и повсеместная часть нашей окружающей среды… Инфразвук, производимый ветровыми турбинами, находится значительно ниже пределов человеческого восприятия. Нет никаких научно обоснованных доказательств вреда для этого диапазона».

Государственный департамент здоровья Канады провел большое исследование «Шум от ветровых турбин и здоровье », в котором один из разделов посвящен инфразвуку. Никаких ужасов не нашли.

Кроме того, не удалось найти каких-то серьезных научных подтверждений вреда шума (и инфразвука) ветровых турбин для насекомых и животных.

Подведем итоги.

Шум от ветровых генераторов не является каким-то «особо вредным звуковым загрязнением». Да, оборудование шумит, как это делают машины. Для того, чтобы этот шум не слышать, нужно жить на разумном расстоянии от ветровых электростанций. Законодателям целесообразно устанавливать эти расстояния с учетом данных профессиональных измерений.

Многочисленные научные исследования доказывают, что сверхнизкий шум ветровых турбин (инфразвук) не представляет опасности для человека в случае соблюдения этого разумного расстояния.

Необходимо также учитывать, что в мире продолжаются регулярные исследования, касающиеся всех сторон ветроэнергетической отрасли, в том числе щекотливых вопросов шума и инфразвука. Эти исследования помогают регуляторам повышать безопасность объектов ветроэнергетики, а производителям – создавать более совершенные и тихие машины.

В будущих статьях мы рассмотрим другие мифы о ветроэнергетике.

Идея поющей воды пришла в голову средневековых японцев сотни лет назад и достигла своего расцвета к середине XIX века. Подобная инсталляция называется «сюйкинкуцу», что в вольном переводе означает «водяная арфа»:

Как следует из видео, сюйкинкуцу представляет собой большой пустой сосуд, обычно установленный в земле на бетонном основании. В верхней части сосуда имеется отверстие, через которое внутрь капает вода. В бетонное основание вставлена дренажная трубка для отвода излишков воды, а само основание выполнено чуть вогнутым, чтобы на нём постоянно имелась неглубокая лужица. Звук капель отражается от стен сосуда, создавая естественную реверберацию (см. рисунок ниже).

Сюйкинкуцу в разрезе: полый сосуд на вогнутом сверху бетонном основании, дренажная трубка для отвода лишней воды, в основании и вокруг засыпка из камней (гравия).

Сюйкинкуцу традиционно являлись элементом японского садово-паркового дизайна, садов камней в духе дзэн. В старину их устраивали на берегах ручьёв возле буддийских храмов и домиков для чайной церемонии. Считалось, что омыв руки перед чайной церемонией и услышав при этом волшебные звуки из-под земли, человек настраивается на возвышенный лад. Японцы до сих пор уверены, что самые лучшие наиболее чисто звучащие сюйкинкуцу должны изготовляться из цельного камня, хотя в наши дни это требование не соблюдается.
К середине ХХ века искусство устройства сюйкинкуцу было почти утеряно – на всю Японию осталась пара-тройка сюйкинкуцу, но в последние годы интерес к ним переживает необычайный подъём. Сегодня их выполняют из более доступных материалов – чаще всего из керамических или металлических сосудов подходящего размера. Особенность звучания сюйкинкуцу в том, что кроме основного тона капли внутри ёмкости за счёт резонанса стенок возникают дополнительные частоты (гармоники), как выше, так и ниже основного тона.
В наших местных условиях создать сюйкинкуцу можно по-разному: не только из керамической или металлической ёмкости, но и, например, выложить непосредственно в земле из красного кирпича по методу изготовления эскимосских жилищ-иглу или отлить из бетона по т технологии создания колоколов – эти варианты по звучанию будут наиболее близкими к цельнокаменным сюйкинкуцу.
В бюджетной версии можно обойтись отрезком стальной трубы большого диаметра (630 мм, 720 мм), накрытым с торца сверху крышкой (толстым металлическим листом) с отверстием для стока воды. Использовать пластиковые ёмкости я бы не советовал: пластик поглощает некоторые звуковые частоты, а в сюйкинкуцу нужно добиться их максимального отражения от стенок.
Непременные условия:
1. вся система должна быть полностью скрыта под землёй;
2. основание и засыпку боковых пазух необходимо выполнять из камня (щебня, гравия, гальки) -- забивка пазух грунтом сведёт на нет резонансные свойства ёмкости.
Логично предположить, что решающее значение в инсталляции имеет высота сосуда – точнее, его глубина: чем сильнее в полёте разгоняется капля воды, тем звонче будет её удар об дно, тем интереснее и полнее будет звук. Но не стóит доходить до фанатизма и строить ракетную шахту -- вполне достаточно высоты ёмкости (отрезка металлической трубы) в 1,5-2,5 от размера её диаметра. Учтите, что чем шире объём ёмкости, тем ниже будет звучание основного тона сюйкинкуцу.
Физик Йошио Ватанабе (Yoshio Watanabe) лабораторно изучил особенности реверберации сюйкинкуцу, его исследование “Analytic Study of Acoustic Mechanism of «Suikinkutsu»” имеется в Интернете в свободном доступе. Для самых дотошных читателей – Ватанабе предлагает оптимальные на его взгляд размеры традиционных сюйкинкуцу: керамический сосуд со стенкой толщиной 2см колоколообразной или грушевидной формы, свободная высота падения капли от 30 до 40 см, максимальный внутренний диаметр около 35 см. Но учёный вполне допускает любые произвольные размеры и формы.
Можно поэкспериментировать и получить интересные эффекты, если сделать сюйкинкуцу как трубу в трубе: внутрь стальной трубы большего диаметра (например, 820мм) вставить трубу меньшего диаметра (630 мм) и немного меньшей высоты, а в стенках внутренней трубы дополнительно на разной высоте вырезать несколько отверстий диаметром примерно 10-15 см. Тогда пустой зазор между трубами будет создавать дополнительную реверберацию, а если вам повезёт, то и эхо.
Облегчённый вариант: в бетонное основание во время его заливки вертикально и чуть под углом вставить пару толстых металлических пластин шириной 10-15 сантиметров и высотой выше половины внутреннего объёма ёмкости – за счёт этого увеличится площадь внутренней поверхности сюйкинкуцу, возникнут дополнительные отражения звука, и соответственно немного возрастёт время реверберации.
Можно ещё радикальнее модернизировать сюйкинкуцу: если в нижней части ёмкости по оси падения воды подвесить колокольчики или тщательно подобранные металлические пластины, то от ударов по ним капель можно получить благозвучный саунд. Но учтите, что в этом случае искажается идея сюйкинкуцу, которая заключается в том, чтобы слушать именно естественную музыку воды.
Сейчас в Японии сюйкинкуцу устраивают не только в дзэнских парках и в частных владениях, но даже в городах, в офисах и в ресторанах. Для этого возле сюйкинкуцу устанавливают миниатюрный фонтан, иногда внутрь сосуда помещают один-два микрофона, затем их сигнал усиливают и подают на замаскированные неподалёку динамики. Результат звучит примерно так:

Хороший пример для подражания.

Энтузиасты сюйкинкуцу выпустили компакт-диск с записями различных сюйкинкуцу, созданных в разных концах Японии.
Идея сюйкинкуцу нашла своё развитие на другом берегу Тихого океана:

В основе этого американского «волнового органа» обычные пластиковые трубы большой длины. Установленные одним своим краем точно на уровне волн, трубы резонируют от движения воды и за счёт своего изгиба вдобавок работают как звуковой фильтр. В традициях сюйкинкуцу вся конструкция скрыта от глаз. Инсталляция уже включена в туристические справочники.
Следующее британское устройство тоже создано из пластиковых труб, но предназначено не для генерации звука, а для изменения уже имеющегося сигнала.
Устройство называется «Оргáн Корти» и представляет собой несколько рядов полых пластиковых труб, закреплённых вертикально между двумя пластинами. Ряды труб работают как естественный звуковой фильтр подобный тем, что установлены в синтезаторах и в гитарных «примочках»: какие-то частоты поглощаются пластиком, другие многократно отражаются и резонируют. В результате звук, поступающий из окружающего пространства, преобразуется случайным образом:

Интересно было бы поставить такое устройство напротив гитарного комбика или любой акустической системы и послушать, как при этом изменится звук. Воистину, «…всё вокруг есть музыка. Или может ею стать при помощи микрофонов» (американский композитор Джон Кейдж). …Думаю этим летом у себя за городом создать сюйкинкуцу. С лингамом.

Звук представляет собой звуковые волны, которые вызывают колебания мельчайших частиц воздуха, других газов, а также жидких и твердых сред. Звук может возникать только там, где есть вещество, не важно, в каком агреатном состоянии оно находится. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе. Звук может модифицироваться, видоизменяться, превращаясь в иные формы энергии. Так, звук, преобразованный в радиоволны или в электрическую энергию, можно передавать на расстояния и записывать на информационные носители.

Звуковая волна

Движения предметов и тел практически всегда становятся причиной колебаний окружающей среды. Не важно, вода это или воздух. В процессе этого частицы среды, которой передаются колебания тела, также начинают колебаться. Возникают звуковые волны. Причем движения осуществляются в направлениях вперед и назад, поступательно сменяя друг друга. Поэтому звуковая волна является продольной. Никогда в ней не возникает поперечного движения вверх и вниз.

Характеристики звуковых волн

Как и любое физическое явление, они имеют свои величины, при помощи которых можно описать свойства. Основные характеристики звуковой волны - это ее частота и амплитуда. Первая величина показывает, какое количество волн образуется за секунду. Вторая определяет силу волны. Низкочастотные звуки имеют низкие показатели частоты, и наоборот. Частота звука измеряется в Герцах, и если она превышает 20 000 Гц, то возникает ультразвук. Примеров низкочастотных и высокочастотных звуков в природе и окружающем человека мире достаточно. Щебетание соловья, раскаты грома, грохот горной реки и другие - это все разные звуковые частоты. Значение амплитуды волны напрямую зависит от того, насколько звук громок. Громкость же, в свою очередь, уменьшается по мере удаления от источника звука. Соответственно, и амплитуда тем меньше, чем дальше от эпицентра находится волна. Другими словами, амплитуда звуковой волны уменьшается при удалении от источника звука.

Скорость звука

Этот показатель звуковой волны находится в прямой зависимости от характера среды, в которой она распространяется. Значимую роль здесь играют и влажность, и температура воздуха. В средних погодных условиях скорость звука составляет приблизительно 340 метров в секунду. В физике существует такое понятие, как сверхзвуковая скорость, которая всегда по значению больше, чем скорость звука. С такой скоростью распространяются звуковые волны при движении самолета. Самолет движется со сверхзвуковой скоростью и даже обгоняет звуковые волны, создаваемые им. Вследствие давления, постепенно увеличивающегося позади самолета, образуется ударная звуковая волна. Интересна и мало кому известна единица измерения такой скорости. Называется она Мах. 1 Мах равен скорости звука. Если волна движется со скоростью 2 Маха, значит, она распространяется в два раза быстрее, чем скорость звука.

Шумы

В повседневной жизни человека присутствуют постоянные шумы. Измеряется уровень шума в децибелах. Движение автомобилей, ветер, шелест листвы, переплетение голосов людей и другие звуковые шумы являются нашими спутниками ежедневно. Но к таким шумам слуховой анализатор человека имеет возможность привыкать. Однако существуют и такие явления, с которыми даже приспособительные способности человеческого уха не могут справиться. Например, шум, превышающий 120 дБ, способен вызвать ощущение боли. Самое громкое животное - синий кит. Когда он издает звуки, его можно услышать на расстоянии более 800 километров.

Эхо

Как возникает эхо? Здесь все очень просто. Звуковая волна имеет способность отражаться от разных поверхностей: от воды, от скалы, от стен в пустом помещении. Эта волна возвращается к нам, поэтому мы слышим вторичный звук. Он не такой четкий, как первоначальный, поскольку некоторая энергия звуковой волны рассеивается при движении до преграды.

Эхолокация

Отражение звука используется в различных практических целях. Например, эхолокация. Она основана на том, что с помощью ультразвуковых волн можно определить расстояние до объекта, от которого эти волны отражаются. Расчеты осуществляются при измерении времени, за которое ульразвук доберется до места и вернется обратно. Способностью к эхолокации обладают многие животные. Например, летучие мыши, дельфины используют ее для поиска пищи. Другое применение эхолокация нашла в медицине. При исследованиях с помощью ультразвука образуется картинка внутренних органов человека. В основе такого метода находится то, что ультразвук, попадая в отличную от воздуха среду, возвращается обратно, формируя таким образом изображение.

Звуковые волны в музыке

Почему музыкальные инструменты издают те или иные звуки? Гитарные переборы, наигрыши пианино, низкие тона барабанов и труб, очаровывающий тонкий голосок флейты. Все эти и многие другие звуки возникают по причине колебаний воздуха или, другими словами, из-за появления звуковых волн. Но почему звучание музыкальных инструментов настолько разнообразное? Оказывается, это зависит от некоторых факторов. Первое - это форма инструмента, второе - материал, из которого он изготовлен.

Рассмотрим это на примере струнных инструментов. Они становятся источником звука, когда на струны воздействуют касанием. Вследствие этого они начинают производить колебания и посылать в окружающую среду разные звуки. Низкий звук какого-либо струнного инструмента обусловлен большей толщиной и длиной струны, а также слабостью ее натяжения. И наоборот, чем сильнее натянута струна, чем она тоньше и короче, тем более высокий звук получается в результате игры.

Действие микрофона

Оно основано на преобразовании энергии звуковой волны в электрическую. В прямой зависимости при этом находятся сила тока и характер звука. Внутри любого микрофона расположена тонкая пластина, выполненная из металла. При воздействии звуком она начинает совершать колебательные движения. Спираль, с которой соединена пластинка, также вибрирует, в результате чего возникает электрический ток. Почему он появляется? Это связано с тем, что в микрофоне также встроены магниты. При колебаниях спирали между его полюсами и образуется электрический ток, который идет по спирали и далее - на звуковую колонку (громкоговоритель) или к технике для записи на информационный носитель (на кассету, диск, компьютер). Кстати, аналогичное строение имеет микрофон в телефоне. Но как действуют микрофоны на стационарном и мобильном телефоне? Начальная фаза одинакова для них - звук человеческого голоса передает свои колебания на пластинку микрофона, далее все по описанному выше сценарию: спираль, которая при движении замыкает два полюса, создается ток. А что дальше? Со стационарным телефоном все более-менее понятно - как и в микрофоне, звук, преобразованный в электрический ток, бежит по проводам. А как же обстоит дело с сотовым телефоном или, например, с рацией? В этих случаях звук превращается в энергию радиоволн и попадает на спутник. Вот и все.

Явление резонанса

Иногда создаются такие условия, когда амплитуда колебаний физического тела резко возрастает. Это происходит вследствие сближения значений частоты вынужденных колебаний и собственной частоты колебаний предмета (тела). Резонанс может приносить как пользу, так и вред. Например, чтобы вызволить машину из ямки, ее заводят и толкают взад-вперед для того, чтобы вызвать резонанс и придать автомобилю инерцию. Но бывали и случаи негативного последствия резонанса. К примеру, в Петербурге приблизительно сто лет назад рухнул мост под синхронно шагающими солдатами.