Звуковые поля. Звуковое явление

Весь окружающий нас мир заполнен волнами: световые волны, радиоволны, звуковые волны и т. д. Практически все средства коммуникации зависят от волн одного или другого типа. В физике используется следующее общее определение: «Волны — это изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию». Основное свойство всех волн, независимо от их природы, состоит в том, что в волнах осуществляется перенос энергии без переноса вещества. Под возмущениями среды понимается изменение в ней давления, плотности, скорости частиц и температуры.

Волны различного типа имеют совершенно разную физическую природу: световые и радиоволны — это процесс распространения электромагнитных колебаний; звуковые волны — процесс распространения механических колебаний. Если первые могут распространяться в пустоте, то звуковые волны требуют для своего распространения упругой среды. Кроме того, волны распространяются в среде с совершенно разной скоростью: световые — со скоростью 3 х 10⁸ м/с, звуковые — 343 м/с и т. д.

Однако, несмотря на такие значительные различия, они обладают целым рядом общих свойств: они могут распространяться, отражаться, затухать, огибать препятствия (явление дифракции), взаимодействовать друг с другом (явление интерференции) и т. д.

Для звуковых волн все эти свойства можно объединить под общим названием звуковые явления.

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

Виды звуковых полей: звуковые поля, излучаемые различными источниками (рояль, певец, ансамбль и т. д.) могут иметь очень сложную структуру. Для описания структуры звукового поля пользуются следующими понятиями:

— фронт звуковой волны — поверхность, соединяющая точки среды, находящиеся в одинаковой фазе колебаний (например, круги на воде от расходящейся волны);

звуковой луч — линия, перпендикулярная фронту волны и направленная в сторону распространения звуковых волн.

На рис. 2.3.1 показано распределение фронтов звуковой волны в звуковом поле, создаваемом колеблющейся диафрагмой громкоговорителя. Как видно из рис. 2.3.1, форма фронтов излучаемой волны имеет сложную структуру, расчет которой требует значительных вычислительных ресурсов (в настоящее время для анализа таких полей используются численные методы, например метод конечных элементов (МКЭ) или метод граничных элементов (МГЭ)).

Для упрощения анализа структуры звуковых полей обычно пользуются следующими приближенными понятиями: звуковое поле сферической волны, плоской волны, цилиндрической волны.

Звуковое поле сферической волны — в области низких частот, где длина звуковой волны велика по отношению к размеру источника (например, на частоте 40 Гц, где длина волны равна 8,5 м, практически любой источник звука будет иметь размеры меньше длины волны), можно считать источник сигнала точечным, а расходящуюся вокруг него трехмерную звуковую волну — сферической (рис. 2.3.2). Фронт такой волны представляет собой сферу, в центре которой находится источник звука, а звуковые лучи совпадают с радиусами.

Полная звуковая энергия (или мощность), излучаемая точечным источником, распространяется по всем направлениям равномерно и не меняется при удалении от источника (если не считать потери на вязкость, теплопроводность и др.).

Интенсивность звука (т. е. мощность, приходящаяся на единицу площади) уменьшается с расстоянием, т. к. площадь поверхности расходящихся сфер увеличивается как При этом уменьшение ее происходит по следующему закону: таким образом, интенсивность звуковой волны уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Поскольку интенсивность I и амплитуда звукового давления р связаны следующим соотношением: (где р — плотность среды, С — скорость звука в ней), то отсюда получается, что в поле сферической волны звуковое давление уменьшается с увеличением расстояния по следующему закону:

Следовательно, уровень звукового давления уменьшается на 6 дБ каждый раз, когда расстояние до источника удваивается.

Это очень важный результат для звукозаписи: поскольку вблизи звукового источника (певца, скрипки, трубы, громкоговорителя и т. д.) трехмерное звуковое поле вокруг источника можно считать сферическим (на низких частотах), то в нем давление меняется с изменением расстояния. При близком расположении направленных микрофонов возникает эффект близости (proximity), т. к. разность давлений, действующая на обе стороны диафрагмы, усиливается еще и за счет разницы в уровнях звукового давления на фронтальной и тыльной части микрофона, поскольку они находятся на разных фронтах сферической волны, поэтому направленные микрофоны «воспринимают» низкие частоты по-разному, в зависимости от их расстояния до источника.

Следует также отметить, что в сферической волне удельное акустическое сопротивление Z имеет комплексный характер, его модуль зависит от сдвига фазы у между звуковым давлением р и скоростью частиц v и равен: Сдвиг фаз зависит от длины волны и имеет существенное значение только на низких частотах.

Звуковое поле плоской волны: если длина волны становится значительно меньше размеров источника или если расстояние до источника увеличивается, то можно сферическую волну приближенно заменить плоской (радиус кривизны фронта становится настолько большим, что можно не учитывать его кривизну и заменить на плоскость). В плоской волне (рис. 2.3.3) фронты звуковой волны — это плоскости, идущие друг за другом, звуковые лучи идут параллельно и при этом интенсивность и звуковое давление не зависят от расстояния: р = const.

На практике звуковое давление уменьшается с расстоянием за счет потерь из-за вязкости среды, теплопроводности, турбулентности и т. д.

На больших расстояниях звуковое поле от любого источника можно считать плоским.

В плоском звуковом поле удельное акустическое сопротивление среды чисто активное и равно Z = рС, т. е. никакого сдвига фазы между давлением и скоростью в плоской волне нет. Обычно данные, которые приводятся по удельному акустическому сопротивлению в различных средах, относятся именно к звуковому полю плоской волны.

Звуковое поле цилиндрической волны: если источник звука сильно вытянут в одном направлении , то вокруг него формируется звуковое поле цилиндрической волны. В нем фронты звуковой волны представляют собой цилиндрические поверхности увеличивающихся размеров (рис. 2.3.4), звуковые лучи направлены по радиусу цилиндра. В таком поле интенсивность звука убывает обратно пропорционально расстоянию а звуковое давление меняется по закону

Таким образом, можно считать, что на низких частотах и достаточно близких расстояниях вокруг каждого источника образуется сферическая волна, на высоких частотах (или достаточно больших расстояниях) эти же источники создают плоскую звуковую волну, при этом закон изменения звукового давления от расстояния меняется в зависимости от структуры звукового поля.

Звуковые источники: так же как сложные звуковые поля могут с определенным приближением рассматриваться как некоторые упрощенные формы — сферические, плоские, цилиндрические и т. д., реальные излучатели сложной конструкции могут аппроксимироваться некоторыми простыми формами, такими как:

— монополь (точечный источник) — на низких частотах, где длина волны велика по сравнению с размерами излучателя, любой излучатель можно приближенно рассматривать как точечный источник, равномерно излучающий во все стороны сферическую волну. Такой источник называют еще пульсирующей сферой;

диполь (осциллирующий поршень или сфера) — примером может служить громкоговоритель без экрана; у такого излучателя, когда он движется вперед, образуется сжатие воздуха, позади него — разрежение. У всех осциллирующих излучателей скорость смещения на одной стороне тела противоположна по знаку скорости смещения на другой. Это приводит к коротким замыканиям и сильно снижает эффективность излучения на низких частотах.

Звуковые явления: анализ общих свойств звуковых волн начнем с рассмотрения процессов их распространения и затухания.

Распространение и затухание звуковых волн: как было показано выше, при больших расстояниях до источника звуковую волну можно считать плоской, а в плоской волне звуковое давление и интенсивность не должны меняться с расстоянием.

Однако в реальной среде происходит постепенное уменьшение уровня звукового давления (интенсивности) с расстоянием, т. е. происходит постепенное затухание звука из-за поглощения его энергии за счет вязкости и теплопроводности воздуха. При сжатии частиц воздуха часть энергии расходуется на преодоление внутреннего трения между молекулами («вязкое» трение). Кроме того, в области сжатия частиц воздуха в звуковой волне повышается давление и, следовательно, температура, а в области разрежения давление и температура понижаются, между слоями воздуха происходит теплообмен, и часть энергии необратимо затрачивается на нагревание воздуха.

Уменьшение давления в распространяющейся волне происходит по экспоненциальному закону — коэффициент поглощения в среде; коэффициент определяется как где — расстояние, на котором амплитудное значение звукового давления р уменьшается в е раз (е = 2,71828...). Коэффициент поглощения зависит от частоты т. е. высокочастотные составляющие звука затухают быстрее, чем низкочастотные (поэтому слушатель в дальнем конце зала слышит другой тембр звука, чем слушатель, находящийся у сцены).

При распространении звука на очень большие расстояния начинает играть роль турбулентность воздуха (потоки воздуха, ветер и др.). Звуковые волны сильнее затухают при распространении вдоль поглощающей поверхности, при этом высокие частоты поглощаются быстрее.

Например, при распространении звуковой волны вдоль публики в концертном зале на частоте 6400 Гц при десятикратном увеличении расстояния вносится дополнительное затухание ~ 8 дБ, что является одной из причин изменения тембра музыки в пустом и заполненном зале; при этом в нем также изменяются параметры реверберационного процесса.