Ať už zvuk. Zapomeňte na diskrétní zvukové karty. Integrovaný stačí pro každého. Šíření zvukových vln, fáze a antifáze

Otázka: Vyplatí se kupovat zvukovou kartu, pokud má vestavěný zvukový systém
je tam optická mechanika. Pokud je přenos přes optiku, je rozdíl s
vestavěná zvukovuhi, nebo samostatná, cool zvuková karta?

1. Software a hardware:

Pokud nemluvíme o vestavěných soft kodecích AC97 a HDaudio, pak je zvuková karta v PC potřeba hlavně k implementaci mnoha zvukových algoritmů, jako je EAX (Creative, například), které přidávají realismus, hlasitost, berou v úvahu charakteristiky vizuálního prostředí v reálném čase a korigovat jim odpovídající zvukové parametry. Jdete například v jakémsi hororovém příběhu po chodbě a zvuk odpovídá charakteristice odrazu od betonových zdí, doslova chodí a je hmatatelný. Pak vyjděte do velkého sálu a změní se reverb, posune se charakteristika EQ atd. a tak dále. Není to tak nápadné jako vizuální efekty, ale ve hrách s kvalitním soundtrackem to dodává notnou dávku dramatičnosti. Specializované herní zvukové karty zpracovávají všechny tyto efekty na hardwarové úrovni pomocí čipů jako EMU10K, EMU20K atd., čímž CPU osvobozují od výpočtů dalších efektů. Pokud herní engine takové zařízení ve vašem PC nedetekuje, vystaví vám zjednodušené schéma zvukových efektů, které se nemusí ve skutečných parametrech lišit od EAX nebo být horší. Je na vás, abyste se rozhodli, zda je to nutné, ačkoli zvuk ve hrách můžete vydávat přes ZK a hudbu přes externí USB DAC přepnutím ve správci zvukových zařízení nebo přímo v softwarovém přehrávači (některé tuto možnost mají);

2. Kvalita zvuku. Moderní špičkové (a drahé) GAMING zvukové karty (existuje i kategorie profesionálních zvukových karet typu LYNX, M-AUDIO atd.) v principu zní na hudební materiál na úrovni levných externích USB DAC. Do jisté míry je zachraňují ovladače ASIO, pokud pro váš model zvukové karty nějaké existují, které umožňují audio streamu obejít softwarový mlýnek na maso Windows (Asio4all je softwarová berlička, která tento problém neřeší). Co se týče zvukového výstupu přes zastaralá optická rozhraní SPDIF (rozhraní sonny-philips), TOSLINK (Toshiba link) atd., jejich jedinou výhodou je omezenost a úplnost jakýchkoliv možností. Jak by bylo správnější to popsat: „Můžete si koupit pokročilý kuchyňský robot s hromadou pleťových vod a úprav, které vyžadují alespoň pochopení procesu použití, nebo můžete vše naložit do jednoho šálku a stisknout jedno tlačítko, kde vám nože natrhají zeleninu na nějakou zaručenou hmotu, ale na nějaké úhledné „kostičky“, „brčka“ můžete rovnou zapomenout. Ve skutečnosti jsou tato rozhraní možností připojení kondomu, která zaručuje, že digitální stream dosáhne DAC a množství ztrát „po cestě“ bude minimalizováno. Tento typ zapojení se používá desítky let, všechny možné problémy jsou dlouhodobě vyřešeny a obecně je jednodušší a levnější na realizaci. S DAC zastaralé konstrukce nebo v DAC, kde výrobce šetřil na kvalitním USB přijímači, vykazuje tento typ připojení někdy nejlepší výsledek. Je tu ale velmi velké ALE: rychlost těchto optických rozhraní je velmi omezená a nelze ani mluvit o nějakém DSD nebo seriózním vysokém rozlišení (obvykle je rychlost omezena na 24 bitů 48 kHz). Připojení USB má mnoho možností implementace, toto je téma na velký samostatný článek, na PC s Windows to vyžaduje alespoň pochopení procesu a některé akce uživatele programově nakonfigurovat rozhraní PC-USB DAC tak, aby poskytovalo tzv. . kvalita přenosu bit-to-bit (některé DAC mají dokonce speciální indikaci potvrzení, že bylo dosaženo tohoto režimu přenosu). Je také důležité, jaký USB přijímač je v DAC nainstalován a na tom závisí počet „ztrátek“ digitálních fragmentů na cestě. Trik je v tom, že právě USB audio stream je přenášen v zastaralém formátu PCM, který zcela postrádá tak pokročilé funkce jako přenos dat transakcí, přenos kontrolních součtů datových paketů atd., a proto v tomto případě dává smysl jako v kvalitních USB přijímačích, ale i kvalitních kabelech, způsoby realizace přenosu dat (např. špičkové základní desky mají specializované USB výstupy pro připojení k externím DAC, ve kterých je vypnuto napájení). napájení +5 Voltů a zvětší se rozsah signálu logické nuly a jedné (ve skutečnosti se nula a jedna v USB liší pouze napětím)). Pokud jde konkrétně o čipy DAC, měli byste jim věnovat pozornost přinejmenším! Nezáleží na tom, zda má vaše zařízení levný wolfson WM8741 nebo špičkový mikročip od Asahi Kasei, důležitá je především implementace a prostředí, které z 90 % charakterizuje výsledný zvuk. Když píšou o cool DAC a že „levný“ A produkuje mizerný odstup signálu od šumu 107 dB a pokročilý DAC B produkuje až 120 dB, přijde mi to směšné, protože ve většině digitálních masterů vše, co leží pod hladina 40 dB je prostě vykastrovaná ! Tito. v této oblasti nejsou vůbec žádné hudební informace. To se samozřejmě netýká kvalitních high-res vyrobených z analogových médií na kvalitním hardwaru s přímými rukama, ale i tak je potřeba takové hledat. Konkrétně Cambridge CXA80 je hodné zařízení, které zní obvyklým inteligentním „britským způsobem“ (ačkoli toto je klam a takzvaný „britský zvuk“ je také hodně a velmi odlišný), což obecně znamená přesnost zabarvení, co nejblíže zvuku originálu, dobré prostorové vlastnosti, zajištěné kvalitním obvodem, přijatelným dynamickým a rytmickým výkonem. Cambridge a Arcam jsou jakési všeuměly pro „všechny časy“, které sice nevyvolají bouři emocí s každým zvukovým záznamem, ale přinesou potěšení z poslechu. USB DAC v tomto zesilovači je postaven na čipu WM8740, který byl před 10-15 lety jedním z nejpopulárnějších a získal spoustu dobrých recenzí (IMHO zaslouženě) kvůli neutralitě, nedostatečné digitální ostrosti, kromě toho je v tomto zesilovači implementován alespoň podle -lidsky, a ne jako chudý příbuzný, který je pouze pozván na pohřeb. Tito. v nastavení založeném na tomto zesilovači je docela vhodný pro připojení a adekvátní úrovni vybavení. Pokud chcete více emocí a pohonu, méně všestrannosti – podívejte se směrem k Atoll 100SE. Nemá žádný DAC, žádný phono stage, žádné ovládání tónů, ale za tu cenu je to jeden z nejlépe znějících zesilovačů na trhu. Můžete hledat YBA - také vynikající zařízení. Opět existují důstojní konkurenti tváří v tvář Rega Elex, Naim 5si (radil bych Micromega, ale cena za ně je teď tak nějak nemocná v hlavě). Výběr je zkrátka poměrně široký. Z "Japonců" můžete věnovat pozornost dobrému Denonu 1520.

Kosmos není homogenní nic. Mezi různými objekty jsou oblaka plynu a prachu. Jsou to pozůstatky po explozích supernov a místo pro vznik hvězd. V některých oblastech je tento mezihvězdný plyn dostatečně hustý, aby šířil zvukové vlny, ale nejsou citlivé na lidský sluch.

Je ve vesmíru zvuk?

Když se předmět pohne – ať už je to vibrace kytarové struny nebo explodující ohňostroj – působí na okolní molekuly vzduchu, jako by je tlačil. Tyto molekuly narážejí do svých sousedů a ty zase do dalších. Pohyb se šíří vzduchem jako vlna. Když se dostane do ucha, člověk to vnímá jako zvuk.

Když zvuková vlna prochází vzdušným prostorem, její tlak kolísá nahoru a dolů jako mořská voda v bouři. Doba mezi těmito vibracemi se nazývá frekvence zvuku a měří se v hertzech (1 Hz je jeden kmit za sekundu). Vzdálenost mezi nejvyššími tlakovými vrcholy se nazývá vlnová délka.

Zvuk se může šířit pouze v prostředí, ve kterém vlnová délka není větší než průměrná vzdálenost mezi částicemi. Fyzici tomu říkají „podmíněně volná cesta“ – průměrná vzdálenost, kterou molekula urazí po srážce s jednou a před interakcí s další. Husté médium tedy může přenášet zvuky s krátkou vlnovou délkou a naopak.

Zvuky s dlouhými vlnami mají frekvence, které ucho vnímá jako nízké tóny. V plynu se střední volnou dráhou větší než 17 m (20 Hz) budou mít zvukové vlny příliš nízkou frekvenci, než aby je člověk vnímal. Říká se jim infrazvuky. Kdyby existovali mimozemšťané s ušima, kteří vnímají velmi nízké tóny, věděli by jistě, zda jsou zvuky slyšet ve vesmíru.

Píseň o černé díře

Asi 220 milionů světelných let daleko, uprostřed kupy tisíců galaxií, hučí ten nejnižší tón, jaký kdy vesmír slyšel. 57 oktáv pod středem C, což je asi milion miliardkrát hlubší než zvuk frekvence, kterou člověk slyší.

Nejhlubší zvuk, který lidé mohou slyšet, má cyklus přibližně jedné vibrace každou 1/20 sekundy. Černá díra v souhvězdí Persea má cyklus přibližně jedné oscilace každých 10 milionů let.

To se stalo známým v roce 2003, kdy kosmický dalekohled NASA Chandra Space Telescope objevil něco v plynu, který vyplňoval hvězdokupu Perseus: koncentrované prstence světla a tmy, jako vlnky v jezírku. Astrofyzici říkají, že jde o stopy neuvěřitelně nízkofrekvenčních zvukových vln. Ty jasnější jsou vrcholy vln, kde je tlak na plyn největší. Tmavší prstence jsou prohlubně, kde je nižší tlak.

Zvuk, který lze vidět

Horký, magnetizovaný plyn víří kolem černé díry, podobně jako voda vířící kolem odtoku. Při pohybu vytváří silné elektromagnetické pole. Dostatečně silný na to, aby urychlil plyn blízko okraje černé díry téměř na rychlost světla, což z něj udělalo obrovské výbuchy zvané relativistické výtrysky. Přinutí plyn, aby se na své cestě otočil na stranu, a tento náraz způsobuje děsivé zvuky z vesmíru.

Cestují hvězdokupou Perseus stovky tisíc světelných let od svého zdroje, ale zvuk se může šířit pouze tak dlouho, dokud je dostatek plynu k jeho přenosu. Proto se zastaví na okraji oblaku plynu, který vyplňuje Persea. To znamená, že na Zemi není možné slyšet jeho zvuk. Vliv můžete vidět pouze na oblaku plynu. Vypadá to, jako když se díváte vesmírem na zvukotěsnou komoru.

podivná planeta

Naše planeta vydává hluboké zasténání pokaždé, když se její kůra pohne. Pak není pochyb o tom, zda se zvuky šíří prostorem. Zemětřesení může vytvořit v atmosféře vibrace o frekvenci jeden až pět Hz. Pokud je dostatečně silný, může vysílat infrazvukové vlny atmosférou do vesmíru.

Jasná hranice, kde končí zemská atmosféra a začíná vesmír, samozřejmě neexistuje. Vzduch se postupně řídne, až nakonec úplně zmizí. Od 80 do 550 kilometrů nad povrchem Země je střední volná dráha molekuly asi kilometr. To znamená, že vzduch v této výšce je asi 59krát řidší, než by bylo možné slyšet zvuk. Může přenášet pouze dlouhé infrazvukové vlny.

Když v březnu 2011 otřáslo severovýchodním pobřežím Japonska zemětřesení o síle 9,0, seismografy po celém světě zaznamenaly, jak jeho vlny procházely Zemí, a vibrace způsobily nízkofrekvenční vibrace v atmosféře. Tyto vibrace se dostaly až tam, kde loď (Gravity Field) a stacionární satelit Ocean Circulation Explorer (GOCE) srovnávají zemskou gravitaci na nízké oběžné dráze s 270 kilometry nad povrchem. A satelitu se podařilo tyto zvukové vlny zaznamenat.

GOCE má na palubě velmi citlivé akcelerometry, které ovládají iontový trychtýř. To pomáhá udržet satelit na stabilní oběžné dráze. V roce 2011 akcelerometry GOCE detekovaly vertikální posun ve velmi tenké atmosféře kolem satelitu a také zvlněné posuny tlaku vzduchu, jak se šíří zvukové vlny ze zemětřesení. Trysky satelitu korigovaly posun a uložily data, ze kterých se stalo něco jako infrazvukový záznam zemětřesení.

Tento záznam byl klasifikován v satelitních datech, dokud tým vědců vedený Rafaelem F. Garciou tento dokument nezveřejnil.

První zvuk ve vesmíru

Pokud by bylo možné vrátit se v čase, zhruba do prvních 760 000 let po velkém třesku, bylo by možné zjistit, zda je ve vesmíru zvuk. V té době byl vesmír tak hustý, že se zvukové vlny mohly volně šířit.

Přibližně ve stejnou dobu začaly první fotony cestovat vesmírem jako světlo. Poté se vše konečně ochladilo natolik, že se zkondenzovalo na atomy. Než došlo k ochlazení, byl vesmír naplněn nabitými částicemi - protony a elektrony - které absorbovaly nebo rozptylovaly fotony, částice tvořící světlo.

Dnes dopadá na Zemi jako slabá mikrovlnná záře pozadí, viditelná pouze velmi citlivými radioteleskopy. Fyzici tomu říkají reliktní záření. Je to nejstarší světlo ve vesmíru. Odpovídá na otázku, zda je ve vesmíru zvuk. Vesmírné mikrovlnné pozadí obsahuje záznam nejstarší hudby ve vesmíru.

Světlo na pomoc

Jak vám světlo pomůže zjistit, zda je ve vesmíru zvuk? Zvukové vlny se šíří vzduchem (nebo mezihvězdným plynem) jako kolísání tlaku. Když je plyn stlačen, zahřívá se. V kosmickém měřítku je tento jev tak intenzivní, že vznikají hvězdy. A když se plyn roztáhne, ochladí se. Zvukové vlny šířící se raným vesmírem způsobily mírné kolísání tlaku v plynném prostředí, které následně zanechalo jemné kolísání teploty odrážející se v kosmickém mikrovlnném pozadí.

Fyzik John Cramer z Washingtonské univerzity pomocí teplotních změn dokázal rekonstruovat tyto děsivé zvuky z vesmíru – hudbu rozpínajícího se vesmíru. Frekvenci vynásobil faktorem 1026, aby ji lidské uši slyšely.

Nikdo tedy ve vesmíru opravdu neuslyší výkřik, ale budou se pohybovat zvukové vlny skrz mraky mezihvězdného plynu nebo ve vzácných paprscích vnější atmosféry Země.

18. února 2016

Svět domácí zábavy je velmi rozmanitý a může zahrnovat: sledování filmu na dobrém systému domácího kina; zábavné a návykové hraní nebo poslech hudby. Zpravidla si v této oblasti každý najde to své, případně kombinuje vše najednou. Ale bez ohledu na to, jaké cíle má člověk při organizování svého volného času a do jakého extrému jde, všechny tyto vazby pevně spojuje jedno jednoduché a srozumitelné slovo – „zvuk“. Ve všech těchto případech nás totiž povede zvuková stopa za držku. Tato otázka však není tak jednoduchá a triviální, zejména v případech, kdy existuje touha dosáhnout vysoce kvalitního zvuku v místnosti nebo za jakýchkoli jiných podmínek. K tomu není vždy nutné kupovat drahé hi-fi nebo hi-end komponenty (i když to bude velmi užitečné), ale stačí dobrá znalost fyzikální teorie, která dokáže eliminovat většinu problémů, které nastanou pro každého který si klade za cíl získat vysoce kvalitní hlasové herectví.

Dále bude teorie zvuku a akustiky zvažována z hlediska fyziky. V tomto případě se pokusím jej co nejvíce zpřístupnit pro pochopení každého člověka, který má možná daleko ke znalostem fyzikálních zákonů či vzorců, ale přesto vášnivě sní o uskutečnění snu o vytvoření dokonalé akustiky. Systém. Netroufám si tvrdit, že k dosažení dobrých výsledků v této oblasti doma (nebo např. v autě) je potřeba tyto teorie důkladně znát, nicméně pochopením základů se vyhnete mnoha hloupým a absurdním chybám a umožníte abyste dosáhli maximálního zvukového efektu ze systému na jakékoli úrovni.

Obecná zvuková teorie a hudební terminologie

co je zvuk? To je vjem, který vnímá sluchový orgán. "ucho"(fenomén samotný existuje i bez účasti „ucha“ v procesu, ale je snazší to pochopit), ke kterému dochází, když je bubínek vzrušený zvukovou vlnou. Ucho v tomto případě funguje jako „přijímač“ zvukových vln různých frekvencí.
Zvuková vlna Jde vlastně o sekvenční řadu těsnění a výbojů média (za normálních podmínek nejčastěji vzdušného prostředí) různých frekvencí. Povaha zvukových vln je oscilační, způsobená a produkovaná vibrací jakýchkoli těles. Vznik a šíření klasické zvukové vlny je možné ve třech elastických prostředích: plynném, kapalném a pevném. Objeví-li se zvuková vlna v jednom z těchto typů prostoru, nevyhnutelně dochází k některým změnám v samotném médiu, například ke změně hustoty nebo tlaku vzduchu, pohybu částic vzdušných hmot atd.

Protože zvuková vlna má oscilační povahu, má takovou charakteristiku, jako je frekvence. Frekvence měřeno v hertzech (na počest německého fyzika Heinricha Rudolfa Hertze) a označuje počet vibrací za časové období rovné jedné sekundě. Tito. například frekvence 20 Hz znamená cyklus 20 kmitů za jednu sekundu. Na frekvenci zvuku závisí i subjektivní pojetí jeho výšky. Čím více zvukových vibrací za sekundu vznikne, tím „vyšší“ se zvuk zdá. Zvuková vlna má také další důležitou charakteristiku, která má název – vlnová délka. Vlnová délka Je obvyklé uvažovat vzdálenost, kterou urazí zvuk určité frekvence za dobu rovnající se jedné sekundě. Například vlnová délka nejnižšího zvuku v lidském slyšitelném rozsahu při 20 Hz je 16,5 metru a vlnová délka nejvyššího zvuku při 20 000 Hz je 1,7 centimetru.

Lidské ucho je konstruováno tak, že je schopno vnímat vlny pouze v omezeném rozsahu, přibližně 20 Hz - 20 000 Hz (podle vlastností konkrétního člověka někdo slyší trochu více, někdo méně) . Neznamená to tedy, že zvuky pod nebo nad těmito frekvencemi neexistují, lidské ucho je prostě nevnímá a překračuje slyšitelný rozsah. Zvuk nad slyšitelným rozsahem se nazývá ultrazvuk, je volán zvuk pod slyšitelným rozsahem infrazvuk. Některá zvířata jsou schopna vnímat ultra a infra zvuky, některá tento rozsah využívají i pro orientaci v prostoru (netopýři, delfíni). Pokud zvuk prochází médiem, které nepřichází přímo do kontaktu s lidským sluchovým orgánem, pak takový zvuk nemusí být slyšet nebo může být později značně zeslaben.

V hudební terminologii zvuku existují tak důležitá označení jako oktáva, tón a podtón zvuku. Oktáva znamená interval, ve kterém je poměr frekvencí mezi zvuky 1 ku 2. Oktáva je obvykle velmi dobře slyšitelná, zatímco zvuky v tomto intervalu si mohou být velmi podobné. Oktávu lze také nazvat zvukem, který ve stejném časovém úseku vydává dvakrát více vibrací než jiný zvuk. Například frekvence 800 Hz není nic jiného než vyšší oktáva 400 Hz a frekvence 400 Hz je zase další oktáva zvuku s frekvencí 200 Hz. Oktáva se skládá z tónů a podtónů. Proměnlivé kmity v harmonické zvukové vlně o jedné frekvenci vnímá lidské ucho jako hudební tón. Vysokofrekvenční vibrace lze interpretovat jako vysoké zvuky, nízkofrekvenční vibrace jako nízkotónové zvuky. Lidské ucho je schopno zřetelně rozlišit zvuky s rozdílem jednoho tónu (v rozsahu do 4000 Hz). Navzdory tomu se v hudbě používá extrémně malý počet tónů. To je vysvětleno z úvah o principu harmonické konsonance, vše je založeno na principu oktáv.

Zvažte teorii hudebních tónů na příkladu struny natažené určitým způsobem. Taková struna se v závislosti na síle tahu „naladí“ na jednu konkrétní frekvenci. Když je tato struna vystavena něčemu s jednou specifickou silou, která způsobí její vibrace, bude neustále pozorován jeden konkrétní tón zvuku, uslyšíme požadovanou frekvenci ladění. Tento zvuk se nazývá základní tón. Pro hlavní tón v hudebním poli je oficiálně akceptován kmitočet noty "la" první oktávy rovný 440 Hz. Většina hudebních nástrojů však nikdy nereprodukuje čisté základní tóny samostatně, nevyhnutelně je doprovází podtóny tzv podtexty. Zde je vhodné připomenout důležitou definici hudební akustiky, pojem zvukový témbr. Témbr- to je vlastnost hudebních zvuků, která dává hudebním nástrojům a hlasům jejich jedinečnou rozpoznatelnou specifičnost zvuku, a to i při porovnávání zvuků stejné výšky a hlasitosti. Zabarvení každého hudebního nástroje závisí na rozložení zvukové energie přes podtóny v okamžiku, kdy se zvuk objeví.

Alikvoty tvoří specifickou barvu základního tónu, podle které můžeme snadno identifikovat a rozpoznat konkrétní nástroj a také jasně odlišit jeho zvuk od jiného nástroje. Existují dva typy podtónů: harmonické a neharmonické. Harmonické podtóny jsou podle definice násobky základní frekvence. Naopak, pokud podtóny nejsou násobky a znatelně se odchylují od hodnot, pak se volají neharmonický. V hudbě je provoz nenásobných alikvotů prakticky vyloučen, proto je termín redukován na pojem „přesah“, tedy harmonický. U některých nástrojů, např. klavíru, se hlavní tón ani nestihne zformovat, v krátkém období se zvuková energie podtónů zvýší a pak stejně rychle nastává pokles. Mnoho nástrojů vytváří tzv. efekt „přechodového tónu“, kdy energie určitých podtónů je v určitém okamžiku, obvykle na samém začátku, maximální, ale pak se prudce mění a přechází do jiných podtónů. Frekvenční rozsah každého nástroje lze posuzovat samostatně a je obvykle omezen frekvencemi základních tónů, které je tento konkrétní nástroj schopen reprodukovat.

V teorii zvuku existuje také něco jako HLUK. Hluk- jedná se o jakýkoli zvuk, který vzniká kombinací zdrojů, které jsou vzájemně nekonzistentní. Každý dobře zná hluk listí stromů, houpání větrem atd.

Co určuje hlasitost zvuku? Je zřejmé, že takový jev přímo závisí na množství energie nesené zvukovou vlnou. Pro stanovení kvantitativních ukazatelů hlasitosti existuje pojem - intenzita zvuku. Intenzita zvuku je definován jako tok energie procházející určitou oblastí prostoru (například cm2) za jednotku času (například za sekundu). Při běžné konverzaci je intenzita asi 9 nebo 10 W/cm2. Lidské ucho je schopno vnímat zvuky s dosti širokým rozsahem citlivosti, přičemž vnímavost frekvencí není v rámci zvukového spektra rovnoměrná. Takže nejlépe vnímaný frekvenční rozsah je 1000 Hz - 4000 Hz, který nejvíce pokrývá lidskou řeč.

Vzhledem k tomu, že intenzita zvuků se velmi liší, je vhodnější ji považovat za logaritmickou hodnotu a měřit ji v decibelech (podle skotského vědce Alexandra Grahama Bella). Dolní práh sluchové citlivosti lidského ucha je 0 dB, horní 120 dB, nazývá se také „práh bolesti“. Horní mez citlivosti také lidské ucho nevnímá stejně, ale závisí na konkrétní frekvenci. Nízkofrekvenční zvuky musí mít mnohem větší intenzitu než vysoké frekvence, aby vyvolaly práh bolesti. Například práh bolesti při nízké frekvenci 31,5 Hz nastává při hladině intenzity zvuku 135 dB, kdy při frekvenci 2000 Hz se pocit bolesti objevuje již při 112 dB. Existuje také pojem akustický tlak, který vlastně rozšiřuje obvyklé vysvětlení šíření zvukové vlny vzduchem. Akustický tlak- jedná se o proměnný přetlak, který vzniká v elastickém prostředí v důsledku průchodu zvukové vlny.

Vlnová povaha zvuku

Pro lepší pochopení systému generování zvukových vln si představte klasický reproduktor umístěný v trubici naplněné vzduchem. Pokud reproduktor udělá prudký pohyb vpřed, pak se vzduch v bezprostřední blízkosti difuzoru na okamžik stlačí. Poté se vzduch roztáhne, čímž se oblast stlačeného vzduchu posune podél potrubí.
Právě tento vlnový pohyb bude následně zvukem, když dosáhne sluchového orgánu a „vzruší“ ušní bubínek. Když se v plynu objeví zvuková vlna, vzniká přetlak a hustota a částice se pohybují konstantní rychlostí. Pokud jde o zvukové vlny, je důležité si uvědomit, že látka se nepohybuje spolu se zvukovou vlnou, ale dochází pouze k dočasnému rozrušení vzdušných hmot.

Pokud si představíme píst zavěšený ve volném prostoru na pružině a vykonávající opakované pohyby „vpřed a vzad“, pak takové kmity budeme nazývat harmonické nebo sinusové (pokud vlnu znázorníme ve formě grafu, pak v tomto případě dostaneme čistá sinusovka s opakovanými vzestupy a pády). Pokud si představíme reproduktor v potrubí (jako ve výše popsaném příkladu), který provádí harmonické kmity, pak v okamžiku, kdy se reproduktor pohybuje „vpřed“, dosáhne se již známého efektu komprese vzduchu, a když se reproduktor pohybuje „zpět“ , získá se opačný efekt zředění. V tomto případě se bude potrubím šířit vlna střídavých kompresí a řídnutí. Bude volána vzdálenost podél potrubí mezi sousedními maximy nebo minimy (fázemi). vlnová délka. Pokud částice kmitají rovnoběžně se směrem šíření vlny, pak se vlna nazývá podélný. Pokud kmitají kolmo ke směru šíření, pak se vlna nazývá příčný. Obvykle jsou zvukové vlny v plynech a kapalinách podélné, zatímco v pevných látkách se mohou vyskytovat vlny obou typů. Příčné vlny v pevných látkách vznikají v důsledku odporu vůči změně tvaru. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma typy vln je v tom, že příčná vlna má vlastnost polarizace (k oscilacím dochází v určité rovině), zatímco podélná vlna nikoli.

Rychlost zvuku

Rychlost zvuku přímo závisí na vlastnostech prostředí, ve kterém se šíří. Je určena (závislá) dvěma vlastnostmi prostředí: elasticitou a hustotou materiálu. Rychlost zvuku v pevných látkách přímo závisí na typu materiálu a jeho vlastnostech. Rychlost v plynných médiích závisí pouze na jednom typu deformace média: komprese-zřídkavost. Změna tlaku ve zvukové vlně probíhá bez výměny tepla s okolními částicemi a nazývá se adiabatická.
Rychlost zvuku v plynu závisí především na teplotě – s rostoucí teplotou roste a s klesající klesá. Také rychlost zvuku v plynném prostředí závisí na velikosti a hmotnosti samotných molekul plynu – čím menší je hmotnost a velikost částic, tím větší je „vodivost“ vlny a tím větší je rychlost, resp.

V kapalných a pevných prostředích je princip šíření a rychlost zvuku podobný tomu, jak se šíří vlna ve vzduchu: kompresí-výboj. Ale v těchto médiích je kromě stejné závislosti na teplotě dost důležitá hustota média a jeho složení/struktura. Čím nižší je hustota látky, tím vyšší je rychlost zvuku a naopak. Závislost na složení média je složitější a určuje se v každém konkrétním případě s přihlédnutím k umístění a interakci molekul/atomů.

Rychlost zvuku ve vzduchu při t, °C 20: 343 m/s
Rychlost zvuku v destilované vodě při t, °C 20: 1481 m/s
Rychlost zvuku v oceli při t, °C 20: 5000 m/s

Stojaté vlny a interference

Když reproduktor vytváří zvukové vlny v omezeném prostoru, nevyhnutelně dochází k efektu odrazu vln od hranic. V důsledku toho nejčastěji rušivý efekt- když se dvě nebo více zvukových vln překrývají na sebe. Speciálními případy jevu interference jsou vznik: 1) bicích vln nebo 2) stojatých vln. Tlukot vln- to je případ, kdy dochází ke sčítání vln s blízkými frekvencemi a amplitudami. Vzorec výskytu úderů: když se na sebe překrývají dvě vlny podobné frekvence. V určitém okamžiku, s takovým překrytím, se vrcholy amplitudy mohou shodovat "ve fázi" a také poklesy v "antifázi" se mohou také shodovat. Tak jsou charakterizovány zvukové beaty. Je důležité si uvědomit, že na rozdíl od stojatého vlnění se fázové koincidence vrcholů nevyskytují neustále, ale v určitých časových intervalech. Podle sluchu se takový vzorec rytmů zcela jasně liší a je slyšet jako periodické zvyšování a snižování hlasitosti. Mechanismus vzniku tohoto efektu je extrémně jednoduchý: v okamžiku koincidence vrcholů se objem zvětšuje, v okamžiku koincidence recesí se objem zmenšuje.

stojaté vlny vznikají v případě superpozice dvou vln stejné amplitudy, fáze a frekvence, kdy se takové vlny "setkají" jedna se pohybuje v dopředném směru a druhá v opačném směru. V oblasti prostoru (kde se vytvořila stojatá vlna) vzniká obraz superpozice dvou frekvenčních amplitud, se střídajícími se maximy (tzv. antinody) a minimy (tzv. uzly). Když k tomuto jevu dojde, je nesmírně důležitá frekvence, fáze a koeficient útlumu vlny v místě odrazu. Na rozdíl od postupujících vln nedochází u stojaté vlny k žádnému přenosu energie, protože dopředné a zpětné vlny, které tvoří tuto vlnu, přenášejí energii ve stejném množství v dopředném a opačném směru. Pro názorné pochopení výskytu stojatého vlnění si představme příklad z domácí akustiky. Řekněme, že máme podlahové reproduktory v nějakém omezeném prostoru (místnosti). Když jsme je přiměli zahrát nějakou skladbu se spoustou basů, zkusme změnit umístění posluchače v místnosti. Posluchač, který se dostal do zóny minima (odčítání) stojaté vlny, pocítí účinek, že se basy staly velmi malé, a pokud posluchač vstoupí do zóny maxima (sčítání) frekvencí, pak naopak. je dosaženo efektu výrazného zvýšení v oblasti basů. V tomto případě je účinek pozorován ve všech oktávách základní frekvence. Pokud je například základní frekvence 440 Hz, pak jev „sčítání“ nebo „odčítání“ bude pozorován také při frekvencích 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz atd.

Rezonanční fenomén

Většina pevných látek má svou vlastní rezonanční frekvenci. Pochopení tohoto efektu je docela jednoduché na příkladu běžné trubky, otevřené pouze na jednom konci. Představme si situaci, kdy je z druhého konce trubky připojen reproduktor, který umí hrát nějakou jednu konstantní frekvenci, lze ji i později změnit. Nyní má dýmka svou vlastní rezonanční frekvenci, zjednodušeně řečeno, je to frekvence, při které dýmka „rezonuje“ nebo vydává svůj vlastní zvuk. Pokud se frekvence reproduktoru (v důsledku nastavení) shoduje s rezonanční frekvencí trubky, dojde k několikanásobnému zvýšení hlasitosti. Je to proto, že reproduktor vybudí vibrace vzduchového sloupce v potrubí s výraznou amplitudou, dokud není nalezena stejná „rezonanční frekvence“ a nedojde k adičnímu efektu. Výsledný jev lze popsat následovně: dýmka v tomto příkladu „pomáhá“ reproduktoru tím, že rezonuje na konkrétní frekvenci, jejich úsilí se sčítá a „vylévá“ do slyšitelného hlasitého efektu. Na příkladu hudebních nástrojů je tento jev snadno vysledovatelný, protože konstrukce většiny obsahuje prvky zvané rezonátory. Není těžké uhodnout, co slouží k zesílení určité frekvence nebo hudebního tónu. Například: tělo kytary s rezonátorem v podobě otvoru, přizpůsobené hlasitosti; Konstrukce potrubí u flétny (a všech potrubí obecně); Válcový tvar těla bubnu, který je sám o sobě rezonátorem určité frekvence.

Frekvenční spektrum zvuku a frekvenční odezva

Protože v praxi prakticky neexistují vlny stejné frekvence, je nutné rozložit celé zvukové spektrum slyšitelného rozsahu na podtóny nebo harmonické. Pro tyto účely existují grafy, které zobrazují závislost relativní energie zvukových vibrací na frekvenci. Takový graf se nazývá graf zvukového frekvenčního spektra. Frekvenční spektrum zvuku Existují dva typy: diskrétní a spojité. Diskrétní spektrální graf zobrazuje frekvence jednotlivě, oddělené prázdnými mezerami. Ve spojitém spektru jsou všechny zvukové frekvence přítomny najednou.
V případě hudby nebo akustiky se nejčastěji používá obvyklý rozvrh. Charakteristiky mezi špičkou a frekvencí(zkráceně „AFC“). Tento graf ukazuje závislost amplitudy zvukových vibrací na frekvenci v celém frekvenčním spektru (20 Hz - 20 kHz). Při pohledu na takový graf je snadné pochopit například silné nebo slabé stránky konkrétního reproduktoru nebo reproduktorové soustavy jako celku, nejsilnější oblasti energetického návratu, poklesy a vzestupy frekvence, útlum, stejně jako vysledovat strmost poklesu.

Šíření zvukových vln, fáze a antifáze

Proces šíření zvukových vln probíhá všemi směry od zdroje. Nejjednodušší příklad pro pochopení tohoto jevu: oblázek hozený do vody.
Od místa, kde kámen dopadl, se vlny začnou na hladině vody rozcházet do všech stran. Představme si však situaci s použitím reproduktoru v určité hlasitosti, řekněme uzavřené krabičky, která je připojena k zesilovači a hraje nějaký hudební signál. Je snadné si všimnout (zejména pokud dáte silný nízkofrekvenční signál, jako je basový buben), že reproduktor udělá rychlý pohyb „vpřed“ a poté stejný rychlý pohyb „zpět“. Zbývá pochopit, že když se reproduktor pohybuje dopředu, vydává zvukovou vlnu, kterou následně slyšíme. Co se ale stane, když se reproduktor posune dozadu? Paradoxně se ale děje to samé, reproduktor vydává stejný zvuk, jen se v našem příkladu šíří zcela v rámci objemu krabičky, aniž by ji překračoval (krabice je zavřená). Obecně lze ve výše uvedeném příkladu pozorovat poměrně hodně zajímavých fyzikálních jevů, z nichž nejvýznamnější je koncept fáze.

Zvuková vlna, kterou reproduktor vyzařuje ve směru k posluchači, je „ve fázi“. Reverzní vlna, která jde do objemu krabice, bude odpovídajícím způsobem protifázová. Zbývá jen pochopit, co tyto pojmy znamenají? Signální fáze- toto je hladina akustického tlaku v aktuálním čase v určitém bodě prostoru. Fáze je nejsnáze pochopitelná na příkladu přehrávání hudebního materiálu běžným stereo stojacím párem domácích reproduktorů. Představme si, že se v určité místnosti nainstalují dva takové stojací reproduktory a hrají. Oba reproduktory v tomto případě reprodukují synchronní signál proměnného akustického tlaku, navíc se akustický tlak jednoho reproduktoru přičítá k akustickému tlaku druhého reproduktoru. K podobnému efektu dochází díky synchronismu reprodukce signálu levého a pravého reproduktoru, jinými slovy, vrcholy a prohlubně vln vyzařovaných levým a pravým reproduktorem se shodují.

Nyní si představme, že akustické tlaky se mění stále stejně (nezměnily se), ale nyní jsou proti sobě. To se může stát, pokud připojíte jeden ze dvou reproduktorů v obrácené polaritě („+“ kabel od zesilovače ke svorce „-“ reproduktorového systému a kabel „-“ od zesilovače ke svorce „+“ reproduktoru Systém). V tomto případě signál opačného směru způsobí tlakový rozdíl, který může být reprezentován čísly následovně: levý reproduktor vytvoří tlak „1 Pa“ a pravý reproduktor vytvoří tlak „minus 1 Pa ". Výsledkem je, že celková hlasitost zvuku v místě posluchače bude rovna nule. Tento jev se nazývá antifáze. Pokud příklad pro pochopení zvážíme podrobněji, ukáže se, že dvě dynamiky hrající „ve fázi“ vytvářejí stejné oblasti komprese vzduchu a redukce, které si vlastně navzájem pomáhají. V případě idealizované protifáze bude oblast zhutnění vzdušného prostoru vytvořená jedním reproduktorem doprovázena oblastí zúžení vzdušného prostoru vytvořenou druhým reproduktorem. Vypadá to přibližně jako jev vzájemného synchronního tlumení vln. Pravda, v praxi hlasitost neklesne na nulu a uslyšíme silně zkreslený a utlumený zvuk.

Nejdostupnějším způsobem lze tento jev popsat takto: dva signály se stejnými kmity (frekvencemi), ale posunutými v čase. Vzhledem k tomu je výhodnější znázornit tyto jevy posunu na příkladu běžných kulatých hodin. Představme si, že na zdi visí několik stejných kulatých hodin. Když sekundové ručičky těchto hodinek běží synchronizovaně, 30 sekund na jedněch a 30 sekund na druhých, pak je to příklad signálu, který je ve fázi. Pokud vteřinové ručičky běží s posunem, ale rychlost je stále stejná, např. na jedněch hodinkách 30 sekund a na druhých 24 sekund, pak se jedná o klasický příklad fázového posunu (posun). Stejným způsobem se fáze měří ve stupních ve virtuálním kruhu. V tomto případě, kdy jsou signály vůči sobě posunuty o 180 stupňů (polovina periody), je získána klasická antifáze. V praxi často dochází k drobným fázovým posunům, které lze také určit ve stupních a úspěšně je eliminovat.

Vlny jsou ploché a kulovité. Plochá vlnoplocha se šíří pouze jedním směrem a v praxi se s ní setkáváme jen zřídka. Sférická vlnoplocha je jednoduchý typ vlny, která vyzařuje z jednoho bodu a šíří se všemi směry. Zvukové vlny mají vlastnost difrakce, tj. schopnost vyhýbat se překážkám a předmětům. Stupeň obálky závisí na poměru délky zvukové vlny k rozměrům překážky nebo otvoru. K difrakci také dochází, když je v cestě zvuku překážka. V tomto případě jsou možné dva scénáře: 1) Pokud jsou rozměry překážky mnohem větší než vlnová délka, pak se zvuk odrazí nebo pohltí (v závislosti na míře absorpce materiálu, tloušťce překážky atd.). ) a za překážkou se vytvoří zóna "akustického stínu". 2) Pokud jsou rozměry překážky srovnatelné s vlnovou délkou nebo dokonce menší než ona, pak se zvuk do určité míry ohýbá ve všech směrech. Pokud zvuková vlna při pohybu v jednom médiu narazí na rozhraní s jiným médiem (například vzduchové médium s pevným médiem), mohou nastat tři scénáře: 1) vlna se bude od rozhraní odrážet 2) vlna může přecházet do jiného prostředí bez změny směru 3) vlna může přecházet do jiného prostředí se změnou směru na hranici, tomu se říká "lom vlny".

Poměr přetlaku zvukové vlny k oscilační objemové rychlosti se nazývá vlnová impedance. jednoduchými slovy, vlnový odpor média lze nazvat schopností pohlcovat zvukové vlny nebo jim „vzdorovat“. Koeficienty odrazu a prostupu přímo závisí na poměru vlnových impedancí obou médií. Vlnový odpor v plynném médiu je mnohem nižší než ve vodě nebo pevných látkách. Pokud tedy zvuková vlna ve vzduchu dopadá na pevný předmět nebo na hladinu hluboké vody, pak se zvuk buď odráží od hladiny, nebo je do značné míry pohlcen. Záleží na tloušťce povrchu (voda nebo pevná látka), na který dopadá požadovaná zvuková vlna. Při malé tloušťce pevného nebo kapalného média zvukové vlny téměř úplně „projdou“ a naopak při velké tloušťce média se vlny častěji odrážejí. V případě odrazu zvukových vln k tomuto procesu dochází podle známého fyzikálního zákona: "Úhel dopadu je roven úhlu odrazu." V tomto případě, když vlna z média s nižší hustotou narazí na hranici média s vyšší hustotou, dojde k jevu lom světla. Spočívá v ohnutí (lámání) zvukové vlny po „setkání“ s překážkou a je nutně doprovázeno změnou rychlosti. Lom závisí také na teplotě prostředí, ve kterém k odrazu dochází.

V procesu šíření zvukových vln prostorem jejich intenzita nevyhnutelně klesá, dá se říci útlum vlnění a slábnutí zvuku. V praxi je docela jednoduché se s takovým efektem setkat: například když dva lidé stojí na poli v nějaké blízké vzdálenosti (metr nebo blíže) a začnou spolu mluvit. Pokud následně zvětšíte vzdálenost mezi lidmi (pokud se začnou od sebe vzdalovat), stejná úroveň hlasitosti konverzace bude stále méně slyšitelná. Podobný příklad názorně demonstruje fenomén snižování intenzity zvukových vln. Proč se tohle děje? Důvodem jsou různé procesy přenosu tepla, molekulární interakce a vnitřní tření zvukových vln. Nejčastěji v praxi dochází k přeměně zvukové energie na tepelnou. Takové procesy nevyhnutelně vznikají v kterémkoli ze 3 médií šíření zvuku a lze je charakterizovat jako pohlcování zvukových vln.

Intenzita a stupeň absorpce zvukových vln závisí na mnoha faktorech, jako je tlak a teplota média. Také absorpce závisí na konkrétní frekvenci zvuku. Když se zvuková vlna šíří v kapalinách nebo plynech, dochází mezi různými částicemi k efektu tření, kterému se říká viskozita. V důsledku tohoto tření na molekulární úrovni dochází k procesu přeměny vlny ze zvuku na tepelné. Jinými slovy, čím vyšší je tepelná vodivost média, tím nižší je stupeň absorpce vln. Absorpce zvuku v plynných médiích závisí také na tlaku (atmosférický tlak se mění s rostoucí nadmořskou výškou vzhledem k hladině moře). Pokud jde o závislost stupně pohltivosti na frekvenci zvuku, pak při zohlednění výše uvedených závislostí viskozity a tepelné vodivosti je pohltivost zvuku tím vyšší, čím vyšší je jeho frekvence. Například při normální teplotě a tlaku ve vzduchu je absorpce vlny s frekvencí 5000 Hz 3 dB / km a absorpce vlny s frekvencí 50 000 Hz bude již 300 dB / m.

V pevných médiích jsou všechny výše uvedené závislosti (tepelná vodivost a viskozita) zachovány, ale k tomu se přidává ještě pár podmínek. Jsou spojeny s molekulární strukturou pevných materiálů, které mohou být různé, s vlastními nehomogenitami. V závislosti na této vnitřní pevné molekulární struktuře může být absorpce zvukových vln v tomto případě různá a závisí na typu konkrétního materiálu. Když zvuk prochází pevným tělesem, vlna prochází řadou transformací a zkreslení, což vede nejčastěji k rozptylu a pohlcování zvukové energie. Na molekulární úrovni může dojít k efektu dislokací, kdy zvuková vlna způsobí posunutí atomových rovin, které se následně vrátí do původní polohy. Nebo vede pohyb dislokací ke srážce s dislokacemi na ně kolmými nebo defekty v krystalové struktuře, což způsobí jejich zpomalení a v důsledku toho i určitou absorpci zvukové vlny. Zvuková vlna však může také rezonovat s těmito defekty, což povede ke zkreslení původní vlny. Energie zvukové vlny v okamžiku interakce s prvky molekulární struktury materiálu je rozptýlena v důsledku procesů vnitřního tření.

Pokusím se analyzovat rysy lidského sluchového vnímání a některé jemnosti a rysy šíření zvuku.