Классификация звуковых волн по направлению колебаний частиц Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
Министерство культуры и туризма Украины
Луганский государственный институт культуры и искусств
Ю.Я.Дерский
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОАКУСТИКИ
Учебное пособие
для студентов высших учебных заведений
Культуры и искусств
Луганск
Рецензенты:
Дерский Ю.Я.
Основы электроакустики: учебн. пособ. для студ. высш. учебн. завед. культуры и искусств/ Ю.Я. Дерский; Луган.гос.ин-т культуры и искусств.-Луганск ЛГИКИИ, 2011.-…….с.
Учебник «Основы электроакустики» адаптирован для специальности «Звукорежиссура» в ВУЗах не технического направления обучения. Его появление обусловлено спецификой контингента, поступающего на творческие специальности, связанные с вопросами звукозаписи, режиссуры и звукорежиссуры, а также ведущие радио- и телевизионных программ. В книге собраны общие понятия процессов, возникающих в процессе формирования и передачи звука в звуковых трактах, звуковом поле, замкнутом пространстве. Рассмотрены примеры различных видов акустических систем, микрофонов. Даны рекомендации по их использованию. Примеры и принципы строительства разного типа студий вещания. Рассмотрены некоторые современные методы измерения звука.
Рекомендовано к печати Ученым советом
Луганского государственного института культуры и искусств (протокол № от 2011)
Введение
Электроакустика- изучает технические средства перевода звуковых колебаний в электрический сигнал и обратного перевода электрического сигнала в максимально похожие звуковые колебания. Основные области применения электроакустики это:
1) звукоусиление;
2) передача звука на большие расстояния (радиовещание, составляющая телевизионного вещания);
3) запись звука с целью хранения и последующего воспроизведения.
Исходя из определения электроакустики, курс делится на два больших раздела.
- Изучение объекта воспроизведения (первоначальных звуков) и условий его похожего воспроизведения (специфика распространения звука и особенностей слуха человека).
- Методы перевода звукового поля в электрическую форму и возбуждения похожего звукового поля в другом помещении.
Дадим несколько определений.
Звук. Слово "звук" определяет два понятия: первое - звук как физическое явление; второе - звук как ощущение.
В результате вибрации (колебания) какого-либо упругого тела, например струны, возникает волнообразное распространение колебаний воздушной среды. Источником звука является колеблющееся тело. Оно приводит в колебательное движение прилегающие к нему частицы упругой среды (как правило, воздуха), которые заставляют колебаться соседние частицы и т.д. Процесс распространения колебаний частиц упругой среды называют звуковой волной.
Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервным волокнам в головной мозг, возбуждая ощущение звука.
Звуковое поле - одна из форм существования материи, проявляется в виде кинетической энергии колеблющихся материальных тел, а также звуковых волн в твердой, жидкой и газообразной средах, обладающих упругой структурой.
Первичное помещение - помещение, в котором источниками звука создается звуковое поле (называемое первичным), подлежащее копированию при воспроизведении электроакустическими устройствами.
Помещение прослушивания - помещение, в котором прослушивается создаваемое электроакустическими преобразователями звуковое поле.
Тракт-путь, который проходит звук от источника до потребителя.
В трактах радиотелефонной связи, вещания, звукового сопровождения телевидения, звукозаписи и воспроизведения, звукоусиления, массового радиообслуживания, диспетчерской связи) и т. д. начальные и конечные звенья тракта — акустические. Тракт начинается от источника звуковых колебаний (голос человека, музыкальные инструменты, различного рода источники шумов), затем идет звено тракта в виде воздушной среды помещения или открытого пространства. Начальная акустическая часть тракта заканчивается преобразователем акустических колебаний в электрические (микрофон). После него идут различные электрические (системы, а за ними, до уха слушателя — снова акустические звенья тракта: электроакустический преобразователь (громкоговоритель или телефон), помещение или открытое пространство в случае громкоговорящего приема, объем между телефоном и ушной раковиной при приеме на телефон. Каждое из акустических звеньев тракта обладает соответствующими свойствами, которые надо знать, чтобы уметь правильно пользоваться ими.
Акустические звенья тракта зачастую бывают определяющими в отношении качества вещания и играют значительную роль в обеспечении качества речевой связи.
Глава 1. ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ В НЕОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ.
1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Звуковым полем называют пространство, в котором происходит распространение звуковых колебаний. Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах представляют собой продольные колебания, так как частицы среды колеблются вдоль линии распространения звука. Вследствие этого образуются сгущения 1 и разрежения 2 среды, двигающиеся от источника колебаний (рис. 1.1) с определенной скоростью, называемой скоростью звука. Скорость звука в воздухе при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении приблизительно равна 340 м/с.
Волнаминазываются распространяющиеся в веществе или поле возмущения какой-либо физической величины, характеризующей состояние этого вещества или поля.Волнообразное изменение плотности среды, вызванное звуковыми колебаниями, называют звуковой волной.
Упругими волнаминазываются распространяющейся в упругой среде механические возмущение (деформации). Внешние тела, вызывающие эти возмущения в среде, называются источниками волны.
Классификация звуковых волн по направлению колебаний частиц
1) продольные;
2) поперечные.
Продольная звуковая волна - волна, в которой частицы среды колеблются в направлении луча.
Поперечная звуковая волна - волна, в которой частицы колеблются в направлении, перпендикулярном лучу.
Тип волны, распространяющийся в среде, зависит от того, каким образом возбуждается волна и от того, как и каким частицам передает свою энергию текущая частица.
Примеры.
1. В тонком и длинном отрезке вещества может распространяться как продольная, так и поперечная волна, в зависимости от направления возбуждения. Они даже могут распространяться одновременно, и суммарная волна будет иметь промежуточный угол.
2. Граница раздела сред разной плотности. Например, при распространении волны по водной поверхности, волна сжатия немедленно трансформируется в высоту столбика воды, т.е. волна поперечная.
3. Однородная среда.
3.1. При возбуждении пульсирующей сферой существует продольная волна.
3.2. При возбуждении колеблющейся мембраной. В плоскости мембраны существует поперечная волна, перпендикулярно мембране - продольная волна, а в промежуточных углах волна, занимающая промежуточное положение между продольной и поперечной.
В однородной среде, однако, не может существовать поперечная волна в чистом виде, без сопоставимых уровней продольных составляющих на соседних лучах. Кроме того, человеческий слух реагирует главным образом на продольную составляющую звуковой волны.
Надо сказать, что этот момент изучен слабо и доминирует представление, что звуковые волны бывают только продольные. Недоучет необходимости передачи типа волны, возможно, снижает достоверность звучания электроакустических систем.
Направление распространения звуковых волн называют звуковым лучом, а поверхность, соединяющую смежные точки поля с одинаковой фазой колебания (например, точки максимального сгущения или разрежения),— фронтом волны. Звуковые лучи пересекают фронт волны под прямым углом. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в большинстве практических случаев можно ограничиться соотношениями, полученными для плоской и сферической форм фронта, а иногда еще и цилиндрической.
Если период колебаний Т, то частота колебаний f = 1/т, а длина звуковой волны, равная расстоянию между соседними фронтами, находящимися в одинаковой фазе (см. рис. 1.1), λ = cT = c/f, где с — скорость звука.
В системах связи и вещания частоты колебаний лежат в пределах от 20—30 до 15 000—20 000 Гц, соответственно длины звуковых волн — от 17—11,3 м до 2,27—1,7 см.
Частоты колебаний подразделяют на низкие, средние и высокие звуковые частоты. К низким относят частоты, лежащие в пределах от 20 до 200—500 Гц, к высоким звуковым частотам от 2000—5000 до 20 000 Гц, к средним — промежуточные между высокими и низкими. Обычно для краткости прилагательное «звуковые» опускают, особенно в тех случаях, когда речь идет только об акустических процессах и трактах (и не рассматриваются вопросы, относящиеся к радиочастотам). Частоты, лежащие ниже 20 Гц, называют инфразвуковыми, а выше 20 кГц — ультразвуковыми.
Звуковое поле характеризуют рядом линейных и энергетических величин.
ЛИНЕЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Звуковое давление. Положим, что давление среды в отсутствие звуковых колебаний равно Ра.с, это давление называют статическим. При прохождении звуковой волны давление в каждой точке среды будет непрерывно изменяться: в моменты сгущения частиц оно больше статического, а в моменты разрежения — меньше. Разность между мгновенным давлением Pа.м и статическим Pa.с в той же точке среды, т. е. переменная составляющая давления называется звуковым давлением P = Pа.м — Ра.с
Звуковое давление — величина знакопеременная. Давление р — сила, действующая на единицу площади, т. е. p = F/S. Поэтому за единицу давления в системе СИ принимают ньютон на квадратный метр, а в абсолютной CGS системе единиц — дину на квадратный сантиметр: 1 Н/м2 = 1 Па (паскаль) = 10 дин/см2. В системах связи и вещания имеют дело со звуковыми давлениями, по амплитуде, не превышающими 100 Па, т. е., по крайней мере, в 1000 раз меньше, чем нормальное атмосферное давление.
И Часто звуковое давление называют избыточным давлением среды.
Ранее эту единицу называли «бар».
Скорость колебаний. Если давления неодинаковы в соседних точках среды, то ее частицы стремятся сместиться в сторону минимального давления. При знакопеременной разности давлений возникает колебательное движение частиц среды около своего статического положения. Скорость колебаний этих частиц v = du/dt, где u — смещение частиц. Скорость колебаний обычно измеряют в метрах или сантиметрах в секунду. Не следует путать эту скорость со скоростью звука. Скорость звука — постоянная величина для данной среды и метеорологических условий, а скорость колебаний — переменная, причем если частица среды перемещается по направлению распространения волны, то скорость считают положительной, а при обратном перемещении частицы — отрицательной.
Определим связь между звуковым давлением и скоростью колебаний. Возьмем элементарный объем, заключенный между фронтами волн, находящимися на расстоянии Drдруг от друга, с боковыми поверхностями, расположенными вдоль звуковых лучей (рис. 1.2). Как видно из рисунка, среда в этом объеме находится под действием разности давлений р и р+Δр,следовательно, испытываемая ею сила
где ΔAS — площадь, выделенная на поверхности фронта волны. С другой стороны, по второму закону Ньютона сила инерции
где Δm—масса среды, заключенной в этом объеме; ρο — средняя плотность среды.
|