Звук... Он окружает нас с самого рождения. После зрения он, пожалуй, самое главное, с помощью чего мы воспринимаем наш мир. Но что это? Какова его природа? По каким законам он живёт? Давайте разбираться!

В этой статье:

1. Откуда берется звук и почему мы его слышим?

2. Почему все звуки разные и что такое частоты и герцы, амплитуда и децибелы, а также громкость?

3. Как устроена звукозапись?

Поехали!

1.Из за наличия у нашей планеты атмосферы, наполненной смесью газов - воздухом, у нас существует такое понятие как звук. Ведь звук - волнообразные колебания молекул воздуха. При любых таких колебаниях, вызванным будь то бегом человека, хлопоком в ладоши, лаем собаки или ударом по струне гитары, они улавливаются нашим ухом и воспринимаются нами как звуки. Рассмотрим этот процесс подробнее: например мы ударили барабанной палочкой в барабан. Тот час слышен соответствующий звук. Что произошло? Удар вызвал резкое смещение молекул воздуха, образовавшее большее давление, по сравнению с общий давлением окружающего воздуха, которое волнообразными колебаниями начало распространяться в пространстве, словно падение частиц домино, составленных в ряд. Так колебания дошли до молекул воздуха, находящихся в нашем наружном ухе. Ушная раковина и внешний ушной проход усилили эти колебания за счет своей формы (это как зал с хорошей акустикой, но в нашем теле), и наконец, движение молекул передалось барабанной перепонке - тонкой мембране, изолирующей от воздуха внутреннею часть уха, что привело уже к колебанию самой перепонки. Колебание передалось через систему среднего уха во внутреннее ухо, а точнее в специальную "улитку" - орган, представляющий собой спиралевидный канал из костной ткани, наполненный жидкостью и волокнами базилярной мембраны.

Мембрана делит улитку на два коридора - лестницу преддверия и барабанную лестницу. Жидкость, а именно перилимфа заполняет барабанную лестницу, а эндолимфа - лестницу преддверия. Через эти жидкости колебание передалось Кортиеву органу, расположенному на базилярной мембране. Он представляет из себя скопление волосковых клеток, улавливающих колебания, и преобразующих их уже в нервный импульс, несущий информацию о характере звука в нервные окончания, идущие в слуховой центр мозга. Сложнейший процесс, который происходит за доли секунды. 

2.Мы разобрались с тем, что такое звук и каким образом мы его воспринимаем. Но что его характеризует? И почему все звуки разные?

У любой звуковой волны (то есть у колебания молекул в пространстве) есть несколько свойств: частота (высота), амплитуда (громкость), длина (продолжительность), а также спектр (тембр). В статье рассматриваются только первые два, самые ключевые свойства.

Частота - количество волнообразных колебаний, произошедших за секунду. Определяет то, что мы называем высотой звука. Чем больше частота, тем выше звук. Частота измеряется в герцах. 1 герц - одно колебание в секунду. Человек способен воспринимать звуки от 20 до 20 000 герц. Все что ниже - инфразвук, выше - супер и гиперзвук.

Здесь существует зависимость - чем больше значение герц, то есть чем чаще происходят колебания, тем они короче:

Так, низкие по частоте звуковые волны более продолжительны.

Теперь разберемся с амплитудой, частично задающей то, что мы называем громкостью. Амплитуда это величина, показывающая на сколько сильны колебания воздуха, то есть на сколько сильное давление создает звуковая волна. Вот как выглядят больший и меньший по амплитуде звуки:

У последнего амплитуда колебаний выше, соответственно каждое колебание создаёт большее давление. Сразу уточню - амплитуда и громкость это не одно и тоже! Как я уже упомянул - амплитуда показывает силу давления, создаваемого звуковой волной, а громкость это восприятие нашим ухом этого самого давления. Однако не одна амплитуда определяет, будем ли мы считать звук громким, или тихим. На громкость также влияют главным образом частота, а также остальные свойства звука. Амплитуда, измеряется в децибелах. Децибел это не линейная величина, она показывает не силу давления звука, а то, во сколько раз это давление больше минимального уровня давления, которое может уловить наше ухо. Таким образом прибавление 12 децибел хоть к двум, хоть к ста децибелам увеличивает громкость в 4 раза! То есть прибавить 12 децибел к звуку тихого шепота совсем не все равно, что прибавить 12 децибел к громкости на концерте Rammstein. И в том, и в другом случае амплитуда, а значит и громкость увеличится в 4 раза. Одолжил у Википедии шкалу сравнения громкости в децибелах:

0 — порог слышимости

5 — почти ничего не слышно — тишина среди ночи.

10 — почти не слышно — шёпот, тиканье часов.

15 — едва слышно — шелест листьев.

20 — едва слышно — уровень фона на открытой местности;

25 — мурлыканье кота на расстоянии 0,5 м.

30 — тихо — настенные часы, максимально разрешённый шум для источников постоянного шума, расположенных в жилых помещениях, ночью с 21:00 до 7:00.

35 — хорошо слышно — приглушённый разговор, тихая библиотека, шум в лифте.

40 — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис), шум кондиционера, шум телевизора в соседней комнате.

50 — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина.

60 — умеренно шумно — громкий разговор, норма для контор.

65 — весьма шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м.

70 — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м.

75 — шумно — крик, смех с расстояния 1 м, шум в старом железнодорожном вагоне.

80 — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м, крик, мотоцикл с глушителем, шум работающего двигателя  грузового автомобиля, длительный звук вызывает ухудшение слуха.

85 — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;

90 — очень шумно пневматический отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7 м.

95 — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м, громкая игра на фортепиано на расстоянии 1 м;

100 — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;

110 — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;

115 — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, м, пневмосигнал для велосипеда;

120 — почти невыносимо — болевой порог, гром, отбойный молоток, кислородная горелка;

130 — боль — сирена, рекорд по самому громкому крику, мотоцикл (без глушителя);

140 — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;

150 — контузия, травмы — реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам, ухудшается зрение;

160 — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья  близко от уха, ударная волна от сверхзвукового самолёта или от взрыва давлением 0,002 МПа;

165—185 — светошумовая граната[4];

194 — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;

200 — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна быстрая смерть;

250 — максимальное давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола — 60 МПа[5];

282 — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве — 2500 МПа[6];

300 — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ — 20 000 МПа;

374 — максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва — 100 000 000 МПа;

Поговорим подробнее о громкости. Выше я уже рассказал, что громкость это распознавание нашим мозгом того, насколько уж простите за тавтологию громким является звук. При этом громкость зависит не только от амплитуды, но во многом и от частоты. Взгляните на таблицу:

Это так называемая кривая громкости, она показывает зависимость уровня громкости, который измеряется здесь в условных единицах фонах, от амплитуды и частоты. Если вы вдруг не поняли, как ей пользоваться, приведу справку: по вертикали уроверь громкости в децибелах, по горизонтали частота в герцах. Выбираете определенную громкость и частоту, и проводите от них воображаемые линии. Точка пересечения линий будет уровнем громкости в фонах. Картинка:

Так, кривые громкости показывают нам, что звук в 40 дб и частотой 200 гц воспринимается нами в 40 фонов, но при этом звук в те же 40 дб, но частотой 500 гц, воспринимается примерно в 45 фонов. Дальше больше: 1000 герц - уровень фонов вернулся к 40, 2500 герц - снова 45 фонов, а на 7500 герц упал до 35. Естественно, все эти значения взяли не из воздуха - кривая громкости составлена по ощущениям большого количества людей в возрасте 18-25 лет, которым включали звуки разной амплитуды и частоты.

3.В завершение статьи хотелось бы упомянуть о том, как устроен микрофон, и каким образом он преобразует звуковые волны, то есть колебания молекул воздуха, в электрический сигнал. Существует большое количество различных типов микрофонов, отличающихся по своей конструкции и способу работы. Хотелось бы рассмотреть конденсаторный микрофон, ведь сейчас это один из самых распространённых типов микрофонов, кроме того, звукозапись музыки или какого либо другого аудиоматериала в студиях всегда осуществляется именно на него. Сразу представлю схему микрофона:

Две синии пластинки это конденсатор. Они не соединены между собой, крайняя представляет из себя тонкую пленку, покрытую никелем с внутренней стороны, которая активно колеблется под действием звуковых волн. Она называется диафрагмой. Вторая пластинка неподвижна. Обе пластинки подключены в электрическую цепь, в них есть ток. При колебании диафрагмы ее расстояние до второй пластинки изменяется, а ее электрические токи действуют на нее. Таким образом, напряжение во второй пластинке меняется в зависимости от приближения, или отдаления диафрагмы. На wavefrom (дорожка, показывающая входящие звуковые волны при звукозаписи в различных аудиоредакторах) показывается ни что иное, как сила тока, идущая от микрофона, и меняющаяся при изменении напряжения, вызванного колебанием диафрагмы.

P.S. На счет wavefrom - не уверен, что называется именно так, по крайней мере в русскоязычной среде. Буду рад, если продвинутые звукари подскажут:).