ПриклАкустика-1_1

знати наперед, в якій тональності його підстерігають фальшиві звуки. Звичайно прагнули розподілити кому по звуках, які в цій тональності майже не використовувалися. Ці фальшиві звуки "вили" як вовки, оскільки звук органу не затухає довго, і їх прозвали "вовками".

Андреас Веркмейстер – органіст і теоретик музики – зробив співвідношення між сусідніми частотами абсолютно рівними, щоб ніякої коми не було. В результаті не залишилося жодного чистого інтервалу всередині октави.

Теоретично темперований (рівномірний) лад був розрахований Гельмгольцем.

Бах показав, що тепер легко переходити з тональності в тональність і написав 24 прелюдії і фуги "Добре темперованого клавіра" (12 мінорних і 12 мажорних).

Компромісом залишився лад оркестру. Фортепіано настроюється по Веркмейстеру. Скрипки можуть грати в чистому ладі, але повинні підстроюватися. А труби, у яких немає отворів, не можуть підстроїтися. Вони грають в натуральному ладі, і слід враховувати ті звуки, які істотно розходяться з темперованим ладом.

Утемперованому ладі або теоретичному звукоряді

		fâ
	співвідношення частот між півтонами		12 2 1.06 , оскільки в
		fí

октаві 12 звуків. Тоді, наприклад, співвідношення частот для квінти

fâ 12 27 , оскільки квінта визначається сьомим півтоном в октаві. fí

У техніці широко поширене октавне вираження частотних смуг. Для п октав:

fв	f		2n	або n 3,32 lg fв	f	.
		н				н

Частотний діапазон деяких музичних інструментів: скрипка 180-8000 Гц віолончель 70-8000 Гц труба 160-8000 Гц тромбон 50-6000 Гц великий барабан 16-350 Гц рояль 22-6000 Гц орган 22-16000 Гц.

Розрізняють гармонійну і мелодійну висоту тону.

Гармонійна висота тону визначається в Гц і гармонійних октавах.

41

Мелодійна висота тону відповідає закону слухового сприйняття частотних інтервалів і визначається в мелах (мел від англійського слова melody) і мелодійних октавах.

Рис. 1.35

Нижче 500 Гц мелодійні октави не відрізняються від гармонійних, число мелів співпадає з частотою в Гц. Понад 500 Гц ці співвідношення порушуються. Музиканти звичайно уникають застосування основних тонів з частотою вище 1000 Гц.

За 0 гармонійних октав прийнята частота 131 Гц (нота до малої октави), що відповідає 131 мел або 0 мелодійних октав. Найбільш вживаний діапазон частот, таким чином, називається першою октавою.

Звуковий діапазон в октавах

назва

субконтр

контр-

велика

мала

перша

друга

третя

четверта

п'ята

октави

-октава

октава

октава

октава

октава

октава

октава

октава

октава

№ октави

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

діапазон

С-3

С-2

С-1

С0

С1

С2

С3

С4

С5

частот Гц

16,375

32,75

65,5

131

262

524

1048

2096

4192

С – буквене позначення ноти до.

ЛЕКЦІЯ 6 1.1.17. Тембр звуку

Тембром називається особливе забарвлення звуку, що дозволяє відрізнити даний звук від інших звуків такої ж висоти і гучності.

Гельмгольц першим встановив, що тембр звуку залежить від кількості обертонів (або вищих гармонік) і співвідношення їх

42

амплітуд. Цей висновок майже на 100 років визначив розвиток досліджень в цій області.

Звуки різних музичних інструментів мають спектри з індивідуальними рисами залежно від механізму звукоутворення.

Наприклад, у флейти як резонатор використовується труба, відкрита з двох кінців, тому звук має в спектрі всі частоти з убуваючими рівнями амплітуд. Звук у флейти – м'який і ніжний.

Укларнета використовується як резонатор – труба, закрита з одного кінця, тому в спектрі, в основному, - непарні гармоніки. Звук кларнета – матовий, глухий.

Утруби в спектрі багато високочастотних гармонік. Звук –

яскравий, різкий.

Навіть у одного і того ж інструменту, залежно від складу обертонів, звук може бути більш менш красивим (наприклад, залежно від сили удару).

Узвуках низького регістра обертони суб'єктивно посилюються із-за збільшення чутливості слуху. Тому, вони значно барвистіші, ніж тони середнього регістра.

Разом з тим, перевантаженість обертонів створює відчуття тяжкості звучання, в той час, як вищі звуки – більш легкі, а у високому регістрі – порожні, безбарвні.

Обертони, відповідні гармонікам вище восьмої не сприяють поліпшенню тембру.

Плавний підйом огинаючої спектру у області 200-700 Гц додає відтінки соковитості, глибини;

800-2500 Гц – бархатистості;

2,5-3 кГц – дзвінкості, польотності;

3-4,5 кГц – різкості, пронизливості.

Всі результати, одержані по теорії Гельмгольца, базуються на аналізі стаціонарних процесів. Насправді ж музичні і голосові сигнали характеризуються також тривалістю атаки (наростання) і загасання. При цьому, основний сигнал і обертони можуть мати різну тривалість атаки і загасання, що додає особливість тембру.

В ударних інструментів дуже коротка стаціонарна частина час атаки 0,5-3 мс час загасання 0,2-1 с;

у смичкових – атака 30-120 мс; загасання – 0,15-0,5 с; в органу – атака 50-1000 мс

загасання 0,2-2 мс (у фортепіано практично навпаки).

43

Якщо поміняти місцями атаку і загасання, звук практично не можна впізнати (орган схожий на фортепіано).

Це свідчить про те, що на практиці потрібно аналізувати тривимірний спектр: частота, час і амплітуда, тобто враховувати і часовий чинник або частотно-часові характеристики.

Якщо порівняти спектрограми для двох типів органних труб, то виявляється, що у відкритій флейтовій трубі першою з'являється друга гармоніка, яка випереджає основну частоту на 30 мс, а потім одночасно з основним тоном з'являється третя, четверта і всі вищі. У закритій флейтовій трубі першою з'являється п'ята гармоніка, потім – перша, а потім – третя.

У кларнета – спочатку з'являється третя гармоніка, а потім – перша;

угобоя – друга і третя, через 8 мс – перша;

уфлейти – перша, а через 80 мс поступово з'являються всі інші. Слід аналізувати зміну структури часової огинаючої сигналу

(атака, стаціонарна частина і загасання), а також зміну спектральної огинаючої, зокрема зсув центроїда спектру.

В даний час дослідження перемістилися у напрямі вивчення впливу фазового спектру, а також впливу психофізичних критеріїв на розпізнавання спектру.

Слух надзвичайно чутливий до спотворень тембру. Тому спотворення звуку, що виникають при передачі його електроакустичними апаратами і системами, відчуваються як тембральні спотворення або у вигляді додаткових призвуків.

1.1.18. Бінауральний ефект

Бінауральний (двовушний) ефект виявляється в здатності слуху локалізувати джерело звуку, тобто визначити напрям приходу звукової хвилі.

Фізична основа – просторове несуміщення двох вух, в результаті відстань від джерела до правого і лівого вуха будуть

неоднаковими:

П Л

rï

rë

Рис. 1.36

44

Крім того, на високих частотах (при малій довжині хвилі) позначається екрануючий вплив голови, на низьких частотах відбувається огинання голови звуковими хвилями:

НЧ		В.Ч.
			тень
П	Л	П	Л

Рис. 1.37

В результаті, локалізація джерела здійснюється по трьох чинниках:

1)часовому – різниці фаз (різниці часу приходу) звукової хвилі, що впливає на праве і ліве вухо;

2)амплітудному – різниці рівнів звукових тисків, що сприймається правим і лівим вухом;

3)спектральному - різниці в спектральному складі звуків, що сприймаються лівим і правим вухом.

Часовий чинник

Δx

α

d

α

b

b

Л

П

Л

П

Рис. 1.38

Звукова

хвиля

приходить до

слухача

під кутом

до

центральної осі голови (відлічується в горизонтальній площині).

Відстань

між

вухами (вушна

база) b ,

середнє

значення

b 18 ñì .

45

Різниця ходу звукових променів, що приходять на праве і ліве вухо, - x . Максимальна різниця ходу x d 21 ñì при

розташуванні джерела збоку ( 900 ).

Різниця часу приходу однакових фаз до вух

t x , де C0 - швидкість звуку.

C0

Експериментально встановлена наступна формула, по якій приблизно визначається напрям на джерело:

sin C0 t . d

Різниці ходу x d відповідає максимальний час затримки

d 0,63 мс.

C0

Часовий чинник працює приблизно до частоти 800 Гц, так як не повинне бути більше, ніж Т/2 (Т – період звукової хвилі), для правильного визначення .

В міру підвищення частоти вступає в дію амплітудний чинник, який стає помітний вже на частоті понад 200 Гц. На частоті 10 кГц різниця рівнів сигналів, що приходять на різні вуха, складає 30 дБ.

Амплітудний чинник

Може створитися враження, що чим вища частота, тим точніше локалізація. Проте, це не так. Чисті тони дуже високих частот (понад 800 Гц) майже не піддаються локалізації. Так само слабо виражена здатність людини локалізувати джерело тональних сигналів на частотах нижче 300 Гц.

Залежність кутового зсуву звукового образу від різниці рівнів звукового тиску у вухах експериментально знайдена Стюартом і виражається наступною формулою:

B L 20B lg Pпр ,

Pл

де Pï ð і Pë - ефективні значення звукового тиску, що діє на

праве і на ліве вухо;

L – різниця рівнів звукового тиску в дБ; B – постійна Стюарта.

46

Постійна	Стюарта B		чисельно дорівнює			кутовому зсуву
звукового образу при зміні різниці рівнів L на 1 дБ.
		Залежність B від частоти:
f, Гц		250		500		1000
B, град		6,9		4,8		2,3

Найбільша гострота локалізації досягається при сприйнятті складних звуків, коли, окрім згаданих, позначається ще і спектральний чинник.

Наприклад, якщо звук, що приходить на праве вухо, містить високочастотні і низькочастотні складові, то в спектрі звуку, що діє на ліве вухо, низькочастотних складових не буде.

Кутова (або бінауральна) розпізнавальна здатність слуху –

найменший відчутний кут відхилення джерела – складає близько 30 . Точність локалізації – помилка, яка здійснюється слухом, при

визначенні напряму на джерело – складає 120 в горизонтальній площині і 150 у вертикальній площині. Для джерел, що знаходяться позаду слухача, ця точність ще менше і може доходити до 200 .

ЛЕКЦІЯ 7 1.1.19. Інтегральна локалізація (стереоефект)

Ефект інтегральної локалізації безпосередньо пов'язаний з

	бінауральним ефектом.
				1	x
					r1
	l
	l				r2
	2
					Рис. 1.39
	Гучномовці 1 і 2 розташовані на відстані 2l один від одного і
	відтворюють один і той же				звук.Слухач знаходиться в площині
					47

симетрії системи. В результаті до обох вух сигнали приходитимуть одночасно, відповідно, від джерел 1 і 2 (відстані r1 r2 ).

Слух сприйматиме єдине уявне або віртуальне джерело звуку, розташоване в середній точці бази.

Якщо зменшити амплітуду тиску джерела 2, це сприймається слухом як переміщення віртуального джерела у бік джерела 1. Це явище і називається інтегральною локалізацією.

При різниці рівнів звуку двох джерел L 15 äÁ віртуальне

джерело поєднується з гучнішим дійсним.

Ілюзію переміщення джерела можна одержати і створюючи запізнення звуку в одному з каналів. В цьому випадку віртуальне джерело переміщається у бік гучномовця, що працює з випередженням. Віртуальне джерело поєднується з дійсним, якщо

1	x
	r1
l
l
	r2
2
випередження 1.1	ì ñ .
Рис. 1.40

При переміщенні слухача в бічному напрямі віртуальне джерело зміщується в бік ближнього гучномовця. Поєднання віртуального джерела з ближнім гучномовцем відбудеться, коли різниця відстаней

r2 r1	викликає запізнення		max	1.1 ì ñ . При цьому
r2 r1	max C0 0.37	ì , що приблизно в два рази більше розміру
вушної бази b 0.18		ì .
			48

Таким чином, можна розрахувати конфігурацію зони інтегральної локалізації або стереофонії в приміщенні:

l l

Рис. 1.41

1.1.20. Методи стереофонічного звукозапису

Первинним полем називається звукове поле, що створюється натуральними джерелами звуку: музичними інструментами, голосами і т.д.

Вторинне – поле, що є відтворення первинного поля системою звукопередачі.

Стереофонічною називається звукопередача, яка зберігає у вторинному полі локалізацію джерел звуку.

Три основні методи звукопередачі:

1) Бінауральний метод

Упервинному полі використовується макет голови в натуральну величину. У місцях вух розташовані два мікрофони зі своїми каналами передачі.

Увторинному полі слухач користується головними телефонами для відповідного вуха.

Така система з великою точністю передає будь-яку різницю в бінауральній парі сигналів. Проте, для слухача, що знаходиться у іншому місці приміщення, положення джерела звуку не відповідатиме дійсному. Тому така система не придатна для супроводу передачі зображення.

2) Метод інтегральної локалізації

Використовується двохабо чотирьохканальна система. У первинному полі – мікрофони, у вторинному – аналогічним чином розташовані гучномовці.

3) Ідеальна система звукопередачі

Кількість каналів розраховується, виходячи із залежності

tg min nxB ,

49

де	B – ширина приміщення;
	x – відстань до слухача ;
	n – кількість каналів.
	Тоді n	B		, де	120	(дозволяюча	здатність) для
		x tg min
стаціонарного джерела і 30					– для рухомого джерела.
	Для слухача на		відстані 20 м			від джерела	в приміщенні

шириною 20 м для нерухомого джерела потрібно 5 каналів, а для рухомого 19 каналів.

1.2. Фізика мови

1.2.1.Мовний апарат

Улюдини немає спеціальних мовних органів. В процесі еволюції до мовотворення пристосувалися дихальні і жувальні органи.

Розріз мовного тракту: 1– легені і бронхи; 2 – трахея;

3 – гортань (ларінкс): голосова щілина; голосові зв'язки;

4 – щитовидний хрящ;

5 – кільцеподібний хрящ;

6 – надгортанник;

7 – глотка (фарінкс);

8 – носова порожнина (назус);

9 – тверде небо;

10 – піднебінна занавіска (м'яке небо);

11 – язичок;

12 – ротова порожнина (оріс);

13 – язик.

Рис. 1.42

50