Звук и основные свойства звуковых волн

Простые и сложные звуковые колебания

Обсуждая вопрос о природе звуковых волн, мы имели в виду такие звуковые колебания, которые подчиняются синусоидальному закону. Это простые звуковые колебания. Их называют чистыми звуками, или тонами. Но в природных условиях такие звуки практически не встречаются. Шум листвы, журчанье ручья, раскаты грома, голоса птиц и зверей представляют собой сложные звуки. Однако любой сложный звук может быть представлен в виде набора различных по частоте и амплитуде тонов. Это достигается путем проведения спектрального анализа звука. Графическое изображение результата анализа сложного звука по составляющим его компонентам называют амплитудно-частотным спектром. На спектре амплитуду выражают в двух разных единицах: логарифмических (в децибелах) и линейных (в процентах). Если используют процентное выражение, то отсчет чаще всего ведут относительно амплитуды наиболее выраженной составляющей спектра. В этом случае ее принимают за нуль децибел, а уменьшение амплитуды остальных спектральных составляющих измеряют в отрицательных единицах. Иногда, в частности при усреднении нескольких спектров, за основу отсчета удобнее брать амплитуду всего анализируемого звука. Качество звука, или его тембр, существенно зависит от количества составляющих его синусоидальных компонентов, а также от степени выраженности каждого из них, то есть от амплитуд слагающих его тонов. В этом легко убедиться, прослушав одну и ту же ноту, исполненную на разных музыкальных инструментах. Во всех случаях основная частота звука этой ноты - у струнных инструментов, например, соответствующая частоте колебания струны - одинакова. Заметим, однако, что для каждого инструмента характерна своя форма амплитудно-частотного спектра.

Амплитудно-частотные спектры ноты до первой октавы, воспроизведенной на разных музыкальных инструментах
1. Амплитудно-частотные спектры ноты "до" первой октавы, воспроизведенной на разных музыкальных инструментах. За 100 процентов принята амплитуда колебаний первой гармоники, называемой частотой основного тона (она отмечена стрелкой). Особенность звучания кларнета по сравнению со звучанием рояля проявляется в ином соотношении амплитуд спектральных составляющих, то есть гармоник; кроме того, в спектре звука кларнета отсутствуют вторая и четвертая гармоники.

Все сказанное выше о звуках музыкальных инструментов справедливо и для голосовых звуков. Основная часть голосовых звуков - в этом случае ее обычно называют частотой основного тона - соответствует частоте колебания голосовых связок. Исходящий из голосового аппарата звук кроме основного тона включает также многочисленные сопутствующие ему тоны. Основной тон и эти дополнительные тоны и составляют сложный звук. Если частота сопутствующих тонов превосходит частоту основного тона в целое число раз, то такой звук называют гармоническим. Сами же сопутствующие тоны и соответствующие им спектральные составляющие в амплитудно-частотном спектре звука называют гармониками. Расстояния по шкале частот между соседними гармониками соответствуют частоте основного тона, то есть частоте колебании голосовых связок.

Амплитудно-частотные спектры звука, производимого голосовыми связками человека
2. Амплитудно-частотные спектры звука, производимого голосовыми связками человека при произношении им любого гласного (рисунок слева), и гласного звука "и", созданного голосовым трактом (рисунок справа). Вертикальными отрезками изображены гармоники; расстояние между ними на шкале частот соответствует частоте основного тона голоса. Изменение (уменьшение) амплитуды гармоник выражено в децибелах относительно амплитуды наибольшей гармоники. На огибающей спектра звука "и" появились так называемые формантные частоты (F1, F2, F3), представляющие собой наибольшие по амплитуде гармонические составляющие.

В качестве примера рассмотрим процесс образования звуков речи. Во время произнесения любого гласного колеблющиеся голосовые связки создают сложный звук, спектр которого состоит из ряда гармоник с постепенно уменьшающейся амплитудой. Для всех гласных спектр звука, создаваемого голосовыми связками, одинаков. Различие в звучании гласных достигается благодаря изменениям конфигурации и размеров воздушных полостей голосового тракта. Так, например, когда мы произносим звук "и", мягкое небо перекрывает доступ воздуха в носовую полость и к небу поднимается передняя часть спинки языка, в результате чего ротовая полость приобретает определенные резонансные свойства, видоизменяя первоначальный спектр созданного голосовыми связками звука. В этом спектре появляется ряд специфических для данного гласного звука пиков амплитуды спектральных составляющих, называемых спектральными максимумами. В таком случае говорят об изменении огибающей спектра звука. Энергетически наиболее выраженные спектральные максимумы, обусловленные работой голосового тракта как резонатора и фильтра, называют формантами. Форманты обозначают порядковыми номерами, причем первой формантой считают ту, которая следует сразу после частоты основного тона.

В виде суммы гармонических колебаний можно представить не только голосовые звуки, но и разнообразные шумы, издаваемые животными: сопение, фырканье, стуки и чмоканье. Так как спектры шумовых звуков состоят из множества плотно примыкающих друг к другу тонов, то в них невозможно выделить отдельные гармоники. Обычно шумовые звуки характеризуются довольно широким диапазоном частот.

В биоакустике, как и в технических науках, все звуки принято называть акустическими или звуковыми сигналами. Если спектр звукового сигнала охватывает широкую полосу частот, сам сигнал и его спектр называют широкополосным, а если узкую, то - узкополосным.