Звук и основные свойства звуковых волн

Амплитудно-временные характеристики звукового сигнала

Графическое представление о звуке можно получить также с помощью осциллографа. Осциллограмма дает картину изменения во времени амплитуды звука. Таким образом, осциллограмма отражает амплитудно-временные характеристики звукового сигнала: его длительность и форму - то есть амплитудную модуляцию.

В начале рассмотрим осциллограмму уже знакомого нам звука "и". Так же, как и в случае с динамической спектрограммой, длина осциллограммы отражает продолжительность сигнала Изменения его амплитуды во времени то есть амплитудная модуляция, проявляются в том, что на профиле осциллограммы появляются пики и провалы. Изменение амплитуды звука, выраженное в процентах относительно его максимальной амплитуды, называют глубиной амплитудной модуляции.

Осциллограмма гласного "и" показывает, что это одиночный звук с неглубокой, имеющей случайный характер амплитудной модуляцией. Однако звуки, издаваемые животными, нередко характеризуются более сложной зависимостью амплитуды от времени. В качестве примера таких звуков рассмотрим кряхтение львенка. Осциллограмма кряхтения показывает, что оно представляет собой последовательность звуков (в данном случае состоящую из двух звуков), каждый из которых имеет глубокую периодическую амплитудную модуляцию.

Осциллограммы гласного звука и, произнесенного человеком, и кряхтения львенка
6. Осциллограммы гласного звука "и", произнесенного человеком, и кряхтения львенка. По осциллограмме определяют длительность, период следования звуков и интервал между ними, а также частоту и глубину амплитудной модуляции. Последнюю измеряют в относительных единицах путем сравнения снятых с осциллограммы линейных размеров глубины провала и высоты пика наибольшей амплитуды звука. Видно, что гласная "и"- одиночный звук с неглубокой амплитудной модуляцией, а кряхтение львенка состоит из нескольких звуков (здесь приведена лишь часть звуковой последовательности) с глубокой, достигающей 100 процентов периодической амплитудной модуляцией.

Для описания амплитудно-временных характеристик сложных звуков (каким является, например, рассмотренное выше кряхтенье) в биоакустике используют следующие понятия: частота амплитудной модуляции, интервал между звуками, период и частота их следования, а также ритмическая организация. Частоту амплитудной модуляции оценивают по числу пиков амплитуды в единицу времени. Интервал между звуками соответствует продолжительности паузы, а период следования равен времени между началами звуков. Под частотой следования понимают число звуков в единицу времени, а под ритмической организацией - порядок их следования в сигнале. Выше мы уже говорили, что акустические колебания частотой более 20 килогерц человек не воспринимает. Такие высокочастотные колебания получили название ультразвуковых. Здесь следует отметить, что у многих людей верхний частотный предел слуха и того меньше.

Чаще всего он соответствует частоте 16-18 килогерц, причем с возрастом восприятие человеком высоких частот ухудшается. Как будет показано в нашей книге, слуховая система многих видов зверей настроена на восприятие именно этих колебаний. Поэтому свойства не слышимых человеком ультразвуковых сигналов представляют для нас - авторов и читателей книги о звуках, производимых животными, - особый интерес.

Как уже отмечалось, низкочастотные и высокочастотные колебания подчиняются одним и тем же акустическим законам, так как физическая природа их одинакова. Однако ультразвук обладает рядом особенностей, связанных прежде всего с тем, что ультразвуковые колебания имеют малую длину волны. Например, длина волны звука с частотой 50 килогерц равна 6,8 миллиметра, в то время как частоте 340 герц соответствует длина волны в 1 метр. Одна из особенностей ультразвука проявляется при его излучении. Из теории дифракции волн, и в частности акустических, известно, что если размеры излучателя велики по сравнению с длиной волны, то звук излучается в виде узкого пучка, а если малы, то распространяется во все стороны. Следовательно, чем короче звуковая волна, тем легче создать направленный пучок звука. Другие особенности ультразвука проявляются во время его распространения. В частности, известно, что ультразвуковые волны значительно больше, чем волны звукового диапазона, подвержены влиянию различных оказавшихся на их пути предметов. Если длина волны звука близка к линейным размерам таких препятствий, то звук отражается от них, изменяя направление своего движения. В том же случае, когда длина волны звука во много раз больше размеров препятствий, он распространяется свободно и без искажений. Другие, более частные особенности ультразвука будут рассмотрены в главе "Три звена звуковой связи".