Лекция №1 "Физика звука"

Конспект лекции №1

Слайд 1. Титульный Вводная лекция направления «Звук» Логика лекции: -что такое звук -громкость -частота -свойства волн -как воспроизвести, откуда взять -звуковой тракт и микшер. Слайд 2. Что такое звук Звук - это колебания давления в упругой среде: в воздухе, воде или твёрдом теле. Волна называется продольной, потому что частицы среды колеблются вдоль направления её распространения, и механической, потому что ей нужна среда - в вакууме звука нет. В воздухе при 20 °C звук распространяется со скоростью около 343 м/с. У волны три основные характеристики. - Амплитуда - это размах колебаний давления, мы воспринимаем её как громкость. - Частота - число колебаний в секунду, измеряется в герцах и воспринимается как высота тона. - Фаза - показывает, в какой точке цикла находится волна в данный момент; она становится важной, когда складываются несколько сигналов. Слайд 3. Как выглядит звуковая волна График показывает изменение звукового давления во времени в одной точке; Чистый тон - синусоида. - T - период, время одного полного колебания. Частота f = 1/T (T = 1 мс даёт 1 кГц). - P - отклонение от атмосферного давления, а не абсолютное давление. - Амплитуда - это расстояние от оси до вершины. Слайд 4. Наложение волн Когда в одну точку приходят несколько волн, их давления просто складываются - это принцип суперпозиции. Поэтому любой реальный звук представляет собой сумму множества синусоид с разными частотами, амплитудами и фазами. Соотношение основного тона и гармоник определяет тембр: именно из-за него одна и та же нота на гитаре и на синтезаторе звучит по-разному. На этом же принципе работают эквалайзер и анализатор спектра, которые имеют дело с отдельными частотными составляющими сигнала. Слайд 5. Звуковое давление (SPL) SPL - это уровень звукового давления. Он считается по формуле L = 20·lg(p / p₀), где p₀ = 20 мкПа - давление на пороге слышимости. Само звуковое давление измеряется в паскалях, а в dB SPL выражается его уровень относительно порога. Это объективная физическая величина, её измеряют шумомером или измерительным микрофоном. Полезно запомнить два ориентира: прибавка в 6 дБ означает, что давление выросло вдвое, а прибавка в 10 дБ субъективно ощущается примерно как «вдвое громче». Слайд 6. Громкость (dBA) Буква A в dBA означает A-weighting, по-русски говорят «децибел по шкале A». Фильтр A ослабляет низкие и самые высокие частоты, потому что человеческое ухо к ним менее чувствительно, и таким образом приближает показания прибора к тому, что мы реально слышим. Значения на шкале ориентировочные. К ним стоит добавить практическое правило: длительное воздействие выше примерно 85 дБА вредно для слуха, поэтому на концертах, где уровень достигает 100–110 дБА, лучше работать в берушах. Слайд 7. Относительная громкость (dB) Децибел без суффикса - это не абсолютная громкость, а отношение двух величин. На фейдере пульта отметка 0 dB означает, что сигнал проходит без изменения уровня. Всё, что ниже нуля - ослабление вплоть до −∞, когда канал полностью закрыт; значения от +5 до +10 dB - усиление. Шкала логарифмическая, поэтому деления на ней расположены неравномерно, и точнее всего регулировка получается около нуля. Эту шкалу не следует путать с dBFS на индикаторах цифрового пульта: там максимум равен нулю, а превышение приводит к искажениям (клиппингу). Слайд 8. Частота звука, АЧХ Частота определяет, насколько звук высокий или низкий. Условно диапазон делят на низкие частоты (20–250 Гц), средние (250 Гц – 4 кГц) и высокие (4–20 кГц). АЧХ, то есть амплитудно-частотная характеристика, описывает устройство воспроизведения сигнала - она показывает, как колонка, микрофон или весь тракт передаёт разные частоты. Доминирующие частоты самого сигнала смотрят на спектре, с помощью анализатора спектра. На картинке изображена АЧХ: по горизонтали отложена частота в логарифмическом масштабе, по вертикали уровень в децибелах. Идеальная АЧХ выглядит как ровная линия, а здесь заметен спад ниже примерно 100 Гц и выше примерно 15 кГц. Слайд 9. Слышимый диапазон Диапазон от 20 Гц до 20 кГц соответствует молодому здоровому слуху; с возрастом верхняя граница опускается до 14–17 кГц. Инфразвук мы не слышим, но можем ощущать телом, а ультразвук человек не воспринимает вовсе. Весь слышимый диапазон занимает около десяти октав, где октава - это удвоение частоты. Полезно представлять и длины волн: на 20 Гц это около 17 м, на 1 кГц - 34 см, на 20 кГц - всего 1,7 см. Отсюда важное практическое следствие: низкие частоты легко огибают препятствия и расходятся во все стороны, а высокие распространяются направленно и легко затеняются. Слайд 10. Свойства звука Звуковые волны отражаются от поверхностей, и эти отражения создают реверберацию и эхо, от которых зависит разборчивость звука в зале. Волны также интерферируют: если они приходят в фазе, то складываются и дают прибавку до 6 дБ, а если в противофазе - гасят друг друга. Поэтому так важна правильная расстановка колонок и микрофонов. Второе свойство - затухание на 6 дБ при каждом удвоении расстояния: если на расстоянии 1 м уровень равен 100 дБ, то на 2 м будет 94 дБ, а на 4 м - 88 дБ. Это правило точно выполняется для точечного источника на открытом пространстве; в помещении из-за отражений уровень падает медленнее. Слайд 11. Динамики колонок Динамик работает так: переменный ток течёт через катушку, находящуюся в поле постоянного магнита, катушка толкает диффузор вперёд и назад, а тот создаёт сжатия и разрежения воздуха, то есть звуковую волну. Динамический микрофон устроен так же, только работает в обратную сторону. Один динамик не способен воспроизвести весь диапазон частот, поэтому в колонке их обычно несколько - низкочастотный и высокочастотный, а самые низкие частоты отдают отдельному сабвуферу. Кроме того, колонке нужен усилитель мощности: в активной колонке он встроен, а для пассивной требуется внешний. Слайд 12. Источники звука Источники делятся на три группы: Микрофоны превращают акустический звук в электрический сигнал; Электронные инструменты - синтезаторы, электрогитары, бас-гитары - сразу выдают электрический сигнал и часто подключаются через DI-box. Компьютеры отдают звук через звуковую карту или аудиоинтерфейс. Важно, что уровень сигнала у этих источников разный: самый слабый - микрофонный, затем идут инструментальный и линейный. Именно поэтому на пульте есть предусилитель (регулятор gain), который приводит входы к одному рабочему уровню. Слайд 13. Схема звукового тракта Сигнал в тракте идёт в одну сторону: от источника к микшерному пульту и далее к колонке. Это главный принцип при поиске неисправностей - звенья проверяют по порядку. Слайд 14. Сигнал в тракте По кабелю передаётся не сам звук, а его электрический аналог - переменное напряжение, форма которого повторяет форму звуковой волны. Для соединений используют кабели с разъёмами XLR и jack; балансное подключение позволяет подавлять наводки на длинных линиях. В цифровом пульте сигнал на входе оцифровывается, обрабатывается в цифровом виде и на выходе снова превращается в аналоговый. Слайд 15. Что такое микшер Микшер решает три задачи: выравнивает уровни входных сигналов с помощью gain, обрабатывает каждый канал (эквалайзер, компрессор, панорама) и складывает всё в общий микс. Кроме основного выхода на колонки у него есть AUX-шины - отдельные миксы для мониторов и эффектов. Выражение «сбалансированный сигнал» или «сведённый сигнал» означает баланс громкостей в миксе; его не следует путать с балансным подключением кабелей. Цветные индикаторы у различных сигналов иллюстрируют их величину: красный уровень у барабанов означает перегруз, и убирают его регулятором gain, а не фейдером. По умолчанию индикация на пультах подразумевает градиент цветов от зеленого до красного, где зеленый - рабочий уровень сигнала, а желтый или красный - перегруженный.