Основные понятия общей и речевой акустики

1.  Основное понятие  акустики

1. Понятие общей (физической) акустики
2. Понятие речевой акустики

2.   Звук, как предмет  изучения акустики

3.   Частота колебаний,  сила и громкость звука

 

          Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основное понятие акустики

 

     Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот (1011—1013 Гц), их взаимодействия с веществом и разнообразные применения

     Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, медицину, гигиену, теорию музыки и другие.

     Акустика — одна из самых древних областей знания. Она возникла как учение о звуке, т. е. об упругих волнах, воспринимаемых человеческим ухом. Ещё Пифагор (VI в. до н. э.) обнаружил связь между высотой слышимого тона и длиной струны или трубы. Аристотель (IV в. до н. э.) понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения воздуха, и объяснил эхо отражением звука от препятствий. Леонардо да Винчи (XV—XVI вв.) исследовал отражение звука, сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн от разных источников. В конце XVII — начала XVIII вв. Галилео Галилей обнаружил, что звучащее тело испытывает колебания и что высота звука зависит от частоты, а интенсивность — от их амплитуды; скорость звука в воздухе впервые измерил французский учёный М. Мерсенн.

 

Основные направления  современной акустики:

• Общая (физическая) акустика — теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.
• Геометрическая акустика — раздел акустики, предметом изучения которого являются законы распространения звука. В основе лежит представление о том, что звуковые лучи — это линии, касательные к которым совпадают с направлением распространения энергии акустических колебаний.
• Архитектурная акустика — законы распространения звука в закрытых (полуоткрытых, открытых) помещениях, методы управления структурой поля и т. д.
• Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчёт конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).
• Психоакустика — основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа».
• Музыкальная акустика — проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке.
• Биоакустика — теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.
• Электроакустика — раздел прикладной акустики, занимающийся теорией, методами расчёта и созданием электроакустических преобразователей
• Аэроакустика (авиационная акустика) — излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях.
• Гидроакустика — распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.
• Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолётах, поездах, автомобилях и др.)
• Медицинская акустика — разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы)
• Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в том числе ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.
• Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах
• Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.
• Цифровая акустика — связана с созданием микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.

 

1. Понятие общей акустики

 

      Общая акустика изучает вопросы возникновения, распространения и поглощение звука. Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последние десятилетия охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). При этом она широко пользуется разнообразными методами превращения механические колебания, электрические и обратно. Применительно к звуковым колебаниям, число задач физической акустики входит и изучение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различимые на слух. Электроакустика, или техническая акустика, занимается получением, передачи, приемом и записью звуков при помощи электрических приборов. Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки и. т. д. При этом имеется в виду слуховое восприятие звука.

 

 

2. Понятие речевой акустики

 

   Речевая (от греч. ἀκουστικός — слуховой) — раздел общей акустики, изучающий структуру речевого сигнала, процессы речеобразования и восприятия речи у человека и связанный с разработкой систем автоматического синтеза и распознавания речи. Процесс речеобразования акустически состоит из двух относительно независимых этапов. Первый из них — возникновение звука в артикуляторном тракте — может реализоваться тремя способами: путём периодической модуляции голосовыми складками воздушного потока, подаваемого из легких (голосовой источник); генерацией шума турбулентными завихрениями того же воздушного потока в сужениях речеобразующего аппарата (шумовой источник); возбуждением звука путём скачкообразного изменения давления воздуха при резком раскрытии смычки в артикуляторном тракте (импульсный, или взрывной, источник). Второй этап речеобразования — формирование частотного состава возбуждённого звука в акустическом фильтре, образованном активными и пассивными артикуляторными органами, и излучение сформированного звука в пространство через рот и нос.

 В зависимости от типа источника возбуждения речевые звуки могут относиться к следующим классам: 1) голосовой источник — гласные и сонорные; 2) шумовой — глухие щелевые и аффрикаты; 3) импульсный — глухие взрывные; 4) голосовой совместно с шумным — звонкие щелевые и аффрикаты; 5) голосовой с импульсным — звонкие взрывные. При работе голосового источника спектр (частотный состав) звука носит дискретный (гармонический) характер. Самая низкая составляющая, соответствующая частоте смыкания — размыкания голосовых складок, называется основным тоном F₀. Частоты остальных дискретных составляющих голосовых звуков получаются умножением F₀ на целые числа и называются гармониками основного тона, интенсивность их падает с увеличением частоты. Шумовой и импульсный источники дают спектр сплошного вида.

  Речеобразующий тракт может рассматриваться как система акустических резонаторов, в которой могут усиливаться или подавляться отдельные составляющие возбуждённого звука. При этом формируется индивидуальное акустическое различие отдельных фонем. Классическая теория предполагает независимость работы механизмов возбуждения звука и резонансного формирования его фонемо-различительного облика. Резонансы, служащие для усиления спектральных составляющих излучаемого звука, называются формантами, служащие же для подавления (что характерно для носовых и назализованных) — антиформантами. Форманты нумеруются по их частоте от низких к высоким F_к (к = 1, 2, 3, ...; обычно только три). Обычно при аппаратурном анализе речевых сигналов за форманты принимаются выраженные максимумы в амплитудно-частотном спектре. Гласные звуки отличаются от сонорных, имеющих тот же гармонический характер спектра, большей общей интенсивностью (благодаря широкому раскрытию артикуляторного тракта) и большей выраженностью высоких формант. Как для гласных, так и для согласных характерно также противопоставление компактных и диффузных звуков по признаку большей или меньшей концентрации энергии в каком-либо участке спектра. Более тонкие различия звуков определяются конкретным положением формант или полос шумовых составляющих спектра, а также соотношением интенсивности спектральных составляющих звука.

  Помимо спектрального состава, акустически фонемные различия определяются и временно́й структурой звуков. Для взрывных звуков характерно наличие двух временны́х сегментов — стоп-паузы или звонкой смычки (т. е. отсутствия звука вообще или только голосового звука) и взрыва (срабатывает либо только импульсный источник, либо совместно с голосовым), для аффрикат — постепенное изменение спектра по мере расширения щели в артикуляторном тракте.

   В слитной речи реализуется непрерывный переход от одного артикуляторного уклада к другому, что приводит к непрерывному изменению акустической картины. С относительной достоверностью могут быть выделены стационарные и переходные участки. Последние характеризуют взаимодействие двух артикуляторных укладов и являются источником дополнительной информации о фонемах, взаимодействующих в потоке речи. В ряде случаев в потоке речи «стационарный» участок, характерный для изолированного произнесения звука, может вырождаться вплоть до полного исчезновения.

 

2. Звук как предмет изучения акустики

     Звук — физическое явление, психофизиологическое явление, представляющее собой восприятие механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые по отношению к тому, как они воспринимаются органами чувств животных и человека.

     Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек осознаёт колебания, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком.

     Восприятие посредством слуха создает акустическое пространство, центр которого в каждый данный момент находится там, где находится источник звука, — в отличие от визуального пространства, центром которого является каждый воспринимающий посредством зрения человек.

     Среди слышимых звуков следует особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

      Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

      Звук - это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах - газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Область физики, рассматривающая вопросы возникновения, распространения приема и обработки звуковых волн, называется акустикой. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука - лишь одна сторона акустики.

 

 

 

 

3. Частота колебаний, сила и громкость звука.

      Интенсивность звука. Громкость звука может быть различной. Нетрудно сообразить, что это связано с энергией, переносимой звуковой волной. Для количественных сравнений громкости нужно ввести понятие интенсивности звука. Интенсивность звуковой волны определяется как средний поток энергии через единицу площади волнового фронта в единицу времени. Иначе говоря, если взять единичную площадку (например, 1 см²), которая полностью поглощала бы звук, и расположить ее перпендикулярно направлению распространения волны, то интенсивность звука равна акустической энергии, поглощаемой за одну секунду. Интенсивность обычно выражается в Вт/см² (или в Вт/м²). Приведем значение этой величины для некоторых привычных звуков. Амплитуда избыточного давления, возникающего при обычном разговоре, составляет примерно одну миллионную атмосферного давления, что соответствует акустической интенсивности звука порядка 10-9 Вт/см². Полная же мощность звука, издаваемого при обычном разговоре, - порядка всего лишь 0,00001 Вт. Способность человеческого уха воспринимать столь малые энергии свидетельствует о его поразительной чувствительности. Диапазон интенсивностей звука, воспринимаемых нашим ухом, очень широк. Интенсивность самого громкого звука, который может вынести ухо, примерно в 10-14 раз больше минимальной, которую оно способно услышать. Полная мощность источников звука охватывает столь же широкий диапазон. Так, мощность, излучаемая при очень тихом шепоте, может быть порядка 10-9 Вт, тогда как мощность, излучаемая реактивным двигателем, достигает 105 Вт. Опять-таки интенсивности различаются в 10-14 раз.

      Децибел. Поскольку звуки столь сильно различаются по интенсивности, удобнее рассматривать ее как логарифмическую величину и измерять в децибелах. Логарифмическая величина интенсивности представляет собой логарифм отношения рассматриваемого значения величины к ее значению, принимаемому за исходное. Уровень интенсивности J по отношению к некоторой условно выбранной интенсивности J0 равен Уровень интенсивности звука = 10 lg (J/J0) дБ. Таким образом, один звук, превышающий другой по уровню интенсивности на 20 дБ, превышает его в 100 раз по интенсивности. В практике акустических измерений принято выражать интенсивность звука через соответствующую амплитуду избыточного давления Ре. Когда давление измеряется в децибелах относительно некоторого условно выбранного давления Р0, получают так называемый уровень звукового давления. Поскольку интенсивность звука пропорциональна величине Pe2, а lg(Pe2) = 2lgPe, уровень звукового давления определяется следующим образом: Уровень звукового давления = 20 lg (Pe/P0) дБ. Условное давление Р0 = 2*10-5 Па соответствует стандартному порогу слышимости для звука с частотой 1 кГц. В табл. 2 приводятся уровни звукового давления для некоторых обычных источников звука. Это интегральные значения, полученные усреднением по всему слышимому диапазону частот.

       Громкость. Уровень звукового давления не связан простой зависимостью с психологическим восприятием громкости. Первый из этих факторов объективный, а второй - субъективный. Эксперименты показывают, что восприятие громкости зависит не только от интенсивности звука, но и от его частоты и условий эксперимента. Громкости звуков, не привязанных к условиям сравнения, сравнивать невозможно. И все же сравнение чистых тонов представляет интерес. Для этого определяют уровень звукового давления, при котором данный тон воспринимается как равно громкий стандартному тону частотой 1000 Гц.

         Количество колебаний воздуха в секунду называется частотой звука. Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты: волны с малой частотой воспринимаются как низкие, басовые звуки, а волны с большой частотой - как высокие. Частота измеряется в Герцах (Гц): 1 Гц = 1 колебание в секунду; или килогерцах (кГц): 1кГц = 1000 Гц. Большинство людей от 18 до 25 лет реально способны слышать колебания воздуха с частотой от 20 до 20000 Герц (с возрастом верхняя граница восприятия уменьшается). Именно этот диапазон волн называется звуковым диапазоном. Кстати говоря, наши уши устроены таким образом, что когда мы слышим два звука, частоты которых относятся как 2:1, то нам кажется, что эти звуки близки друг к другу и при одновременном воспроизведении они для нас как бы сливаются. Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала высоты звуков, у которой одна и та же нота повторяется каждую октаву. То есть в натуральном звукоряде частоты одинаковых нот соседних октав соотносятся между собой, как 2:1. Частота волны обратно пропорциональна длине волны - отрезку на оси распространения волны, в котором умещается полный цикл (период) изменения плотности воздуха. Чем больше частота звука, тем меньше длина волны и наоборот. Длину волны очень легко вычислить по формуле l=C/f, где C - скорость звука (340 м/с), а f - частота звуковых колебаний. Например, волна, имеющая частоту 100 Гц, имеет длину 340/100=3.4 м.