Опубликовано: 26.04.2019  
   

Интерференция, принцип суперпозиции, стоячие волны, биения, эффект Доплера.

В прошлой статье мы рассмотрели такие понятия, как рефракция, дифракция, рассеяние и узнали как изменяются звуковые волны при взаимодействии с отражающей поверхностью.

Сегодня мы поговорим об интерференции звуковых волн, принципе суперпозиции, про стоячие волны, биения, а также про эффект Доплера.

Интерференция и принцип суперпозиции

В окружающей среде распространяются зачастую несколько различных звуковых волн (например, гитара и вокал, речь и шум и т. д.). Но каждый звук слуховая система отчётливо различает.

А происходит это благодаря принципу суперпозиции. Звуковые волны, которые проходят через определённую точку среды, создают результирующее колебание, равное геометрической сумме колебаний, вызванных каждой волной в отдельности. То есть молекула воздуха участвует сразу в нескольких колебательных процессах. Например, одна волна смещает её в одну сторону, другая — в противоположную. В итоге молекула останется на месте. Это результат суммы этих колебаний.

Этот принцип сложения волн действует только при малых амплитудах (в линейной среде), и приводит к тому, что звуковые волны распространяются через среду независимо, как бы проходя друг через друга.

В результате создаётся сложное звуковое поле, которое зависит от соотношения амплитуд, частот и фаз составляющих звуковых волн.

Сложение волн от двух и более когеретных (согласованных по времени колебательных процессов, приводящих к созданию одинаковых по направлению, частоте и имеющее сдвиг фаз во времени) источников, при котором образуется устойчивое пространственное распределение амплитуды и фазы результирующей волны, называется интерференцией.

При интерференции, как мы уже поняли, происходит сложение волн. При интерференции двух когеретных гармонических волн образуется устойчивая интерференционная картина. В тех точках, где две пришедшие волны имеют одинаковые амплитуды в одинаковой фазе будет сложение колебаний (образуется максимальная суммарная амплитуда). И наоборот, где встречаются две противоположно направленные образуется ноль суммарной амплитуды.

Можете проделать простой эксперимент. Взять любой звук и поменять в нём фазу. А затем создать в проекте две дорожки. На одной из них будет первый вариант, а на второй с изменённой фазой. При этом оба аудиофайла должны начинаться точно в одно и то же время. Когда вы воспроизведёте этот проект вы ничего не услышите, так как они находятся полностью в противофазе, что и соответствует нулю (отсутствию звука).

Если волны некогерентны и разность фаз между ними быстро и беспорядочно меняется, то интерференционная картина будет размазываться.

 

Стоячие волны

С интерференцией, т. е. со сложением волн одинаковой частоты и амплитуды, тесно связаны «стоячие волны».

Звуковая волна, когда встречает на своём пути перпендикулярную твердую поверхность (например, стену), отражается от неё и возвращается по тому же самому пути. Две волны, которые отразились от стены и движутся в противоположные стороны при сложении способны производить так называемые стоячие волны. Они окрашивают звук новыми гармониками (тем самым изменяя тембр звука).

Красным цветом (ноль суммарной амплитуды — противофаза), желтым — сложение волн (усиление звука).

Например, если встать в прямоугольном помещении точно посередине комнаты, то вы можете услышать, как изменился звук (чаще всего в худшую сторону). Кроме этого, если длина волны кратна длине помещения, то фазы у отраженной волны и прямой совпадают. В результате происходит их (сложение) взаимное усиление. А учитывая, что таких отражений от стен в прямоугольном помещение несколько, то происходит многократное усиление громкости звука. Возникает воздушный резонанс.

Стоячие волны очень важны в практике работы со звуком. Так как они окрашивают звук и не позволяют делать сведение проектов качественным. Вы не слышите «чистый» звук. Вот почему акустическое оформление помещения является очень важным этапом в проектирование студии звукозаписи.

 

Биения

Это периодические изменения амплитуды колебания, которые происходят при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами.

Например, 400 и 402 Гц. Эти два сигнала будут восприниматься нашей слуховой системой как единый сигнал с частотой равной среднему значению этих двух частот и изменением амплитуды равной разности частот. Кстати, предел в котором мы воспринимаем два сигнала как один равен 15 Гц и меньше.

Биения очень важны при записи свободно интонирующих инструментов (скрипка, вокал, тромбон и т.п.). Если в сумме много нечистых тонов, то эта грязь уёдет вверх (инфразвук) — может колебаться уровень громкости, который будет периодически уходить в «пик» (красную зону), хотя громкость не будет очень высокой. А также часть уйдет вниз, что дополнительно будет перегружать низ (например, может звучать полная каша, если бочка и бас не строят между собой).

Биения при прослушивании в концертном зале не так сильно заметны, как при записи в студии. Поэтому проверяйте строй музыкальных инструментов при их записи.

 

Эффект Доплера

Когда мы слушаем музыку, мы отчётливо слышим высоту (частоту), которую излучает источник. Без этого мы бы не смогли её слушать.

Однако, когда источник или тот кто слушает движутся относительно друг друга всё меняется. В 1845 году этот эффект был открыт австрийским учёным Доплером.

Суть его в следующем. Источник звука создаёт определённое количество колебаний (частота). Мимо слушателя проходит такое же количество волн (сжатий и разряжений). Но если слушатель движется навстречу источнику, то в секунду он встречает больше зон сжатия и разряжения. Тем самым он воспринимает более высокую частоту и слышит более высокий тон. Такая же картина, когда вы, например, стоите на пироне и приближается поезд. Его гудок при приближении воспринимается выше, чем он есть на самом деле.

Когда же источник (или слушатель) удаляются, число звуковых волн в секунду уменьшается. Следовательно, высота тона падает.

Сегодня существует много плагинов, которые позволяет создавать различные эффекты приближения и удаления звука. Например, пакет Waves — Doppler:

Эффект Доплера важен при проектировании акустических систем. Низкочастотный громкоговоритель может создавать смещения высокочастотного, меняя высоту тона для слушателя. Это будет создавать «плавание звука», с которым борются различными конструктивными методами.

Данный эффект применяется не только в акустике, но и в оптике, радиолокации, астрономии, радиоэлектронике.

Спасибо, что читаете New Style Sound. (RSS-лента). Подписывайтесь и делитесь статьями с друзьями.

Похожие записи

Рассказать о New Style Sound друзьям:

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.