Вынужденные колебания в акустических системах.

Если между двумя деревьями натянуть проволоку, то можно убедиться, что как бы она ни была натянута, мы получаем очень слабый, можно сказать, никудышный источник звука. Это объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, у проволоки, как и у любой струны, мала площадь поверхности: это Вам не барабан. Во-вторых, если струна или проволока, отклоняясь при колебаниях, одной своей стороной теснит воздух и создает зону сжатия, то противоположная сторона создает зону разрежения; возникают две волны, в которых колебания – в противофазах. Такие две волны при интерференции ослабляют друг друга почти до нуля практически во всем окружающем пространстве.

Наши голосовые связки сами по себе тоже очень слабый источник звука по тем же двум причинам. К тому же они находятся где-то в глубине нашего «Я».

Струна звучит, когда она – часть музыкального инструмента. При этом излучателями звука являются поверхности корпуса и воздух, заполняющий полости инструмента. Свободные колебания с линейчатым спектром, возникающие в струне если ее, например, ущипнуть, передаются корпусу. Колебания корпуса – это вынужденные колебания под воздействием переменной силы натяжения колеблющейся струны. Ну, а колебания воздуха в полостях инструмента – это вынужденные колебания, вызванные колебаниями в корпусе.

А теперь рассмотрим технологию произнесения гласных звуков. В голосовом аппарате связки, натяжение которых – в подчинении центральной нервной системы, начинают совершать колебания при нашем выдохе. Их выводят из состояния равновесия турбулентные вихри с непрерывным акустическим спектром, но благодаря явлению резонанса, в связках возбуждаются колебания на их собственных частотах u₁,u₂,… Эти красивые, но слабые звуки усиливаются опять-таки благодаря резонансу: резонирует воздух в полостях носоглотки. Через открытый рот выдыхаемый воздух, в котором возбуждены акустические колебания, сообщается с внешней воздушной средой, в которой возникают воздушные волны, достигающие ушей слушателя.

При шепоте голосовые связки расслабляются и бездействуют; частота произносимых звуков определяется в этом случае колебаниями воздуха на других препятствиях и резонансными частотами носоглотки.

При произнесении согласных связки не работают (например, «К» и «П») или работают вполсилы («М» и «Н»). Звуки с непрерывным спектром возникают в результате возникновения турбулентных вихрей на преградах, создаваемых на пути выдыхаемого воздуха языком, губами, зубами.

Мужской голос обычно ниже женского, так как у мужчин голосовые связки толще, длиннее и набор собственных частот их колебаний смещен в сторону низких частот. Голос мальчиков «ломается» в период их быстрого роста, когда гортань увеличивается и голосовые связки из детских – тонких и коротких – превращаются в мужские. Происходят изменения и в системе управления этим акустическим аппаратом. Но эти изменения могут отставать от текущих потребностей. В итоге приходится слышать то, что приходится слышать.

В духовых музыкальных инструментах технология получения звука такова: первичный звук создается с помощью губ музыканта или специального язычка и имеет непрерывный спектр. Из этого спектра получают развитие те частоты, которые совпадают с собственными частотами столба воздуха в полостях инструмента. На этих же частотах вынуждены совершать колебания стенки инструмента.

Если в ударных музыкальных инструментах звук появляется сразу и в готовом виде, то в остальных музыкальных инструментах и в нашем голосовом аппарате звук вызревает, проходя определенные стадии развития.

Как в голосовом аппарате, так и в музыкальных инструментах нет ничего лишнего и нет ничего такого, что можно бы радикально менять. Медленная эволюция голосового аппарата человека, похоже, благополучно завершилась. Эволюция музыкальных инструментов продолжается, но происходит очень медленно и осторожно. Изготовление элитных музыкальных инструментов было и остается в большей степени искусством, чем технологией.

Появляются ли новые музыкальные инструменты? Да, появляются. Например, саксофон – дитя двадцатого века. Инструмент, блестящий во всех отношениях, это инструмент новый, а не усовершенствованный старый.

Вообще, двадцатый век оказался очень щедрым на изобретения и открытия, и в частности в том, что касается звука. Возникли следующие новые направления:

l Техника преобразования звуковых колебаний в электрические и передачи звука на расстояние, сначала по проводам (телефон), а потом и без проводов (радиотехника).

l Техника звукозаписи и воспроизведения записей со сменой поколений звуконосителей: восковые валики, виниловые диски, магнитная лента, лазерные диски.

l Техника электронных синтезаторов звука.

Любое из подобных устройств (кроме устройств, работающих только на запись) имеет на выходе преобразователь электрических колебаний в звук. Остановимся кратко на особенностях таких источников звука.

Преобразования электрических колебаний в звуковые в электродинамических громкоговорителях (динамиках) происходит следующим образом. Электрический ток звуковых частот, усиленный до необходимых значений амплитуды с помощью усилителя, пропускается по виткам легкой катушки, находящейся в мощном магнитном поле постоянного магнита. Катушка соединена с мембраной или ее усовершенствованным аналогом – диффузором. На катушку с переменным током действует переменная сила Ампера, которая и является причиной вынужденных колебаний диффузора. Фактическим источником звука является диффузор.

Не будь явления резонанса, эта система работала бы безупречно: частота звуковых колебаний диффузора определялась бы частотой тока, протекающего по катушке, а амплитуда звуковых волн – амплитудными значениями тока.

Правда, при колебаниях диффузора, как и в случае со струной, возникают две волны. Волна, возбужденная задней, тыльной стороной диффузора, может ослаблять волну, излучаемую его передней поверхностью. Чтобы этого не происходило, можно было бы создать условия для поглощения колебаний «задней» волны, но нашелся более элегантный выход из положения: динамик помещают в корпус, с тем, чтобы «задняя» волна диффузора, отразившись от стенки корпуса, вернулась на диффузор. Глубина корпуса выбирается такой, чтобы фаза колебаний отраженной волны и фаза колебаний диффузора совпадали. «Задняя» волна, через явление акустического резонанса, из противника становится союзником.

Теперь посмотрим, какие неприятности возникают в этой системе в связи с явлением резонанса. Прежде всего, диффузор с закрепленной на нем катушкой имеет некоторую собственную частоту колебаний u₀. Она определяется массой этой системы, ее размерами, жесткостью материала. Чем крупнее диффузор, тем меньше его собственная частота u₀. Диффузор при своей работе совершает вынужденные колебания, отдавая предпочтение тем из них, частота которых равна или близка к u₀. Если спектр электрических колебаний в катушке динамика считать сценарием будущего звучания диффузора, то резонанс приводит к большим отступлениям от этого сценария в некотором диапазоне частот в окрестностях его собственной частоты колебаний u₀. Диффузор искажает спектр воспроизводимых частот, и эти искажения называются резонансными искажениями.

Резонансные искажения будут менее ощутимы, если собственная частота диффузора будет смещена к границам диапазона слышимых звуков 16 Гц – 20 кГц, поскольку чем ближе любая из этих границ, тем ниже острота нашего слуха. Но диффузор с низкой частотой u₀ – это диффузор больших размеров, а такие диффузоры плохо справляются с высокочастотными колебаниями. А маленький диффузор хорошо работает на высоких частотах, но плохо – на низких.

Недостатки крупных динамиков можно скомпенсировать достоинствами мелких, если они будут работать совместно по принципу разделения труда. В современных акустических колонках мы видим диффузоры разного калибра. Крупный диффузор работает на низких частотах, среднего размера – на средних, и один-два маленьких – на высоких частотах. Однако следует отдавать себе отчет, что эта мера снижает остроту проблемы резонансных искажений, но не снимает ее полностью.

Акустические колонки изначально задуманы как источники звука повышенного качества, а от динамика в составе кухонного репродуктора никто не ждет акустических изысков. Так вот, даже обсуждая качество звука элитных акустических колонок, мы должны вспомнить, что не диффузорами едино жива колонка. Есть в любой из них два важных элемента, тоже имеющих свои собственные частоты колебаний в слышимом диапазоне, и значит, готовых внести свой вклад в резонансные искажения. Речь идет о корпусе колонки и о воздухе, ее заполняющем.

Не будем погружаться в специфику этих дополнительных проблем. Ограничимся констатацией мнения специалистов, что эти проблемы могут быть сняты, если объем колонок будет не менее трехсот литров.

Что мы получаем, если хотим иметь акустическую колонку как источник звука, работающий без искажений? А получаем мы громоздкое сооружение, врожденные недостатки которого упорно не удается устранить.

Конечно, такой сундук или шкаф можно отделать ценными породами древесины, но все же складывается ощущение если не тупика, то кризисной ситуации.

Попробуйте высказать свои соображения по такому вопросу: что можно поручить компьютеру для минимизации искажений, возникающих при работе источников звука?

Может ли быть альтернатива динамикам, ставшим уже классическими? Вероятно, да. Появлялись сообщения о разработке плазменных «громкоговорителей» (название – то какое!)

Их возможный принцип действия: электрический разряд в воздухе, созданный высокочастотными колебаниями электрического напряжения, на которые наложены модулирующие электрические колебания звуковой частоты. Высокочастотная компонента должна создавать в ходе электрического разряда высокоионизированное состояние, которое в физике называется плазмой. Звуковая компонента электрических колебаний должна создавать в этой плазме колебания давления, которые мы и называем звуком.

Автор этих строк случайно имел возможность убедиться в жизнеспособности этого принципа. Однажды на радиостанции города Петропавловска-на-Камчатке произошла электрическая утечка с кабеля, идущего от радиопередатчика на мачту к передающей антенне. Возник слабо светящийся электрический разряд между кабелем и кем-то забытым ломом. Этот светящийся разряд заговорил чистым человеческим голосом: «Передаем последние известия». Все кинулись выдергивать лом из земли, потому что пока длился этот разряд, радиостанция вряд ли работала по прямому назначению.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: