Приборы для звукозаписи - Приборы частотной коррекции / Приборы, основанные на временной задержке сигнала

Приборы для звукозаписи - Энхансеры и эксайтеры, Ламповые Амплиффер-моделлеры и комбо-эмуляторы, Дизиринг-процессоры

Приборы для домашней и студийной звукозаписи - Компрессор, Многополосный компрессор, Нормалайзер, Максимайзер, Дээссер.

Клиппинг (англ. Clipping — обрезание, срезывание, стрижка) — форма искажения звука. Клиппинг выражается в ограничении амплитуды сигнала при превышении выходным напряжением усилителя лимита напряжения питания.
На осциллографе выглядит как обрезание верхушек синусоидного сигнала. Субъективно выражается в возрастании громкости звука, появлении "шипения" и "треска".

Звук, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальным органом чувств человека и животных.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 25 000 Гц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше до 1 МГц — ультразвуком, от 1 МГц до 10 МГц — гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетичиские, речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь, и музыкальные звуки, из которых состоит музыка.

Понятие о звуке
Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.


Физические параметры звука
Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент  и добротность (Q). Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через , то

S = 1/. Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания :  = T/

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы. При частотах воздействия, значительно меньших резонансных, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды  на скорость (с) распространения в ней ультразвуковых волн. Z = •c Удельное акустическое сопротивление измеряется в Па•с/м (см) или дин•с/см3 (СГС); 1 Па•с/м = 10-1 дин • с/см3. Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с•см2, причём 1 г/с•см2 = 1 дин•с/см3. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн. Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц: P = 2fcA. где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления); f — частота; с — скорость распространения ультразвука;  — плотность среды; А — амплитуда колебания частиц среды. На расстоянии в половину длины волны (/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на /2 пути распространения волны, равна 2Р. Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м2). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см2; 1 дин/см2 = 10-1Па = 10-1Н/м2. Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98o106 дин/см2 = 0,98o105 Н/м2. Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 106 дин/см2. Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак. Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением: a = 2A = (2f)2 A Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях — ультразвуковых весах.

Слух — способность воспринимать звуки; специальная функция слухового аппарата, возбуждаемая звуковыми колебаниями окружающей среды, например, воздуха или воды. Одно из классических пяти чувств, называемое также акустичеcким восприятием.

Принято считать, что человек способен слышать звук в пределах от 16 Гц до 20 кГц. Именно эти волны имеют важнейшее биологическое значение. Так, например, зву­ковые волны в диапазоне 300—4000 гц соответствуют человеческому голосу. Звуки же выше 20 000 гц имеют малое практическое значение, так как быстро тормозятся; а колебания ниже 20 гц воспринимаются благодаря тактильному и вибраторному чувству. Диапазон частот, которые способен слышать человек, называется слуховым или звуковым диапазоном; более высокие частоты называются ультразвуком, а более низкие — инфразвуком.

Впрочем, способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности. Отдельные личности способны воспринимать звук до 22 кГц, а возможно — и выше.

Некоторые животные могут слышать ультра- и/или инфразвук. Летучие мыши во время полёта используют ультразвук для эхолокации. Собаки способны слышать ультразвук, на чём и основана работа беззвучных свистков. Существуют свидетельства того, что киты и слоны могут использовать инфразвук для общения.

Человек может различать несколько звуков одновременно благодаря тому, что в ушной улитке одновременно может быть несколько стоячих волн.

Слух проверяют с помощью специального устройства или компьютерной программы под названием «аудиометр».

« Удовлетворительно объяснить феномен слуха оказалось необычайно сложной задачей. Человек, представивший теорию, объяснявшую бы восприятие высоты и громкости звука, почти наверняка гарантировал себе Нобелевскую премию.»

Артур Ребер. (A. S. & E. S. Reber, The Penguin Dictionary of Psychology (3rd Edn., 2001))

Психофизиология

У человека, как и у большинства млекопитающих, слуховым органом является ухо. Многие другие животные также обладают слухом благодаря аналогичным ушным органам или даже комбинации различных органов, которые могут значительно отличаться своим строением.

Слуховые следы, слияние слуховых ощущений.

Опыт доказывает, что вызываемое каким-нибудь коротким звуком ощущение длится некоторое время в виде следа уже по прекращении внешнего вызвавшего его толчка. Поэтому два достаточно быстро следующих друг за другом звука дают одиночное слуховое ощущение, являющееся результатом их слияния. Но слуховые следы оказываются более кратковременными, нежели зрительные: в то время как последние сливаются уже при десятикратном повторении в секунду, для слияния слуховых ощущений требуется повторение их не менее 130 раз в секунду. Другими словами, световой след длится 1/10 сек., тогда как слуховой около 1/130 секунды. Слияние слуховых ощущений имеет огромное значение в чёткости восприятия звуков и в вопросах о консонансе и диссонансе, играющих такую огромную роль в музыке.

Проецирование наружу слуховых ощущений.

Как бы ни возникали слуховые ощущения, мы относим их обыкновенно во внешний мир, и поэтому причину возбуждения нашего слуха мы всегда ищем в колебаниях, получаемых извне с того или другого расстояния. Эта черта в сфере слуха выражена гораздо слабее, нежели в сфере зрительных ощущений, отличающихся своей объективностью и строгой пространственной локализацией и, вероятно, приобретается также путём долгого опыта и контроля других чувств. При слуховых ощущениях способность к проецированию, объективированию и пространственной локализации в сфере слуха не может достигнуть столь высоких степеней, как при зрительных ощущениях. Виной этому особенности строения слухового аппарата, например, такие как недостаток мышечных механизмов, лишающий его возможности точных пространственных определений. Известно то огромное значение, какое играет мышечное чувство во всех пространственных определениях.

Суждения о расстоянии и направлении звуков.

Наши суждения о расстоянии, на котором издаются звуки, являются весьма неточными, в особенности при завязанных глазах, когда не видишь источника звуков. Это в особенности относится к неизвестным нам звукам; знакомые же звуки представляются нам тем более близкими, чем они громче, и наоборот. Опыт показывает, что мы менее ошибаемся в определении расстояния шумов, нежели музыкальных тонов. Относительно суждения о направлении звуков, то и эта способность оказывается у человека ограниченной; не имея подвижных и удобных для собирания звуков ушных раковин, он в сомнительных случаях прибегает к движениям головы и ставит её в положение, при котором наилучше различаются звуки, и локализирует звук в том направлении, с которого он слышится сильнее и яснее.

Известно два механизма, при помощи которых можно различить направление звука:

• Ветвистые нейроны способны различать временные задержки между приходом звуковых волн в правое и левое ухо. (Порядка 10 мкс.)
• Для высоких частот, таких, что длина звуковой волны меньше, чем размер головы слушающего, звук, достигающий ближнего уха, имеет бо́льшую интенсивность.

Причём первый механизм имеет больший вес, чем второй.

Оба эти механизма плохо работают в воде, так как скорость звука в ней намного больше, чем в воздухе.

Cила звука (относительная) — устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Примерно такую же ситуацию мы наблюдаем для силы света (единица — кандела) — величины, подобной силе излучения (единица — ватт на стерадиан).

Сила звука измеряется по относительной шкале от порогового значения, которому соответствует интенсивность звука 1 пВт/м2 при частоте синусоидального сигнала 1 кГц и звуковом давлении 20 мкПа. Сравните это определение с определением единицы силы света: "кандела равна силе света, испускаемого в заданном направлении монохроматическим источником, при частоте излучения 540 ТГц и силе излучения в этом направлении 1/683 Вт/ср".

В настоящее время термин "сила звука" вытеснен термином "уровень громкости звука".

Давление звука, давление звукового излучения — постоянное давление, испытываемое телом, находящимся в стационарном звуковом поле; единица измерения — паскаль (Па).

Давление звука возникает за счёт передачи телу части импульса звуковой волны и пропорционально плотности звуковой энергии. Не следует путать давление звука со звуковым давлением.

Удельное акустическое сопротивление упругой среды — величина, равная отношению амплитуды звукового давления в среде к колебательной скорости её частиц при прохождении через среду звуковой волны:

Z_{s =} P₀/v

Единица измерения — паскаль-секунда на метр (Па•с/м).

Удельное акустическое сопротивление можно рассчитать через плотность среды ρ и скорость звука c в ней:

Z_S = ρc

Например, для сухого воздуха при 15 °C и стандартном атмосферном давлении ρ = 1.225 кг/м³, c = 340.3 м/с. Таким образом,

Z_S = 417 Па•с/м.

Интенсивность звука (абсолютная) — величина, равная отношению потока звуковой энергии dP через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звука, к площади dS этой поверхности:

I = dP / dS

Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Интенсивность звука может быть выражена через амплитуду звукового давления p₀ и колебательную скорость v:

I = p₀v/2 = v²Z_s/2 = p₀²/Z_s

где Z_S — удельное акустическое сопротивление среды.