В этой статье мы постараемся объяснить сложное простыми словами, разложить по полочкам то, о чём Вы спрашиваете у интернетов.
Звук – механическая волна, представляющая собой сменяющее друг друга увеличение и уменьшение плотности давления частиц в среде по отношению к атмосферному давлению. В узком смысле под звуком понимаются волны, которые способны восприниматься органами чувств человека (органами слуха и осязания).
Как звуковая волна работает в динамиках? Диффузор начинает своё движение вперёд - давление перед ним повышается. Когда диффузор идёт назад, давление уменьшается. Эти колебания и являются механической волной малой амплитуды. Малой, т.к. давление, создаваемое звуковой волной будет всё равно ниже, чем атмосферное давление.
Для лучшего понимания звуковую волну изображают в виде гармонических колебаний:
Самые важные характеристики звуковой волны:
- Частота,
- Амплитуда,
- Период (время полного цикла звуковой волны),
- Скорость распространения. Зависит от плотности среды и температуры воздуха. Этот параметр важно учитывать при построении звуковой сцены в автомобиле, т.к. влажность, температура воздуха влияют на скорость распространения звука.
- Длина волны.
Разберём отдельно характеристики, которые наиболее важны для настройки звуковой сцены в автомобиле.
1. Характеристика звуковой волны. Частота.
Частота – количество звуковых волн за 1 секунду в течение одного цикла. Общепринятое обозначение частоты звука – Герц (Гц, Hz). Звуковые колебания открыл Генрих Герц, учёный в области электродинамики в далёком XIX веке, хотя официально название было утверждено лишь в 1930 году Международной электротехнической комиссией.
Чем больше колебаний среды (чаще воздуха), тем выше частота, тем выше звук. Так, если в 1 секунду проходит три звуковых волны, это значит, что частота звука 3 Hz. Человеческое ухо способно различить частоту от 20 до 20 000 Hz. Кошки слышат в диапазоне от 10 до 200 000 Hz, собаки 40 – 60 000 Hz.
В автозвуке выделяют низкие, средние и высокие частоты.
Низкие частоты – любимые многими басы. Сабвуферы звучат на частоте от 20 до 250 Гц. Создают ощущение глубины звука, его мощи.
Средние частоты – это звуковые колебания в диапазоне 250-3500 Гц. В автозвуке на такой частоте играют Midrange динамики, они же среднечастотные динамики, они же среднечастотники. Именно этот диапазон считается комфортным для человеческого уха. Средние частоты – это большинство вокальных и инструментальных звуков. Динамик, в зависимости от формы будет воспроизводить разный частотный диапазон. Если диффузор конусный, то частота составит от 300 Гц до 3 500. Если же диффузор купольный, то частота будет выше – от 700 до 3 000 Гц. Также в автозвуке выделяют низкочастотные динамики. Называют их мидвуфером (Midwoofer) или мидбасом (midbass). Играют на диапазоне от 200 до 600 Гц.
Высокие частоты дают детализацию звуку, прибавляют чёткости, яркости и воздушности. Диапазон от 2 000 до 20кГц. В автозвуке за воспроизведение на указанных частотах отвечают твитеры.
2. Характеристика звуковой волны. Амплитуда и громкость.
Амплитуда звуковой волны – это максимальное отклонение звуковой волны от положения равновесия (нуля). Другими словами, это мера того, насколько сильно колеблется воздух или другая среда при прохождении через него звуковой волны.
Амплитуда определяет громкость звука: чем больше амплитуда, тем громче звук.
Порог слышимости рассчитывается по формуле:
Io=10Вт-12/м2
Формула для болевого порога будет выглядеть так:
I=10Вт/м2
Человеческое ухо слышит звуки, интенсивность волны которых лежит в диапазоне с двенадцатью нолями. При этом громкость – нелинейная величина. Чтобы человеческое ухо определило, какой звук громче, он должен быть громче на несколько порядков. Так для раскрытия темы мы переходим к понятию уровня громкости, который выражается в десятичной логарифмической единице, имя которой Децибел (дБ).
Ноль децибел равен порогу слышимости, то есть
0дБ =10Вт-12/м2
Чтобы нам прибавить в мощности 10 децибел, нужно увеличить интенсивность звука в 10 раз! Формула 10 децибел будет выглядеть так:
10 дБ =10Вт-11/м2
20 дБ =10Вт-10/м2
120 дБ =10Вт/м2
Уровень звука более 120 дБ наносит нашему организму вред.
3. Характеристика звуковой волны. Фаза.
Фаза звуковой волны - одно из ключевых понятий в акустике, определяющее смещение или отставание колебаний во времени. Фаза определяет момент начала колебаний и их положение в определенный момент времени. В автомобильной аудиосистеме это может быть разница во времени поступления звука между левым и правым динамиками, выходом сабвуфера и среднечастотного динамика или выходом кроссовера относительно исходного сигнала.
Обсудим, что такое смещение фазы.
Волна на графике изображается идеально ровной синусоидой. Её движение начинается с 0 градусов, достигает пика давления в значении 90 градусов, идёт на спад и достигает пика разряжения в 270 градусах. 360 градусов – это полный цикл движения звуковой волны.
Цикл движения волны можно представить в виде круга.
Мы знаем, что через ¾ всего цикла волна будет на пике разряжения, а нам нужно, чтобы фаза была на пике давления, для этого нужно перевернуть фазу на 180 градусов. Тогда получится вот такой график.
Если же нам нужно сместить пик давление на ¼, то график будет выглядеть вот так:
Важно отметить, что фаза может быть как положительной, так и отрицательной, что соответствует противоположным направлениям колебаний - фазе и противофазе.
Противофаза – это фаза гармонического колебания, в которой значение амплитуды противоположно значению другой фазы внутри периода.
Возьмём сабвуферный динамик Recoil RW8D2, который играет на 80 Гц и мидбасовые динамики Recoil RAM65, играющие на той же громкости, но со смещённым пиком давления на 180 градусов. При сопоставлении двух гармонических колебаний мы получим противофазу и выглядеть она будет вот так:
Результирующая фаза колебаний – это фаза, которая возникает при сложении двух гармонических колебаний. 2 волны в противофазе компенсируют разницу в давлении практически полностью.
Существует также понятие синфазы, когда колебания имеют одинаковую фазу. В данном случае волны будут усиливать друг друга, что приводит к увеличению амплитуды звука. Например, при совпадении фазы звуковых волн в разных каналах аудиосистемы мы получаем более глубокое и насыщенное звучание.
Значение фазы в автозвуке:
- Согласованность звучания. Поскольку источники звуковых волн находятся на разном расстоянии и на пути движения звука есть препятствия (элементы интерьера авто), волны доходят до слушателя не одновременно. Это приводит к несогласованному звучанию — сдвигу фазы.
- Гармоничность звучания. Если настроить синфазность всех звуковых волн, то получится сглаженное и гармоничное звучание.
- Визуализация звуковой сцены. Например, если водитель сидит ближе к динамикам с левой стороны автомобиля, то он будет слышать их раньше, чем с правой стороны. Эта разница в фазе приводит к сжатию звуковой сцены в направлении левой стороны автомобиля.
Существует понятие биения. Возьмём две волны близкие по частоте, например, 80 Гц и 83 Гц. В каких-то точках пики давления и разряжения будут совпадать, а в каких-то нет, что приведёт к тому, что волна будет то затухать, то усиливаться. На практике это выражается в гуле. Для устранения эффекта биения нужно сместить фазу. Например, с помощью процессора, который позволяет изменять фазу от 0 до 360 градусов.
Большинство усилителей для автозвука оснащены регулятором фазы, который позволяет настраивать диапазон отставания звуковых волн. Регулятор можно выставлять в диапазоне от нуля градусов (задержка полностью отсутствует) до 180 градусов (максимально возможное расхождение).
Также фазу можно сместить физическим смещением динамика, что в автомобиле не всегда возможно реализовать.
Если у Вас остались вопросы, Вы можете проконсультироваться со специалистами Recoil у нас на сайте или в ВК.
До новых встреч!