Основные свойства звука

Источник звука.

Звук - распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твердых телах механические колебания, воспринимаемые ухом.

Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Как возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до полного прекращения колебаний

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое нами как звук.

Колебания воздуха, источником которых является колеблющееся тело, называют звуковыми волнами, а пространство, в котором они распространяются, звуковым полем.

Скорость распространения звуковых колебаний зависит от упругости среды, в которой они распространяются. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры. В безвоздушном пространстве звук не распространяется.

При распространении звука, вследствие колебаний частиц среды, в каждой точке звукового поля происходит периодическое изменение давления. Среднее квадратичное значение величины этого давления, обозначаемое буквой P, называют звуковым давлением. За единицу звукового давления принята величина, равная силе в один ньютон (Н), действующей на площадь в один квадратный метр (Н/м2).

Чем больше звуковое давление, тем громче звук. При средней громкости человеческой речи звуковое давление на расстоянии 1м от рта говорящего находится в пределах 0,0064-0,64.

Звуковые колебания

Рис. 1.  График простого (синусоидального) колебания

Форма звуковых колебаний зависит от свойств источника звука. Наиболее простыми колебаниями являются равномерные или гармонические колебания, которые можно представить в виде синусоиды (рис. 1). Такие колебания характеризуются частотой f, периодом Т и амплитудой А.

Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.

Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот.

Рис. 2.  График звуковых колебаний при произношении звуков а, о и у.

Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.

Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, что видно на рис. 2, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.

Громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Высота тона определяется частотой колебания. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, низкой частоты - как звуки низкого тона (рис. 3).

Рис. 3. Два музыкальных тона одной высоты и разной громкости (а) и одинаковой громкости, но разной высоты (б).

Тембр звука

Негармоническое периодическое воздействие с периодом Т равносильно одновременному действию гармонических сил с различными частотами, а именно с частотами, кратными наиболее низкой частоте n=1/T.

Это заключение является частным случаем общей математической теоремы, которую доказал в 1822 г. Жан Батист Фурье. Теорема Фурье гласит: всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, T/2, T/3, T/4 и т.д., т.е. с частотами n=(1/T), 2n, 3n, 4n и т.д. Наиболее низкая частота n называется основной частотой. Колебание с основной частотой n называется первой гармоникой или основным тоном (тоном), а колебания с частотами 2n, 3n, 4n и т.д. называются высшими гармониками или обертонами (первым - 2n, вторым - 3n и т.д.).

Каждый звук, издаваемый различными музыкальными инструментами, голосами различных людей и т.п., имеет свои характерные особенности - своеобразную окраску или оттенок. Эти особенности звука называют тембром. На рис. 4 показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом для одной и той же ноты. Осциллограммы показывают, что период у обоих колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по своей форме и, следовательно, различаются своим гармоническим составом. Оба звука состоят из одних и тех же тонов, но в каждом из них эти тоны - основной и его обертоны - представлены с разными амплитудами и фазами.

Рис. 4. Осциллограммы звуков рояля и кларнета.

Для нашего уха существенны только  частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т.е. тембр звука определяется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени никак не воспринимаются на слух, хотя и могут очень сильно менять форму результирующего колебания.

На рис. 5 изображены спектры тех звуков, осциллограммы которых показаны на рис. 4. Так как высоты звуков одинаковы, то и частоты тонов - основного и обертонов - одни и те же. Однако амплитуды отдельных гармоник в каждом спектре сильно различаются.

Рис. 5. Спектры звуков рояля и кларнета

Нелинейность слуха

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение. Таким порогом слышимости являются стандартизованная интенсивность звука I₀=10...12 Вт/м² (близкая к порогу слышимости при f=1000 Гц в тишине), а также соответствующие ей звуковое давление p₀=2*10^-5 Па и плотность звуковой энергии e₀3*10^-15 Дж/м³. Порог слышимости является частнозависимым. Выше порога слышимости расположена область слышимости. На рис. 6 показана кривая порога слышимости. Там же показан и верхний порог слышимости, выше которого может наступить разрушение органа слуха - болевой порог, которому соответствует давление p_max=150...200 Па, что превосходит величину p₀=2*10^-5 Па в 107 раз.

Рис. 6. Кривые, ограничивающие область слышимости

В таблице 1 приведены измеренные величины уровня громкости L_G и громкости G для некоторых источников звука и градация громкости в музыкальных программах.

Таблица 1.

Чтобы снизить субъективные нелинейные искажения, следует не увлекаться чрезмерно громким звучанием, применять все компоненты аудиосистемы с достаточно линейными амплитудными характеристиками, применять компоненты как можно более широкополосные, особенно в сторону низких частот.

Разрешающая способность

Хорошо известно, что частотный диапазон слуха простирается от 16 до 20000 Гц. Слуховая память позволяет удерживать до нескольких сотен градаций частоты. Их число уменьшается с понижением интенсивности звука. Поэтому среднее число градаций не более 150. Устройство органа слуха часто уподобляют цепочке резонаторов, настроенных на определенные полосы частот. Такая модель показывает хорошее приближение к устройству и результатам действия реальной слуховой улитки, в которой расположена базилярная мембрана, содержащая свыше 20000 осязающих волокон, которые передают возбуждающее воздействие через нервные окончания в слуховой центр мозга, где и происходит обработка полученных сигналов, вследствие чего слушатель воспринимает (субъективно) образовавшийся слуховой образ. Если слуховая память уже содержит предваряющую эмпирическую информацию о подобном или близком слуховом образе, то мозг идентифицирует ее как знакомую, идентичную или тождественную.

Частотную разрешающую способность слуха обеспечивают полосы пропускания, образованные специфическим устройством органа слуха. Их называют критическими полосками, иногда - частотными группами. Всего таких полосок 24. Поэтому считается, что слух как бы превращает широкополосный звук со сплошным спектром частот в дискретный, т.е. состоящий из конечного числа составляющих, соответствующих включенным в работу числу критических полосок. Ранее было отмечено, что разрешающая способность слуха по амплитуде составляет несколько сот ступеней ощущения.

Таким образом, совокупная разрешающая способность слуха по амплитуде и частоте в пределах области слышимости, ограниченной снизу порогом слышимости, а сверху - болевым порогом, составляет около 22000 элементарных градаций звуковых ощущений. Своего рода четкость звукового изображения. Заметим для справки, что число градаций зрительных ощущений составляет около 600000.

Как было отмечено, орган слуха имеет 24 критические полоски, определяющие дискретную избирательность слуха и его разрешающую способность по частоте. если среднее число ощущаемых градаций по частоте около 150, то максимальное может доходить до 620 при высокой интенсивности звука.

При уровне звукового давления L_P=70дБ на частотах менее 500 Гц слышны отклонения частоты тона на 1,8 Гц; выше же 500 Гц слышны отклонения порядка 0,35% от частоты тона. Частота тона является параметром раздражения органа слуха. Субъективным параметром ощущения частоты тона является высота тона. До частот 500 - 1000 Гц изменения частоты тона (раздражение) и высоты тона (ощущение) описывается логарифмическим законом, выше частоты 500 - 1000 Гц связь раздражения и ощущения все более отличается от логарифмической зависимости

Различия в тембрах определяются преимущественно низко- и среднечастотными составляющими звучаний инструментов. Большое разнообразие и богатство тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона, тем более, что в музыке основные тоны выше 1 кГц используются редко.

Общие сведения о записи

Под процессом записи понимают преобразование сигналов в пространственное изменение состояния или формы некоторого физического тела (носителя записи) с целью сохранения в нем информации для последующего ее извлечения (получения). Информацию, сохраняемую в носителе записи, называют записью. Носитель записи, содержащий информацию, полученную в процессе записи, называют фонограммой.

За столетие, прошедшее с момента возникновения первых идей записи звука, были предложены десятки способов записи. Одними из них являются: механический (грамзапись), фотографический, магнитный, лазерный и т.д.

Процесс механической записи состоит из нескольких этапов. первичную запись ведут на диск из аморфной меди или на дюралюминиевый диск, покрытый лаковым слоем (так называемый лаковый диск). Записывающий элемент - острие резца рекордера перемещается механизмом в радиальном направлении - от края к центру - и вырезает в меди или лаковом слое спиральную канавку. Помимо поступательного перемещения в радиальном направлении резец в соответствии с записываемым сигналом совершает колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В результате изменяются ширина и глубина канавки. С медного или лакового диска гальваническим путем снимают копию, в которой углублениям канавки соответствуют выступающие борозды. Эта копия используется как матрица при прессовании или штамповке пластмассовых грампластинок. Сигналы, записанные на грампластинках, воспроизводят с помощью электропроигрывающего устройства (ЭПУ).

В качестве носителя записи при фотографической записи используют светочувствительный носитель - прозрачную пластмассовую основу в виде ленты, покрытую светочувствительным слоем. Фонограмма образуется в результате фотографического процесса. Под воздействием записываемого сигнала изменяется световой поток, попадающий на движущийся носитель. Киноленту проявляют, промывают, закрепляют, сушат. С полученного негатива снимают позитивную копию и повторяют перечисленные фотохимические процессы. В результате  образуется фотографическая фонограмма. Сигнал отображается на киноленте в виде прозрачной полоски переменной ширины или переменной плотности (прозрачности). Чтобы воспроизвести записанный сигнал, движущуюся фонограмму просвечивают пучком света.

Магнитную запись на движущийся ферромагнитный носитель производят с помощью особого электромагнита - магнитной головки - в обмотку которого подают ток сигнала. Магнитное поле электромагнита намагничивает носитель записи, в качестве которого используют пластмассовую ленту, покрытую порошком окислов ферромагнитных металлов или металлическим ферромагнитным слоем. Фонограмма получается в виде намагниченных участков разной длины. Она не нуждается ни в каких процессах обработки и может быть воспроизведена немедленно с помощью устройства, аналогичного записывающему.

Комбинацией механического и оптического способов записи является запись лазерным лучом на компакт-диски. Запись ведут модулированным лучом лазера на вращающийся диск. Под его воздействием в материале первичного носителя образуются углубления - лунки - разной длины. Далее как и при механической записи, получают матрицу. Прессованием получают копии первичной записи. Для воспроизведения также используют луч лазера.

Магнитооптическая запись (или запись на MiniDisk) - это гибрид магнитной и лазерной записи. В ней для записи используется и лазерный луч, и магнитная головка. Главная технология формата MD заложена в самом носителе, специальный магнитный слой которого обладает одним очень полезным, хотя и немного странным свойством. Если этот слой намагничен отрицательным полюсом магнита, то отражающийся от его поверхности лазерный луч немного отклонится в одну сторону. Если этот слой намагничен положительным полюсом, то он отклоняет луч в другую сторону. И хотя отклонения составляют всего лишь около одного градуса, этого достаточно, чтобы их уловил считывающий сенсор и зарегистрировал в виде нулей и единиц цифрового сигнала

Микрофоны. Классификация и основные параметры

Микрофон - это устройство для преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы.

В настоящее время существуют различные типы микрофонов, которые находят широкое применение в системах радиовещания, телевидения, телефонии, озвучения, звукоусиления, записи и усиления звука. Микрофон является первым и одним из наиболее важных звеньев любого электроакустического тракта. Поэтому его свойства оказывают огромное влияние на качество работы этого тракта.

Микрофоны в зависимости от назначения подразделяют на профессиональные и бытовые (любительские). Первые из них используют при профессиональной звукозаписи в радиовещании, телевидении, системах звукоусиления, для акустических измерений и т.д. Бытовые микрофоны используют при домашней звукозаписи.

По способу преобразования колебаний микрофоны подразделяют на электродинамические (ленточные и катушечные), электростатические (конденсаторные и электретные), электромагнитные, угольные и др.; по диапазону воспринимаемых частот - на узкополосные (речевые) и широкополосные (музыкальные); по направленности - на ненаправленные (круговые), двусторонненаправленные (восьмеричные или косинусоидальные), односторонненаправленные (кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные), остронаправленные; по помехозащищенности - на шумозащищенные и обычного исполнения.

По электроакустическим параметрам микрофоны разделяют на четыре группы сложности: нулевая (высшая), первая, вторая и третья. Микрофоны нулевой, первой и второй групп сложности предназначены для звукопередачи, звукозаписи и звукоусиления музыки и речи, микрофоны третьей группы сложности - только для речи. Кроме того, по некоторым параметрам микрофоны подразделяются на устройства высшей и первой категории качества.

Основные параметры микрофонов: номинальный диапазон частот, модуль полного электрического сопротивления, чувствительность, типовая частотная характеристика чувствительности, характеристика направленности ...

Номинальный диапазон частот - тот диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры. для профессиональных студийных целей обычно стремятся использовать микрофоны нулевой группы сложности высшей категории качества, для которых нормируется диапазон частот 20 ... 20000 Гц. Микрофоны первой группы сложности должны иметь номинальный диапазон частот не менее 31,5 ... 18000 Гц, второй группы 50 ... 15000 Гц, третьей группы 63 ... 12500 Гц.

Модуль полного электрического сопротивления (называемого также выходным или внутренним) нормируется на частоте 1 кГц. Сопротивление может быть комплексным или активным. Если оно комплексное и, следовательно, зависимое от частоты, то приводят или модуль на частоте 1 кГц, или среднее значение по диапазону частот. Для микрофонов нулевой и первой групп сложности нормируется значение модуля полного электрического сопротивления 50 Ом и менее, 100 и 200 Ом, а для микрофонов второй и третьей групп сложности также еще и 2 кОм.

Чувствительность микрофона - это отношение напряжения U на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению р, выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па): E=U/p.

Уровень чувствительности - чувствительность, выраженная в децибелах относительно величины Е_нач = 1 В/Па и определяемая по формуле:

N_м = 20 lgE - 60, дБ,    (3.1)

где Е - чувствительность микрофона, мВ/Па.

Неравномерность частотной характеристики определяется как разность между максимальным и минимальным уровнями чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот и выражается в децибелах:

DN = N_MAX - N_MIN.    (3.2)

Характеристика направленности R(q) - зависимость чувствительности микрофона в свободном поле на определенной частоте f от угла q между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука.

Диаграмма направленности - это графическое изображение характеристики направленности, которое чаще всего приводят в полярных координатах.

О представлении звуковой информации

Двоичное кодирование звуковой информации. Глубина кодирования и частота дискретизации.

Кодированию данного вида информации в учебной литературе пока уделяется не очень много внимания. По-видимому, это объясняется тем, что интенсивное использование компьютера для обработки звука началось позднее, нежели чисел, текстов и графики. Приятное исключение составляет учебник [1], который не просто традиционно излагает способ дискретизации звука, но и дополнительно демонстрирует простейшие приемы цифровой обработки звуковых файлов, а также содержит ряд других имеющих отношение к данному вопросу сведений. Еще одним источником информации, использованным при написании данных материалов, послужили несколько подробных популярных статей Д. Симаненкова, опубликованных в тематических выпусках журнала "Компьютерра" [2].

Итак, рассмотрим интересный и все чаще используемый на практике процесс кодирования звуковой информации подробнее.

Из курса физики известно, что звук есть колебания среды. Чаще всего средой является воздух, но это совсем не обязательно. Например, звук прекрасно распространяется по поверхности земли: именно поэтому в приключенческих фильмах герои, стараясь услышать шум погони, прикладывают ухо к земле. Напротив, существует весьма эффектный школьный физический опыт, который показывает, что при откачивании воздуха мы перестаем слышать звук находящегося под герметичным колпаком звонка. Важно также подчеркнуть, что существует определенный диапазон частот, к которому принадлежат звуковые волны: примерно от нескольких десятков герц до величины немного более 20 кГц. Значения этих границ определяются возможностями человеческого слуха.

Благодаря роли звуковых сигналов в практической жизни человека, процессы генерации и закономерности распространения звука изучены достаточно хорошо. Чаще всего звуковые колебания преобразуются в электрические, что легко осуществляется с помощью микрофона. Как правило, электрический сигнал от микрофона очень слаб и нуждается в усилении, что на современном уровне развития техники проблемы также не представляет. Форму полученных колебаний (т.е. зависимость интенсивности сигнала от времени) можно наблюдать на экране обычного осциллографа; к сожалению, для получения наглядной устойчивой картины сигнал должен быть периодическим.

Важную роль в анализе звуковых (или полученных из них электрических) колебаний играет также спектральный анализ, т.е. нахождение распределения интенсивности различных частот в исходном сигнале. Математической основой такой процедуры служит разложение изучаемой функции в ряд по гармоническим функциям (синусам или косинусам) – так называемый Фурье-анализ. Полученные в результате обработки спектры также обычно представляются графически в координатах частота (абсцисса) – интенсивность (ордината). Чтобы представить себе, как выглядит спектр звукового сигнала, достаточно взглянуть на информационный дисплей современного высококачественного аудиокомплекса. Спектральные характеристики сигналов и технических звуковых устройств имеют огромное теоретическое и практическое значение.

Наблюдать примерную форму сигналов и их спектральные характеристики на современном компьютере не только не представляет никакого труда, но, напротив, доступно каждому. Сделать это можно, даже не используя специализированного программного обеспечения (примеры такого ПО можно посмотреть в [2]). Достаточно запустить стандартную мультимедийную программу Windows под названием Звукозапись и распространенный универсальный проигрыватель звуковых файлов Winamp. Первая программа будет показывать форму сигнала, а вторая – его спектр.

Подготавливая данные материалы, автор не поленился подобрать для иллюстрации несколько характерных примеров звуковых файлов. Так, на рис.1 представлен в качестве примера простейший "искусственный" звук – телефонный сигнал посылки вызова (уточню: речь идет о звуке, который мы слышим, когда ожидаем, пока абонент на другом конце провода возьмет трубку).

На верхней части рисунка изображено окно программы Звукозапись, показывающее форму сигнала. Отчетливо виден его гармонический характер (сигнал "похож на синусоиду"). В нижней части приведена картинка, снятая при воспроизведении этого же самого звукового файла в проигрывателе Winamp, который для нас сейчас замечателен только тем, что отображает спектр звучащего сигнала. А он очень специфичен: узкая вертикальная линия в районе низких частот (на рисунке слева). Такой спектр отчетливо говорит о том, что сигнал имеет всего одну характерную частоту.

А вот несколько более сложный звуковой сигнал – это затухающий велосипедный звонок (рис.2).

Его форма уже не гармонична, хотя некоторая периодичность присутствует, а спектр имеет два пика, возле которых группируются основные частоты сигнала. Поскольку этот звук в отличие от предыдущего является естественным, его спектр заметно сложнее.

Наконец, на последнем рисунке из этой серии приведены картинки воспроизведения аплодисментов в зрительном зале.

Как мы видим, форма сигнала еще более сложная, он выглядит почти хаотично, а его спектр практически сплошной.

Таким образом, звуковые сигналы в окружающем нас мире необычайно разнообразны. Для их записи с целью последующего воспроизведения необходимо как можно точней сохранить форму кривой зависимости интенсивности звука от времени. При этом возникает одна очень важная и принципиальная трудность: звуковой сигнал непрерывен, а компьютер способен хранить в памяти только дискретные величины (подробнее об этом см. билет 10 [3]). Отсюда следует, что в процессе сохранения звуковой информации она должна быть "оцифрована", т.е. из аналоговой непрерывной формы переведена в цифровую дискретную. Данную функцию выполняет специальный блок, входящий в состав звуковой карты, который называется аналого-цифровой преобразователь – АЦП.

Каковы основные принципы работы АЦП?

Во-первых, он производит дискретизацию записываемого звукового сигнала по времени. Это означает, что измерение уровня интенсивности звука ведется не непрерывно, а, напротив, в определенные фиксированные моменты времени (удобнее, разумеется, через равные временные промежутки). Частоту, характеризующую периодичность измерения звукового сигнала принято называть частотой дискретизации. Вопрос о ее выборе далеко не праздный и ответ в значительной степени зависит от спектра сохраняемого сигнала: существует специальная теорема Найквиста, согласно которой частота "оцифровки" звука должна как минимум в 2 раза превышать максимальную частоту, входящую в состав спектра сигнала. Считается, что редкий человек слышит звук частотой более 20 000 Гц (20 кГц). Поэтому для высококачественного воспроизведения звука верхнюю границу обычно с некоторым запасом принимают равной 22 кГц. Отсюда немедленно следует, что частота звукозаписи в таких случаях должна быть не ниже 44 кГц. Названная частота используется, в частности, при записи музыкальных компакт-дисков. Однако часто такое высокое качество не требуется, и частоту дискретизации можно значительно снизить. Например, при записи речи вполне достаточно частоты дискретизации 8 кГц. Заметим, что результат при этом получается хотя и не блестящий, но легко разборчивый – вспомните, как вы слышите голоса своих друзей по телефону.

Во-вторых, АЦП производит дискретизацию амплитуды звукового сигнала. Это следует понимать так, что при измерении имеется "сетка" стандартных уровней (например, 256 или 65536 – это количество характеризует глубину кодирования), и текущий уровень измеряемого сигнала округляется до ближайшего из них. Напрашивается линейная зависимость между величиной входного сигнала и номером уровня. Иными словами, если громкость возрастает в 2 раза, то интуитивно ожидается, что и соответствующее ему число возрастет вдвое. В простейших случаях так и делается, но, как показывает более детальное изучение, это не самое лучшее решение. Проблема в том, что в широком диапазоне громкости звука человеческое ухо не является линейным. Например, при очень громких звуках (когда "уши закладывает"), увеличение или уменьшение интенсивности звука почти не дает эффекта, в то время как при восприятии шепота очень незначительное падение уровня может приводить к полной потере разборчивости. Поэтому при записи цифрового звука, особенно при 8-битном кодировании, часто используют различные неравномерные распределения уровней громкости, в основе которых лежит логарифмический закон (μ-law, A-law и другие; впечатляющие формулы для них можно посмотреть в дополнительной книге [1]).

Итак, в ходе оцифровки звука мы получаем поток целых чисел, представляющих собой стандартные амплитуды сигналов через равные промежутки времени. На рис.4 приведенное выше описание процесса дискретизации проиллюстрировано графически:

Рис.4.

На рисунке представлен процесс "оцифровки" зависимости интенсивности звукового сигнала I от времени t. Отчетливо видна дискретизация по времени (равномерные отсчеты на горизонтальной оси) и по интенсивности сигнала (требуемое при этом округление схематически изображено "изломами" горизонтальных линий разметки). Подчеркнем, что на рисунке степень дискретизации для наглядности сознательно утрирована: реально различие между соседними уровнями дискретизации по обеим осям значительно меньше и, следовательно, форма сигнала передается гораздо точнее.

Мы рассмотрели лишь наиболее общие принципы записи цифрового звука. На практике для получения качественных звуковых файлов используется целый ряд дополнительных технических приемов. Их интересное и подробное описание дается в серии статей [2], на которую мы уже ссылались ранее.

Изложенный метод преобразования звуковой информации для хранения в памяти компьютера в очередной раз подтверждает уже неоднократно обсуждавшийся ранее тезис: любая информация для хранения в компьютере приводится к цифровой форме и затем переводится в двоичную систему. Теперь мы знаем, что и звуковая информация не является исключением из этого фундаментального правила.

Остается рассмотреть обратный процесс – воспроизведение записанного в компьютерный файл звука. Здесь имеет место преобразование в противоположном направлении – из дискретной цифровой формы представления сигнала в непрерывную аналоговую, поэтому вполне естественно соответствующий узел компьютерного устройства называется ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь. Процесс реконструкции первоначального аналогового сигнала по имеющимся дискретным данным нетривиален, поскольку никакой информации о форме сигнала между соседними отсчетами не сохранилось. В разных звуковых картах для восстановления звукового сигнала могут использоваться различные способы. Наиболее наглядный и понятный из них состоит в том, что по имеющимся точкам рассчитывается степенная функция, проходящая через заданные точки, которая и принимается в качестве формы аналогового сигнала. Ваших математических знаний вполне хватит, чтобы понять, как это делается. Возьмем, например, интерполяцию параболой I = at² + bt + c по трем заданным точкам. Подставив в эту формулу известные значения времени и приравняв их к сохраненным в файле значениям интенсивности звука I, получим три линейных уравнения с тремя неизвестными a, b и c. Решить такую систему в состоянии любой добросовестный ученик. Качественный вид результата представлен на рис.5

Рис.5

Видно, что на интерполируемом участке даже для параболы совпадение получается вполне удовлетворительное. Кроме того, технические возможности современных микросхем позволяют значительно увеличить степень полинома, а вместе с ней и точность реконструкции формы сигнала.

Подробно описанный нами метод восстановления является не единственным. К сожалению, другие, не менее эффективные, для своего понимания требуют глубоких специальных технических знаний [2].

Итак, мы подробно рассмотрели процессы преобразования естественных звуков к виду, пригодному для хранения в компьютере, и последующего их восстановления при воспроизведении. Разумеется, не следует требовать от учеников на экзамене большего. Тем не менее, назовем некоторые интересные вопросы, связанные с компьютерной обработкой звуковой информации, которые полезно знать любому грамотному пользователю. Это, прежде всего, сжатие (кто ни разу не использовал файлы MP3?), MIDI-запись музыки в виде необычайно компактных "нотных" команд для инструментов, форматы звуковых файлов и их особенности, возможности компьютеров в редактировании фонограмм (фильтрация, удаление помех и т.п.) и другие не менее важные темы. 

Звуколечение

Звуки окружают человека на протяжении всей его жизни. Это звуки естественные, созданные природой, и звуки искусственные, которые возникли по воле человека. Давно было замечено, что звук влияет на нас.  Различные культуры веками оттачивали обрядовую музыку, хоровое пение. Лучшие хоровые народные песни – это выверенные психотерапевтические программы, найденные нашими предками интуитивно.

Эпос народов мира повествует о многих случаях чудесного воздействия звука. Рана Одиссея перестала кровоточить от пения, голоса Серен, заставляли моряков выпрыгивать из лодки в бушующие волны, Орфей своей игрой укрощал дикий зверей, бог Аполлон, покровительствовавший музыкантам и медикам, часто использовал целительную силу звуков.

Сила звука, музыки волновала умы величайших мыслителей древности. Знаменитый Пифагор создал теорию о музыкально-числовом строении Космоса и с большим успехом использовал сочиненные им мелодии для лечения "болезней души" – уныния, гнева, страстей. Платон считал, что сила государства зависит от того, какую музыку слушает народ. Он  предостерегал от использования хаотичных и грубых ритмов. Аристотель посвятил много времени изучению законов музыки. Он описал музыкальные лады, ведущие к изменению психики. Уже в Древней Греции существовала классификация музыки по типу воздействия ее на слушателя. Аристотель утверждал, что дорийский лад оказывает уравновешивающее воздействие, фригийский – возбуждающее, лидийский – размягчающее. Греческий философ Демокрит рекомендовал слушать музыку при многих заболеваниях.

Музыка, пение, как лечебные средства, стали в древности нормой для  многих народов. В Греции повсеместно исцеляли от радикулита и расстройств нервной системы звуками трубы, а в Древнем Египте с помощью пения хора избавляли от бессонницы. Особое значение придавали лечебному воздействию звуков народы Востока. Китайцы веками изучали законы зависимости человеческой красоты и природы. Они создали многие естественные системы улучшения здоровья, в том числе звукотерапии, состоящии из простых, но действенных рецептов. Вот лишь некоторые из них:

звук У способствует вентиляции легких;

звук Ю благотворно действует на почки и мочевой пузырь, снимает болевые спазмы;

звуки А и О приводят в действие весь организм, дают команду всем клеточкам настроиться на работу;

звук Н активизирует процессы и творческие способности;

звук В исправляет неполадки в нервной системе и спинном мозге;

звук Е - прекрасный чистильщик организма от негативных эмоций;

звук П-ПОМ благотворно действует на сердце, снижает давление, оказывает положительный эффект при склерозе сосудов головного мозга.

В Индии испокон веков успешно применяются при лечении различных заболеваний специальные мантры: «хра-ам» рекомендуется при заболеваниях легких,  «храйм» - при болезнях почек, «хру-ум» - при заболеваниях желудка и кишечника.

Музыкальные теоретики Средневековой Европы разработали свои принципы лечения с помощью музыки. Немецкий ученый Кирхер писал: «Меланхолики любят серьезную, грустную непрерывающуюся гармонию, сангвиники, благодаря легкой возбудимости, всегда привлекаются танцевальным стилем, у холериков танцы могут привести к сильному воспалению желчи, флегматиков трогают тонкие женские голоса». Шекспир как-то заметил: «Легкая мелодия – самый лучший утешитель для возбужденной фантазии и лекарство для мозга».

В период расцвета музыкального искусства, многие композиторы  целенаправленно сочиняли лечебную музыку. «Гельдбергские вариации» Баха были написаны специально для графа Кайзерлинга как средство от бессонницы. Серьезные исследования, проведенные уже в наше время, показали, что произведения Моцарта оказывают положительное воздействие на психику человека.

Сегодня список музыкальных произведений, имеющих подтвержденные врачами целебные свойства, насчитывает сотни наименований.

«Аве Мария» Шуберта, «Лунная соната» Бетховена,  «Лебедь» Сен-Санса,  «Метель» Свиридова помогают при лечении алкоголизма и курения. Соната №7 Бетховена излечивает гастрит. Все произведения Моцарта развивают умственные способности у детей. Многие произведения Чайковского, Пахмутовой, Таривердиева снимают неврозы и раздражительность. Профилактику утомляемости проводят с помощью «Утра» Грига, фрагмента из оперы «Хованщина» «Рассвета над Москвой-рекой» Мусоргского, романса  Чайковского «Вечерний звон». Творческий импульс придают «Марш» Дунаевского из к/ф «Цирк»,  «Болеро» Равеля, «Танец с саблями» Хачатуряна. К полному расслаблению приводит прослушивание «Вальса» Шостаковича,  «Мужчины и женщины» Лея, музыкальных иллюстраций Свиридова к повести Пушкина «Метель». «Свадебный марш» Мендельсона нормализует кровяное давление и сердечную деятельность, а сюита «Пер Гюнт» Грига - сон и работу мозга. Многие произведения успокаивают нервы: Бах, Соната соль минор, ч.1; Шопен, Соната №3 соч.4; Рахманинов, 1-й концерт, ч.1; Шопен, Ноктюрн ми бемоль мажор, соч. 9, ч. 2; Шуберт, 7-ая симфония до мажор, ч. 2; Чайковский, «Времена года», «Февраль»; Лист, Ноктюрн №3; Моцарт, 25-ая симфония, ч. 2; Шопен, Вальс №2.  

Звуколечение в современной медицине:

Только в ХХ веке ученые смогли опытным путем доказать профилактические, лечебные и оздоравливающие свойства звука, которые базируются на частотном колебании различных звуков, резонирующих с отдельными органами, системами или всем организмом человека в целом. Установлена жесткая связь между частотой звуковых колебаний и конкретными органами человеческого организма или физиологическими процессами. См. Таблица частот и их нозология.

Проведены тысячи экспериментов на растениях, животных и людях, доказывающих влияние звука на живой организм. Мимоза и петуния от мажорных мелодий растут гораздо быстрее и расцветают на две недели раньше положенного срока. Под воздействием классической музыки коровы дают больше молока. У собак породы Пинчер кровяное давление в зависимости от мелодии может меняться на 70 мм ртутного столба. В Японии провели эксперимент, в котором участвовали 120 кормящих матерей. Одна половина из них слушала классическую музыку, вторая – популярную. В первой группе количество молока у женщин увеличилось на 20%, во второй группе – уменьшилось на половину.

         К сегодняшнему дню детально разработана научная теория воздействия различных видов звука на человека. Согласно этой теории звукотерапия подразделяется на музыкотерапию, словотерапию, лечение звуками природы и ультразвуком.

Эффективность музыкотерапии обусловливается не только эмоциональным воздействием ее на человека, но и биорезонансной сочетаемостью музыкальных звуков с вибрациями отдельных органов и систем организма. К примеру, желудочно-кишечный тракт имеет резонансную частоту ноты «фа», верхняя частота которой способствует выведению из организма токсичных веществ. Нота «до» помогает лечить от псориаза, а сочетание нот «си», «соль» и «до» облегчает терапию онкологических заболеваний.

Вибрации музыкальных звуков активизируют вегетативные механизмы высшей нервной деятельности, вызывают особые вибрационные ответы в подсознании человека. Происходят реакции, которые способствует более быстрому выздоровлению пациентов. В первую очередь музыкотерапия позволяет добиться успехов в лечении различного рода психических расстройств: психозов, депрессивных состояний, шизофрении. Хорошо она помогает и в терапии многих психосоматических заболеваний.

Словотерапия тоже реальность. Некоторые слова и предложения, произнесенные с определенной интонацией, как было доказано, несут в себе энергетический и целебный заряд. Так была разгадана тайна народных заговоров и заклинаний. Наибольшей лечебной силой обладают молитвы, несущие в себе не только смысловое значение, но и реальную позитивную энергетику слов и звукосочетаний.

Одно из направлений словотерапии – рифмотерапия, то есть лечение стихами. Некоторые стихи созвучны человеку, его эмоциональности и внутреннему миру. Ритмическая речь оказывает мощное воздействие на психику. Стихотворные формы, песни способны возбуждать или успокаивать человека. Они помогают расслабиться, отвлечься или выйти на нужный эмоциональный уровень. Песня активизирует в человеке энергетические центры, которые, в свою очередь, влияют на связанные с ними жизненно важные органы.

Современные исследования подтверждают целебные свойства отдельных звуков, произносимых голосом.  Созданы реестры их воздействия, которые во многом совпадают с рекомендациями, разработанными в древности на Востоке. Например:

звук И – прочищает нос, лечит глаза;

звук У – укрепляет горло и голосовые связки;

звуки В, Н, М, Э – улучшают работу головного мозга;

звуки Ц, К, Щ, И – лечат уши;

звуки У, Ы, X, Ч – улучшают дыхание;

звуки О, А, С, М, И – лечат заболевания сердца.

Доказано, что целебными свойствами обладают мантры, то есть  различные звукосочетания.

ОМ – снижает кровяное давление;

АЙ, ПА – снимают боли в сердце;

АП, АМ, АТ, ИТ, УТ – исправляют речь.

Все эти и многие другие звукосочетания основаны на целебном воздействии колебаний, возникающих при их произношении. Установлено, что большое значение имеет и интенсивность произношения звуков. В частности, низкой или средней она должна быть при лечении заболеваний сердца или легких, более высокой – при терапии других внутренних органов.

Доказывать полезность звуков природы, особенно для человека проживающего в современном городе, не было необходимости. Слушая звуки природы, мы получаем огромный заряд энергии, ощущаем подъем духовных и физических сил, увеличивается творческий потенциал. Даже непродолжительное единение с природой способно отвлечь человека от тяжелых мыслей и повседневной суеты.

Экспериментально установлено, что каждый тон ультразвука влияет на определенный орган человека, одни оказывают благотворное действие, другие вредят здоровью. Сегодня во многих странах существуют специальные медицинские центры и кабинеты ультразвуковой терапии, в которых проходят курс лечения больные с самыми разными патологиями.

Все методы звукотерапии получили в современной медицине широкое применение. С начала 90-х годов прошлого века звукотерапия стала одним из самых популярным методов лечения в США. Доктор Шульман излечивает пациентов с помощью аудиокассет со звуками различных внутренних органов человека: сердца, легких, желудка, кишечника. Существуют специальные кассеты и для сбрасывания веса, лечения табакокурения и алкоголизма. В Институте звукотерапии (Штат Аризона) музыкой отращивают волосы у облысевших. Профессор психологии Кин Дичвайльд с помощью пяти кассет специальной музыки помогает справиться со стрессом, гасить раздражение и стимулировать творческую энергию. Врачи Лер и Мак Каулин своими музыкальными программами позволяют достигнуть пика интеллектуальной формы за счет балансировки  правого и левого полушарий головного мозга.

Применение белого шума в лечебных целях - не новое слово в медицине. На Западе существует целый ряд компаний, выпускающих компакт-диски с белым шумом, синтезированным таким образом, чтобы он напоминал звук моря, дождя, водопада и т.д. Было замечено, что прослушивание белого шума снимает нервное напряжение, повышает концентрацию внимания, помогает при бессоннице. Особенно заметно его воздействие на грудных детях: белый шум способен быстро успокоить плачущего ребенка, даже если тот страдает от колик.

Хотя уже в 1816 г. во Франции выходит библиографический словарь по музыкальной терапии, собственно во власть специалистов музыка попала только в XX в. В результате ряда экспериментов были научно доказаны лечебные свойства звуков, установлена связь между частотой звуковых колебаний и физиологическими процессами. На сегодняшний день Институты музыкальной терапии действуют в 15 странах, в том числе в Англии, Франции, Германии и США. При ЮНЕСКО издается журнал "Музыкальная терапия". В России звукотерапия широко практикуется в Центральной поликлинике медицинской реабилитации МЧС России.

 на рекомендацию учителя             на работу учителя