Lydteori

Lyd er små regelmessige trykkforandringer eller trykksvinginer i lufta. Når takten(frekvensen) på desse ligg innafor eit visst frekvensområde, oppfatter me det som høyrbar lyd. Frekvens er målet på kor mange svingingar det er per sekund.

Lydtekniske begreper

Tabellen nedanfor viser definisjonene på forskjellige frekvensområder:

Sjølv om forskjellige instrumenter eller menneskelige stemmer lager den same tonehøyden, kan lyden høyrast annleis ut. Dette fordi bølgeforma er forskjellig frå instrument til instrument eller frå person til person.

Eksempel på bølgeformer:

Deler me desse bølgeformene opp i reine sinus-svingingar (sjå figur over) vil me sjå at dei består av fleire sinussvingingar med forskjellig frekvens og styrke (Når det gjeld lyd og bølgeformer blir ofte amplitude brukt istadenfor styrke). Det er den mørkaste og kraftigaste av disse sinussvingingane me oppfatter som hoveddelen av lyden, eller grunntonen. Dei andre frekvensane er overtonar.

Avhengig av kva overtoner ein får med, vil klangfargen bli forskjellig. Me oppfatter dermed forskjell på den same tonen frå forskjellige lydkilder.

Ein synthesizer bruker desse overtonane for å laga lydar som høyrest ut som nesten kva som helst instrument.

Eit diagram over grunntonen og overtonane til ein lyd kalles eit frekvens-spekter. Her er frekvensspekteret til ein fløytetone:



Figuren over viser forholdet mellom styrken på overtonane og grunntonen for ein fløytetone på 750 Hz. Forholdet på desse endres med styrken og tonehøyden.
Oktav

Ein oktav vil sei ein dobling eller ei halvering av frekvensen , sjå figuren under:



Dette tonespranget som ein oktav tilsvarer, vil oppfattas likt uansett kor i frekvensområdet me tar utgangspunkt, fordi øyret oppfatter endringer i tonehøyden(frekvensen) etter ein logaritmisk skala (den skal me koma nærare inn på seinare). Ein dobling av frekvensen høyres lik ut uansett om ein går frå 1000Hz til 2000Hz eller frå 3000Hz til 6000Hz. I tillegg må det minst vere ein forskjell på 3% for at me mennesker skal kunne høyre forskjell.

Evnen til å høyre forskjell på tonar endrar seg med frekvensen og lydtrykknivået. Følsomheten er størst ved 4000hz og med lydtrykknivåer over 50dB (DesiBel).
Logaritmiske skalaer og nivåer

Før me går vidare kan det vera nyttig å veta litt om logaritmiske saker.

Når me måler lydstyrke blir det ofte brukt begrep som lydtrykk, lydtrykknivå og andre -nivå. Dette er to forskjellige måtar å oppgi ein verdi på. Nivå er eit mål på forholdet mellom den målte verdien og ein gitt verdi (som blir oppgitt som referanseverdi). Nivået (eller forholdet) blir oppgitt i dB (Desi Bel, Bel er måleenheten - desi er som vanleg ein tidels, som i desi-meter). Me skal no sjå på eit eksempel. Her er referanseverdien 1W. Nivået ved 1W er 0dB.



Nivå (dB) blir i dette eksempelet brukt til å oppgi effekten som eit logaritmisk nivå. Ein dobling av effekten vil gi ein auke på 3dB uansett om det er ein dobling av 1W til 2W eller ein dobling av 100W til 200W.
Hørselen

Sidan hørselen vår følger ein logaritmisk skala både når det gjelder lydtrykk og frekvens, passer det godt å angi relative verdier (referanserverdier) for nivå og bruke ein logaritmisk frekvensskala. Som referanse ved lydtrykk-nivå bruker ein det lavaste nivået som eit "normalt" øyre kan oppfatte ved 1 KHz, nemlig 20 uPa (20 mikropascal).
Nivået angir det lydtrykket me eigentleg høyrer, dvs. at dersom nivået blir dobla vil lyden høyrast dobbelt så kraftig ut. Det er ikkje tilfelle med lydtrykket, ein dobling av lydtrykket vil ikkje gje ein dobling av den styrken me synest lyden har. Lydtrykknivået er ein relativ størrelse med enheten desibel (dB) som er målbar og uavhengig av forhold ved hørselen. Skal man måle lydtrykket bruker man enheten pascal (Pa).

3 dB er den minste nivåforskjellen som det menneskelige øyra kan oppfatta når ein lyttar på vanleg musikk. Det tilsvarar ein dobling av effekten. Det vil då bety at dersom du skal kunna skilla to nivå må du dobla effekten ut av høgtalaren.

For å illustrera forskellige lydtrykknivå har eg sett opp ein tabell:

   
Smertegrensen ligg på ca 130dB, det vil sei at ein føler lydtrykket som smerte i øyrene, og ein kan høyre sus i øyrene i opptil fleire dagar etterpå. I alvorlige tilfeller kan det oppstå hørselskader. Einkvar arbeidsstøy på 90dB eller meir er farleg for hørselen. Viss me ikkje kan snakka med ein person 1 meter vekke utan å heva stemma, så befinner me oss i eit "farleg" støyområde.

Det er noko å tenka på når ein er på diskotek og konserter.

Det viser seg også at øyra ikkje oppfattar alle frekvenser like godt. Ved lave lydtrykknivå er følsomheten størst i mellomtoneområdet, mens følsomheten er jevnere over heile frekvensområdet ved høge lydtrykk. Den subjektive hørestyrken (den lydstyrken hjernen oppfatter,blir målt i phon) er forskjellig frå det lydtrykknivået me måler. Dette er vist ved kurvene på tabellen under.



Me ser at dersom høyrestyrken (det hjernen oppfatter) skal vere 0 phon må me ha eit høgare lydtrykknivå ved bassen og ved diskanten. Ved ein høyrestyrken på 120 phon ser me at lydtrykknivået er jevnare over heile frekvensområdet. For å retta på dette har dei fleste forsterkarar ein loudness-funksjon som aukar bass og diskant ved lave lydtrykknivå.

Andre uttrykk knytta til lyd:

• Akustisk effekt er den lydenergien som passerer ein gitt flate per tidsenhet. Blir oppgitt i watt (W).
• Akustisk effektnivå er ein relativ angivelse av den akustiske effekten. Referansenivået er 1 pW (som tilsvarer 0,000.000.000.001W)
• Lydintensiteten er den akustiske effekten som passerer gjennom ei flate på 1 kvadratmeter. Er oppgitt i watt per kvadratmeter
• Lydintensitetsnivået er eit relativt mål på lydintensiteten med referansenivået 1 pW/m^2 (watt per kvadratmeter)

Dynamikkområde

Dynamikken til ein forsterker er forskjellen mellom det svakaste nivået og det største nivået den kan gjengi. Menneskets stemme har eit dynamikkområde på 40-50dB, ein taleforsterker klarar seg med 30dB. Eit stort orkester kan gje ein dynamikk på 70dB. Dynamikkområdet frå ein kassettspelar er ca. 50-60dB og frå ein CD-spelar ca. 90-100dB. CD-spelaren er dermed overlegen både kassett og LP-plate når det gjeld dynamikk.

Forvrenging

Forvrenging er eit vanleg fenomen, men det finns fleire typar av forvrenging som me her skal sjå nærare på.

    * Lineær forvrenging har me når amplitudeforholdet (strykeforholdet) mellom frekvensane (tonene) på utgangen er forskjellig frå dei på inngangen. Reint teknisk vil dette bety at det oppstår lineær forvrenging når me skrur opp eller ned på bass og diskantkontrollane. Bassen eller diskanten blir auka eller minker i forhold til resten av tonane og me vil ha eit anna amplitudeforhold enn på inngangen. I tilfellet med bass og diskantkontroll er dette ønskelig, men i andre tilfeller kan dette vere uønska.
    * Ulineær forvrenging vil sei at me har nye frekvensar (tonar) på utgangen i tillegg til dei me hadde på inngangen. Dette kan me dela opp i tre ulike typar ulineær forvrenging.

   1. Harmonisk forvrenging vil sei at forsterkeren legg til nye overtoner. Dette kalles også klirr og blir oppgitt i %. På engelsk heiter det THD (Total Harmonic Distortion). Normalt kan ein ikkje høyre denne type forvrengingen før den overstiger 5%. DIN-normen tillater 1% klirr for effektforsterkere, men verdien er som regel mindre.
   2. Intermodulasjonsforvrenging oppstår når ein forsterker skal gjengi fleire tonar samtidig. Då får me frekvensar på utgangen som er summen og differansen til frekvensane på inngangen. Dette kan høyrast tydeleg ved gjengivelse av s-lyden (vislelyden), den blir forandra og mykje kraftigare med intermodulasjonsforvrenging. DIN-normel tillater 3% slik forvrenging ved nominell utgangseffekt (musikkeffekt).
   3. Transientintermodulasjonsforvrenging dannes når ein forsterker skal gjengi store amplitudevariasjoner ("styrkevariasjoner") hurtig. Det viser seg ofte som ein nålepuls på utgangen.

DIN-normen er ei norm utarbeid i tyskland for å standarisera forskjellige målingar.