Звуковая волна – скорость распространения, период, длина и частота
Звуковая волна – это механические колебания, которые в результате колебаний молекул вещества распространяются в какой-либо среде (в газе, жидкости или твёрдом теле) и, достигнув органов слуха человека, воспринимаются им как звук. Источник, создающий возмущение (колебания воздуха), называется источником звука.
Как уже было сказано, для распространения звука необходима какая-либо упругая среда. Поэтому в вакууме ори, не ори – тебя никто не услышит, по причине того, что звуковые волны распространяться не смогут, так как там нечему колебаться. да и слушать там, по большому счёту, тоже некому.
Так же, как и в случае с электромагнитными волнами, соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний, в общем случае (с учётом среды распространения) выглядит следующим образом:
λ (м) = V (м/сек) / F (Гц) , где V (м/сек) – это скорость распространения звука в среде.
Период колебаний также не претерпел никаких изменений и по-прежнему равен:
T(сек) = 1 / F (Гц) = λ (м) / V (м/сек) .
Частота колебаний звукового сигнала F (Гц) – это параметр стабильный, и практически не зависящий от среды распространения.
А вот скорость звука V (м/сек), а соответственно и длина звуковой волны – это величины, которые зависят не только от плотности вещества, но и от его упругости, а в случае с жидкостями и газами ещё – и от температуры, и атмосферного давления.
Зависимость скорости звуковой волны от свойств упругой среды можно проследить по следующей формуле:
V (м/сек) = √ Eупр (паскаль) / ρ (кг/м 3 ) , где Eупр представляет собой модуль объёмной упругости среды, а ρ – плотность среды.
Модуль упругости, так же как и плотность – это справочные величины, прописанные для конкретных материалов.
В качестве примера приведём таблицу величин скорости распространения звука в различных средах:
| Среда | Скорость звука, м/сек |
| Воздух при 0° | 331 |
| Воздух при 30° | 350 |
| Вода | 1450 |
| Медь | 3800 |
| Дерево | 4800 |
| Железо | 4900 |
| Сталь | 5600 |
Для газов параметры модуля объёмной упругости и плотности имеют ярко выраженную зависимость от температуры и атмосферного давления. Если углубиться, то скорость звука в газах можно вычислить по следующей формуле:
V (м/сек) = √ γ*Ратм / ρ , где γ = cp/сv – это отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении к удельной теплоёмкости при постоянном объёме, а Pатм – атмосферное давление, которое связано с температурой газообразной среды.
Поэтому, чтобы никого сильно не грузить, приведу и приближённую зависимость скорости звука (при нормальном атмосферном давлении) от температуры среды:
V (м/сек) = (331 + 0,6 * T°) , где 331 м/сек – это скорость звука при 0°С, а T° – температура в градусах Цельсия.
Теперь можно совместить формулы и получить простое соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний с учётом температуры среды:
λ (м) = (331 + 0,6 * T°) / F (Гц) .
Всё это без лишнего напряга несложно посчитать при помощи листа бумаги или деревянных счёт, ну а для пущего упрощения жизни человека, приведу и пару он-лайн считалок для перевода одного из параметров в другой.
Калькуляторы предполагают расчёты длины и частоты звуковой волны для воздушной среды при нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба).
Онлайн калькулятор расчёта длины звуковой волны по частоте
Онлайн калькулятор расчёта частоты по длине звуковой волны
Полный диапазон звуковых частот условно находится в пределах: 16. 20 000 Гц.
Ниже ( 0,001. 16Гц ) – инфразвук.
Выше ( 20. 100кГц ) – низкочастотный ультразвук,
ещё выше (100кГц. 1МГц) – высокочастотный ультразвук.
А для интересующихся темой приведу таблицу соответствия нот стандартного музыкального звукоряда частотам.
| Частота (Гц) | ||||||||||||
| Октава | Нота | |||||||||||
| До | До — диез | Ре | Ми — бемоль | Ми | Фа | Фа — диез | Си | Си- диез | Ля | Соль-бемоль | Соль | |
| C | C# | D | Eb | E | F | F# | G | G# | A | Bb | B | |
| 0 | 16.35 | 17.32 | 18.35 | 19.45 | 20.60 | 21.83 | 23.12 | 24.50 | 25.96 | 27.50 | 29.14 | 30.87 |
| 1 | 32.70 | 34.65 | 36.71 | 38.89 | 41.20 | 43.65 | 46.25 | 49.00 | 51.91 | 55.00 | 58.27 | 61.74 |
| 2 | 65.41 | 69.30 | 73.42 | 77.78 | 82.41 | 87.31 | 92.50 | 98.00 | 103.8 | 110.0 | 116.5 | 123.5 |
| 3 | 130.8 | 138.6 | 146.8 | 155.6 | 164.8 | 174.6 | 185.0 | 196.0 | 207.7 | 220.0 | 233.1 | 246.9 |
| 4 | 261.6 | 277.2 | 293.7 | 311.1 | 329.6 | 349.2 | 370.0 | 392.0 | 415.3 | 440.0 | 466.2 | 493.9 |
| 5 | 523.3 | 554.4 | 587.3 | 622.3 | 659.3 | 698.5 | 740.0 | 784.0 | 830.6 | 880.0 | 932.3 | 987.8 |
| 6 | 1047 | 1109 | 1175 | 1245 | 1319 | 1397 | 1480 | 1568 | 1661 | 1760 | 1865 | 1976 |
| 7 | 2093 | 2217 | 2349 | 2489 | 2637 | 2794 | 2960 | 3136 | 3322 | 3520 | 3729 | 3951 |
| 8 | 4186 | 4435 | 4699 | 4978 | 5274 | 5588 | 5920 | 6272 | 6645 | 7040 | 7459 | 7902 |
 |
 |
Звуковая волна – скорость распространения, период, длина и частота
Калькуляторы онлайн перевода длины звуковой, инфразвуковой или ультразвуковой волны в частоту и наоборот.
Таблица соответствия нот полного звукоряда частотам
Звуковая волна – это механические колебания, которые в результате колебаний молекул вещества распространяются в какой-либо среде (в газе, жидкости или твёрдом теле) и, достигнув органов слуха человека, воспринимаются им как звук. Источник, создающий возмущение (колебания воздуха), называется источником звука.
Как уже было сказано, для распространения звука необходима какая-либо упругая среда. Поэтому в вакууме ори, не ори – тебя никто не услышит, по причине того, что звуковые волны распространяться не смогут, так как там нечему колебаться. да и слушать там, по большому счёту, тоже некому.
Так же, как и в случае с электромагнитными волнами, соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний, в общем случае (с учётом среды распространения) выглядит следующим образом:
λ (м) = V (м/сек) / F (Гц) , где V (м/сек) – это скорость распространения звука в среде.
Период колебаний также не претерпел никаких изменений и по-прежнему равен:
T(сек) = 1 / F (Гц) = λ (м) / V (м/сек) .
Частота колебаний звукового сигнала F (Гц) – это параметр стабильный, и практически не зависящий от среды распространения.
А вот скорость звука V (м/сек), а соответственно и длина звуковой волны – это величины, которые зависят не только от плотности вещества, но и от его упругости, а в случае с жидкостями и газами ещё – и от температуры, и атмосферного давления.
Зависимость скорости звуковой волны от свойств упругой среды можно проследить по следующей формуле:
V (м/сек) = √ Eупр (паскаль) / ρ (кг/м 3 ) , где Eупр представляет собой модуль объёмной упругости среды, а ρ – плотность среды.
Модуль упругости, так же как и плотность – это справочные величины, прописанные для конкретных материалов.
В качестве примера приведём таблицу величин скорости распространения звука в различных средах:
| Среда | Скорость звука, м/сек |
| Воздух при 0° | 331 |
| Воздух при 30° | 350 |
| Вода | 1450 |
| Медь | 3800 |
| Дерево | 4800 |
| Железо | 4900 |
| Сталь | 5600 |
Для газов параметры модуля объёмной упругости и плотности имеют ярко выраженную зависимость от температуры и атмосферного давления. Если углубиться, то скорость звука в газах можно вычислить по следующей формуле:
V (м/сек) = √ γ*Ратм / ρ , где γ = cp/сv – это отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении к удельной теплоёмкости при постоянном объёме, а Pатм – атмосферное давление, которое связано с температурой газообразной среды.
Поэтому, чтобы никого сильно не грузить, приведу и приближённую зависимость скорости звука (при нормальном атмосферном давлении) от температуры среды:
V (м/сек) = (331 + 0,6 * T°) , где 331 м/сек – это скорость звука при 0°С, а T° – температура в градусах Цельсия.
Теперь можно совместить формулы и получить простое соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний с учётом температуры среды:
λ (м) = (331 + 0,6 * T°) / F (Гц) .
Всё это без лишнего напряга несложно посчитать при помощи листа бумаги или деревянных счёт, ну а для пущего упрощения жизни человека, приведу и пару он-лайн считалок для перевода одного из параметров в другой.
Калькуляторы предполагают расчёты длины и частоты звуковой волны для воздушной среды при нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба).
Онлайн калькулятор расчёта длины звуковой волны по частоте
Онлайн калькулятор расчёта частоты по длине звуковой волны
Полный диапазон звуковых частот условно находится в пределах: 16. 20 000 Гц.
Ниже ( 0,001. 16Гц ) – инфразвук.
Выше ( 20. 100кГц ) – низкочастотный ультразвук,
ещё выше (100кГц. 1МГц) – высокочастотный ультразвук.
А для интересующихся темой приведу таблицу соответствия нот стандартного музыкального звукоряда частотам.
| Частота (Гц) | ||||||||||||
| Октава | Нота | |||||||||||
| До | До — диез | Ре | Ми — бемоль | Ми | Фа | Фа — диез | Си | Си- диез | Ля | Соль-бемоль | Соль | |
| C | C# | D | Eb | E | F | F# | G | G# | A | Bb | B | |
| 0 | 16.35 | 17.32 | 18.35 | 19.45 | 20.60 | 21.83 | 23.12 | 24.50 | 25.96 | 27.50 | 29.14 | 30.87 |
| 1 | 32.70 | 34.65 | 36.71 | 38.89 | 41.20 | 43.65 | 46.25 | 49.00 | 51.91 | 55.00 | 58.27 | 61.74 |
| 2 | 65.41 | 69.30 | 73.42 | 77.78 | 82.41 | 87.31 | 92.50 | 98.00 | 103.8 | 110.0 | 116.5 | 123.5 |
| 3 | 130.8 | 138.6 | 146.8 | 155.6 | 164.8 | 174.6 | 185.0 | 196.0 | 207.7 | 220.0 | 233.1 | 246.9 |
| 4 | 261.6 | 277.2 | 293.7 | 311.1 | 329.6 | 349.2 | 370.0 | 392.0 | 415.3 | 440.0 | 466.2 | 493.9 |
| 5 | 523.3 | 554.4 | 587.3 | 622.3 | 659.3 | 698.5 | 740.0 | 784.0 | 830.6 | 880.0 | 932.3 | 987.8 |
| 6 | 1047 | 1109 | 1175 | 1245 | 1319 | 1397 | 1480 | 1568 | 1661 | 1760 | 1865 | 1976 |
| 7 | 2093 | 2217 | 2349 | 2489 | 2637 | 2794 | 2960 | 3136 | 3322 | 3520 | 3729 | 3951 |
| 8 | 4186 | 4435 | 4699 | 4978 | 5274 | 5588 | 5920 | 6272 | 6645 | 7040 | 7459 | 7902 |
В чем измеряется частота звуковой волны
Звук — это волновой процесс. Если струна скрипки или арфы колеблется, в окружающем ее воздуха образуются зоны сжатия и разрежения, которые и представляют собой звук. Эти зоны сжатия и разрежения перемещаются по воздуху в форме продольных волн, которые имеют ту же частоту, что и источник звука. В продольных волнах молекулы воздуха движутся параллельно движению волны.
Воздух сжимается в том же направлении, в котором распространяются звуковые волны. Эти волны передают энергию голоса или колеблющейся струны. Отметим, что воздух не перемещается, когда звуковая волна проходит через него. Перемещаются только колебания, то есть зоны сжатия и разрежения. Более громкие звуки получаются при более сильных сжатиях и разрежениях.
Спектр звуковых колебаний. 1 — землетрясения, молнии и обнаружение ядерных взрывов; 2 — акустический диапазон; 3 — Слух животных; 4, Ультразвуковая очистка; 5. Терапевтическое применение ультразвука; 6 — Неразрушающий контроль и медицинская ультразвуковая диагностика; 7 — Акустическая микроскопия; 8 — Инфразвук; 9 — Слышимый диапазон; 10 — Ультразвук
Количество этих колебаний в секунду называется частотой и измеряется в герцах. Период колебаний — это длительность одного цикла колебаний, измеренная в секундах. Длина волны — это расстояние между двумя соседними повторяющимися зонами волнового процесса. Если предположить, что скорость распространения волны в среде постоянная, то длина волны обратно пропорциональна частоте.
При 20 °C звук распространяется в сухом воздухе со скоростью около 343 метра в секунду или 1 километр приблизительно за 3 секунды. Звук распространяется быстрее в жидкостях и еще быстрее в твердых телах. Например, в воде звук распространяется в 4,3 раза быстрее, чем в воздухе, в стекле — в 13 раз и в алмазе в 35 раз быстрее, чем в воздухе.
Хотя звуковые волны и морские волны движутся намного медленнее электромагнитных волн, уравнение, описывающее их движение будет одинаковым для всех трех типов волн:
где f — частота волны, v — скорость распространения волны и λ — длина волны
Описание
Данный калькулятор определяет длину волны звуковых колебаний (только звуковых!), если известны их частота и скорость распространения звука в среде. Он также может рассчитать частоту, если известны длина волны и скорость или скорость звука, если известны частота и длина волны.
Пример: Рассчитать длину звуковой волны, распространяющейся в морской воде от гидроакустического преобразователя с частотой 50 кГц, если известно, что скорость звука в соленой воде равна 1530 м/с.
ИЗУЧАЕМ: ЗВУКОВАЯ ВОЛНА
Бой часов, пение птиц, речь человека и музыка — все эти явления можно обобщить одним словом «звук». Физика трактует звук как порождаемые некоторым источником колебания воздуха, на которые реагируют наши слуховые органы чувств.
О звуке подробнее
Итак, любой звук — это колебание воздуха. Если ввести в качестве дополнительного параметра одну из координат окружающего пространства, то совокупность колебаний каждой частицы на выбранном направлении образует звуковую волну. Если источник звука представить в виде точки, то звуковые волны можно уподобить лучам, которые от него распространяются во все стороны. Звук приводит в движение молекулы воздуха, которые начинают циклически перемещаться, изменяя механическое давление. Причем молекулы практически не перемещаются относительно своей первоначального местоположения.
Как человеческое ухо реагирует на звук?
Если на пути звуковой волны встречаются механические препятствия, то наблюдаются ее неоднократные переотражения. Колебания частиц воздуха, находящихся поблизости барабанной перепонки, изменяют воздушное давление. На барабанной перепонке имеется множество нервных окончаний, которые изменения давления трансформируют в понятный нашему мозгу сигнал.
Главные характеристики звуковых волн
Если графически отобразить звуковую волну, то получится простейшая гармоническая функция — синусоида. Хотя реальный сигнал, соответствующий этой функции, очень сложно встретить в реальном мире, для начального ознакомления с физической природой звуковых волн он вполне пригоден. Каким бы не был сложным звук, его всегда можно представить в виде математической суммы таких вот простых функций. Однако все слагаемые будут отличаться своими параметрами — частотой, фазой и амплитудой.
Что такое частота звука?
Физическая величина, численное значение которой соответствует числу колебаний за некоторый временной интервал. В привычной нам системе СИ этот интервал равен 1 секунде. А единицей измерения частоты является 1 Герц (одно колебание в секунду). Диапазон восприятия человеческого уха составляет от 20 Гц до 20кГц. А какие звуки лежат за границами нашего восприятия? Это так называемые инфразвук (частота меньше 20 Гц) и ультразвук (с частотой выше 20 кГц).
Амплитуда отвечает за громкость звука, причем здесь наблюдается прямая зависимость: растет амплитуда, увеличивается громкость и наоборот. Громкость тоже имеет свой диапазон, причем довольно широкий — от еле слышного поскребывания мыши под полом до оглушающих раскатов грома. Единицей измерения громкости является децибел, причем его значение может отображать как амплитуду, так и мощность звукового сигнала. Подробнее об этом речь пойдет далее.
Фаза — относительная характеристика, поэтому ее нужно замерять относительно другой звуковой волны. Когда речь идет о фазе, то всегда подразумевается наличие как минимум двух волн. Рассмотрим пример: есть 2 волны с одинаковой частотой. Если они находятся в фазе, то на графике это сразу видно — у них совпадают координаты максимумов, минимумов и нулей. Фаза измеряется в градусах и может принимать значения от нуля до 360. Крайние значения имеют свои собственные названия — 0 говорит о том, что волны находятся в фазе, а 360 — наоборот, в противофазе. Иногда говорят, что волны синхронны (в первом случае), и асинхронны (при фазе, равной 360-ти градусов). Как фаза связана с амплитудой? Ответ на этот вопрос несложен: усиление звука происходит только тогда, когда волны в фазе. Противофазные сигналы взаимно подавляют друг друга, обращая (в теории) амплитуду каждого в абсолютный нуль. На практике это явление может приводить к нежелательным последствиям. Например, отраженная от стен помещения звуковая волна начинает подавлять звучание источника. Нередко пропадание звука наблюдается при совмещении двух звуковых каналов в микшере для стереоскопического воспроизведения.
Что такое децибел?
Децибелы — это единицы, в которых измеряются сразу 2 физических величины: давление и напряжение. В первом случае речь идет о звуке, а во втором — об электричестве. Математически децибел описывается как логарифм от результата деления двух величин. А теперь запомните важный нюанс — для получения децибела следует взять логарифм по основанию «10» или десятичный (сокращенно десятичный логарифм обозначают 2-мя буквами латинского алфавита — «lg»). Децибелы введены для удобства пользования, так как шкала звукового давления расходится в очень больших пределах. Разница между тихим и громким звуком огромна и может достигать миллионов единиц. А введение логарифмов сокращает этот диапазон до привычных десятков и сотен. Поэтому в любой инструкции к современной звуковой аппаратуре все данные, имеющие отношения к усилению или ослаблению звука, приводятся в децибелах (дБ или dB).
Децибел децибелу рознь
Существуют несколько модификаций относительных единиц измерения уровня звука. Самых распространенных 4 и о них стоит поговорить подробнее.
1. дБм(dBm) — последняя буква обозначает милливатты, а значит речь идет о мощности. Правда, мощности электрического сигнала, в который был преобразован звуковой. Децибелы по мощности широко используются при описании характеристик электронной аппаратуры профессионального класса, а также в телефонии.
2. dBu (русск. дБн или дБu) — применяется для измерения амплитуды электрического сигнала (напряжения). Измеренное напряжение делится на эталонное значение (0.75 В), а затем логарифмируется. Сегодня этот подход не актуален, встретить значение dBu в паспорте современной электронной звуковой техники практически невозможно — повсеместно используется dBm как более удобный.
3. dBV(дБВ) — отличие дБВ от единицы измерения, описанной выше, заключается в эталонном напряжении — оно равно 1 Вольту. В отличие от dBu, единица dBV часто используется для описания технических возможностей как бытовых, так и полупрофессиональных звуковых устройств.
4. дБFS — кардинально отличается от всех децибелов, описанных выше. Две последние буквы FS являются сокращением английского слова fullscale, которое переводится как «полная шкала». Причиной ввода дБFS стало активное внедрение цифровых технологий в сферу звуковоспроизведения и звукозаписи. Ведь цифровой сигнал не имеет критерия оптимального напряжения, и для него можно выбрать любое из цифровых значений в заданном диапазоне. Максимальное значение звукового сигнала, преобразованного в «цифру» и не порождающего никаких искажений, соответствует 0.0 дБFS.
Важное отличие рассмотренных выше стандартов для измерения аналоговых сигналов по напряжению (dBu, dBV) от дБFS, заключается в том, что у них динамический диапазон не имеет запаса после нулевого значения.
Частота колебаний звуковых волн
Частота колебаний звуковых волн – количество колебаний звуковой волны в секунду. Единица измерения – Герцы (Гц).
1 Гц = 1 колебание в секунду
Человек способен воспринимать звук в диапазоне от 20 до 20000 Гц.
Чем меньше частота, тем ниже звук и чем больше частота, тем звук выше.
Высота – это качество звука, которое зависит от частоты (свойство звука).
В музыкальном продакшне в основном используются частоты в диапазоне примерно 30 – 16000 Гц.
Условно весь частотный диапазон можно разделить на несколько полос.
Разделение частотного диапазона
1. Инфразвук – звук ниже порога слышимости (0 – 20 Гц)
2. Низкие частоты (20 – 100 Гц)
3. Нижняя середина (100 – 1000 Гц)
4. Средние частоты (1 – 4 кГц)
5. Высокие частоты (4 – 8 кГц)
6. Шум (8 – 20 кГц)
7. Ультразвук (свыше 20 кГц)
Чем ниже частота колебаний звуковых волн, тем хуже человек её слышит, но при этом лучше чувствует вибрации.
Субъективную слышимость частот человеком характеризуют кривые равной громкости (или кривые Флэтчера-Мэнсона).
Низкие звуки имеют свойство маскировать более высокие. Они несут много энергии, отвечают за мощь и объём в треке.
Низкие частоты влияют на RMS трека, но при этом меньше всего воздействуют на субъективную громкость. Им необходимо намного больше свободного пространства чем средним и высоким.
Средние частоты отвечают за полноту и объём звучания. Необходимо очень осторожно работать с этими частотами чтобы контролировать «мутные» частоты (200 – 500 Гц).
Высокие частоты воспринимаются человеком как более громкие. Они отвечают за чистоту, детализацию и прозрачность звучания трека. В отличии от низких и средних, высокие частоты несут много пиковых всплесков, поэтому они больше всего влияют на пиковый уровень громкости.
Необходимо понимать, что звуки, частоты которых имеют соотношение 2:1, сливаются в одно целое.
Для того чтобы работать со звуком нужно знать особенности высоких, средних и низких частот. Только знания, подкреплённые практикой, могут сделать звучание ваших треков существенно лучше.