Zakres częstotliwości dźwięku. Zależność między częstotliwością fali dźwiękowej, jej długością i prędkością

W dzisiejszych czasach istnieje wiele sposobów na sprawdzenie ostrości słuchu online. Aby to zrobić, musisz uruchomić wideo z dźwiękiem, z rosnącą częstotliwością. Twórcy testu zalecają założenie słuchawek, aby nie przeszkadzał Ci hałas. Zakres częstotliwości dźwięków w klipie zaczyna się od wysokich dźwięków, które mało kto słyszy. Częstotliwość dźwięku powoli zmniejsza się w czasie, a na końcu filmu użytkownik słyszy dźwięk, który może usłyszeć nawet osoba niedosłysząca.

W trakcie trwania klipu użytkownik jest informowany o wartości częstotliwości odtwarzanego dźwięku. Warunki testu sugerują, że film powinien być zatrzymany w miejscu, w którym osoba może usłyszeć dźwięk. Kolejnym krokiem jest sprawdzenie, gdzie kończy się częstotliwość. Jego wartość wskazuje, że Twój słuch jest normalny, lepszy niż u większości ludzi, lub że warto udać się do lekarza w tej sprawie. Niektóre testy pokazują, ile lat ma dana osoba w górnym zakresie częstotliwości, które może usłyszeć.

Czym jest dźwięk i fala dźwiękowa

Dźwięk jest subiektywną percepcją, ale słyszymy go, ponieważ coś namacalnego dotyka naszego ucha. To jest fala dźwiękowa. Fizycy interesują się tym, jak odczuwane przez nas wrażenia są związane z właściwościami fali dźwiękowej.

Fale dźwiękowe to podłużne fale mechaniczne o małej amplitudzie, o częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz. Niska amplituda jest wtedy, gdy zmiana ciśnienie spowodowane ściskaniem-dekompresją jest znacznie mniejsze niż ciśnienie w tym ośrodku. W powietrzu, w rejonach ściskania-kompresji, zmiana ciśnienia jest znacznie mniejsza od ciśnienia atmosferycznego. Jeśli amplituda jest tego samego rzędu wielkości lub większa niż ciśnienie atmosferyczne, nie są to już fale dźwiękowe, lecz fale uderzeniowe, rozchodzące się z prędkością naddźwiękową.

Słyszalność dźwięków

Określiliśmy już zakres częstotliwości dźwięku, ale co leży poza tym zakresem?? Jeśli częstotliwość jest mniejsza niż 20 Hz, fale te nazywane są falami infradźwiękowymi. Jeśli jest większa niż 20 kHz to są to fale ultradźwiękowe. Zarówno infradźwięki, jak i ultradźwięki nie powodują wrażenia słuchowego. Granice są dość niewyraźne: niemowlęta słyszą z częstotliwością 22-23 kHz, niektórzy ludzie, którzy nie są jeszcze starzy, słyszą z częstotliwością 21 kHz, a niektórzy z częstotliwością 16 Hz. To znaczy, że im młodsza jest osoba, tym wyższe częstotliwości słyszy.

Psy słyszą wyższe częstotliwości. Handlerzy wykorzystują tę umiejętność i gwiżdżą ultradźwiękowym gwizdkiem, który jest niesłyszalny dla człowieka. Diagram przedstawia zakresy częstotliwości, które słyszą różne zwierzęta.

Dźwięk jako broń dla policjantów

Oto przykład studium przypadku pokazujący, że zakres częstotliwości dźwięku, który słyszy człowiek, jest przybliżony i zależy od różnic indywidualnych.

W Waszyngtonie policja znalazła sposób, by rozproszyć młodych ludzi bez użycia przemocy. Chłopcy i dziewczęta ciągle gromadzili się w pobliżu stacji metra, rozmawiając. Władze uważały, że ich bezcelowa rozrywka przeszkadza innym. к. zbyt wiele osób gromadzi się przy wejściu. Policja zainstalowała urządzenie Mosquito, które emituje dźwięk o częstotliwości 17,5 kHz. Urządzenie to ma odstraszać owady, ale producenci zapewniali, że fale dźwiękowe o tej częstotliwości mogą być słyszane tylko przez nastolatków w wieku 13 lat i poniżej 25.

Urządzenie pozbyło się młodzieży, ale 28-letni mężczyzna usłyszał ten dźwięk i poskarżył się administracji miasta. Władze lokalne musiały zaprzestać używania urządzenia.

zakres długości fali

Fale o częstotliwościach dźwiękowych mają różne właściwości w różnych środowiskach. Rozróżnia się długość i prędkość propagacji. W powietrzu (w temperaturze pokojowej) prędkość ta wynosi 340 m/s.

Rozważmy fale o częstotliwościach, które znajdują się w zakresie, w którym możemy usłyszeć. Ich minimalna długość to 17mm, a maksymalna 17m. Dźwięk o najkrótszej długości fali jest na granicy ultradźwięków, natomiast dźwięk o najdłuższej długości fali jest bliższy infradźwiękom.

Prędkość fali dźwiękowej

Przyjmuje się, że światło przemieszcza się błyskawicznie, ale dźwięk potrzebuje pewnego czasu, aby się rozprzestrzenić. W rzeczywistości światło również ma prędkość, ale jest to tylko ograniczenie prędkości; nic nie podróżuje szybciej niż światło. Jeśli chodzi o dźwięk, to najbardziej interesujące jest jego rozchodzenie się w powietrzu, chociaż prędkość fali dźwiękowej w gęstszych ośrodkach jest znacznie większa. Pomyślmy o burzy: najpierw widzimy błysk pioruna, potem słyszymy dźwięk grzmotu. Dźwięk jest opóźniony, ponieważ jego prędkość jest wielokrotnie mniejsza od prędkości światła. Po raz pierwszy zmierzono prędkość dźwięku, rejestrując odstęp czasu między wystrzałem z muszkietu a dźwiękiem. Następnie bierzemy odległość między pistoletem a badaczem i dzielimy ją przez czas, jaki potrzebny był na "spóźnienie" dźwięku.

Metoda ta ma dwie wady. Po pierwsze, jest to błąd stopera, zwłaszcza w bliskiej odległości od źródła dźwięku. Drugim jest szybkość reakcji. Ten pomiar nie da dokładnego wyniku. W celu obliczenia prędkości wygodniej jest przyjąć znaną częstotliwość danego dźwięku. Jest generator częstotliwości, przyrząd o zakresie częstotliwości dźwięku od 20Hz do 20kHz.

Włącza się go na odpowiednią częstotliwość i podczas eksperymentu mierzy się długość fali. Pomnóż obie wielkości i otrzymasz prędkość dźwięku.

Hypersonic

Długość fali oblicza się dzieląc prędkość przez częstotliwość, więc długość fali maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Możliwe jest wytworzenie oscylacji o tak wysokiej częstotliwości, że długość fali jest tego samego rzędu co długość drogi swobodnej cząsteczek gazu, np. powietrza. To jest hipersoniczne. Rozchodzi się słabo, ponieważ powietrze nie jest już traktowane jako ośrodek ciągły, t. к. długość fali jest nieistotna. W normalnych warunkach (przy ciśnieniu atmosferycznym) droga swobodna cząsteczek wynosi 10^-7 м. Jaki jest zakres długości fali? Nie są dźwiękiem, bo ich nie słyszymy. Jeśli obliczymy częstotliwość dźwięku hipersonicznego, okaże się, że wynosi ona 3×10⁹ Hz i więcej. Dźwięk hipersoniczny mierzymy w gigahercach (1 GHz = 1 mld Hz).

Jak częstotliwość dźwięku wpływa na jego wysokość

Zakres częstotliwości dźwięku wpływa na zakres wysokości dźwięku. Chociaż wysokość dźwięku jest subiektywnym odczuciem, jest ona określona przez obiektywną cechę dźwięku, częstotliwość. Wysokie częstotliwości wytwarzają wysoki dźwięk. Czy wysokość dźwięku zależy od długości fali? Oczywiście prędkość, częstotliwość i długość fali są ze sobą powiązane. Jednak dźwięk o tej samej częstotliwości będzie miał różne długości fali w różnych mediach, ale będzie odbierany w ten sam sposób.

Słyszymy dźwięk, ponieważ zmiany ciśnienia wprawiają nasze bębenki w drgania. Ciśnienie zmienia się z tą samą częstotliwością, więc nie ma znaczenia, że długość fali jest inna w różnych środowiskach. Ze względu na tę samą częstotliwość, będziemy odbierać dźwięk jako wysoki lub niski, czy to w wodzie, czy w powietrzu. W wodzie prędkość dźwięku wynosi 1,5 km/s, czyli jest prawie 5 razy większa niż w powietrzu, a co za tym idzie długość fali jest znacznie większa. Gdyby jednak ciało drgało ze stałą częstotliwością (powiedzmy 500 Hz) w obu środowiskach, wysokość dźwięku byłaby taka sama.

Istnieją dźwięki, które nie mają wysokości, jak na przykład dźwięk "sh-sh-sh". Ich fluktuacje częstotliwości nie są okresowe, lecz chaotyczne, dlatego odbieramy je jako szumy.