Діапазон звукових частот. Взаємозв'язок частоти звукової хвилі, її довжини і швидкості

Зараз в інтернеті дуже багато можливостей перевірити гостроту свого слуху онлайн. Для цього потрібно запустити відео зі звуком, частота якого наростає. Творці тесту рекомендують проводити перевірку в навушниках, щоб не заважали сторонні шуми. Діапазон звукових частот в ролику починається з таких високих значень, почути які можуть одиниці. Далі частота звуку плавно знижується, і в кінці відео чути звук, який почує навіть людина з ослабленим слухом.

Протягом ролика користувачеві показують значення частоти звуку, який відтворюється. Умови тесту припускають, що Відео потрібно зупинити в той момент, коли людина зможе розчути звук. Далі слід подивитися, на якій позначці зупинилася частота. Її значення дасть зрозуміти, що слух в нормі, краще, ніж у більшості людей, або варто звернутися до лікаря. Деякі тести показують, якому віку відповідає гранична частота, яку змогла почути людина.

Що собою являє звук і звукова хвиля

Звук-це суб`єктивне відчуття, але чуємо ми Його, тому що в наше вухо потрапляє щось реально існуюче. Це звукова хвиля. Фізиків цікавить, як відчуття, які ми відчуваємо, пов`язані з характеристиками звукової хвилі.

Звукові хвилі-це поздовжні механічні, що володіють малою амплітудою хвилі, діапазон частот яких 20 Гц - 20 кГц. Мала амплітуда — це коли зміна тиску внаслідок стиснення-розрідження набагато менше, ніж тиск в цьому середовищі. У повітрі в областях стиснення-розрідження зміна тиску набагато менше атмосферного. Якщо амплітуда того ж порядку або більше атмосферного тиску, то це вже не звукові хвилі, а ударні, вони поширюються з надзвуковою швидкістю.

Чутність звуків

Ми вже з`ясували, який діапазон звукових частот, але що ж лежить за його межами? Якщо частота менше 20 Гц, такі хвилі називаються інфразвуковими. Якщо більше 20 кГц-це ультразвукові хвилі. І інфра -, і ультразвук не викликають слухових відчуттів. Межі досить розмиті: немовлята чують 22-23 кГц, нестарі люди можуть сприйняти 21 кГц, хтось чує 16 Гц. Тобто чим молодша людина, тим вище частоти він може почути.

Собаки чують більш високі частоти. Цю їх здатність використовують дресирувальники, вони подають команди ультразвуковим свистком, не чутним людьми. На малюнку показані діапазони частот, доступні для сприйняття різними тваринами.

Звук як зброя поліцейських

Наведемо приклад випадку, який показує, що діапазон звукових частот, чутних людиною, приблизний і залежить від індивідуальних особливостей.

У Вашингтоні поліція знайшла спосіб ненасильницького розгону молоді. Юнаки та дівчата постійно збиралися біля однієї зі станцій метро, спілкувалися. Влада вважала, що їх безцільне проведення часу заважає іншим, т. до. біля входу накопичується занадто багато людей. Поліцейські встановили пристрій "Москіт", що видавав звук на частоті 17,5 кГц. Цей прилад призначений для відлякування комах, але виробники запевняли, що звукові хвилі даної частоти сприймаються тільки підлітками від 13 і не старше 25 років.

Завдяки пристрою від молоді вдалося позбутися, але чоловік 28 років почув звук і поскаржився в адміністрацію міста. Місцевій владі довелося припинити використання приладу.

Діапазон довжини хвилі

Хвилі звукових частот у різних середовищах мають різні характеристики. Відрізняються довжина і швидкість поширення хвилі. У повітрі (при кімнатній температурі) швидкість становить 340 м / сек.

Розглянемо хвилі з частотами, що знаходяться в чутному для нас діапазоні. Їх мінімальна довжина - 17 мм, Максимальна-17 м. Звук з найменшою довжиною хвилі знаходиться на межі ультразвуку, а з найбільшою — наближається до інфразвуку.

Швидкість звукової хвилі

Вважається, що світло поширюється миттєво, а для поширення звуку потрібен певний час. Насправді світло теж має швидкість, просто вона є граничною, швидше, ніж світло, нічого не рухається. Що стосується звуку, то найбільший інтерес представляє його поширення в повітрі, хоча швидкість звукової хвилі в більш щільних середовищах набагато вище. Згадаймо грозу: спочатку ми бачимо спалах блискавки, потім чуємо гуркіт грому. Звук запізнюється, тому що його швидкість у багато разів нижче, ніж швидкість світла. Вперше швидкість звуку вимірювали, фіксуючи проміжок часу між пострілом з мушкета і звуком. Потім брали відстань між знаряддям і дослідником і ділили його на час "запізнення" звуку.

Такий спосіб має два недоліки. По-перше, це похибка секундоміра, особливо на близькій відстані до джерела звуку. По-друге, це швидкість реакції. При такому вимірі результати не будуть точними. Для обчислення швидкості зручніше брати відому частоту певного звуку. Існує генератор частот, прилад з діапазоном звукових частот від 20 Гц до 20 кГц.

Його включають на потрібну частоту, в ході експерименту вимірюють довжину хвилі. Перемноживши обидві величини, отримують швидкість звуку.

Гіперзвук

Довжина хвилі обчислюється діленням швидкості на частоту, тому зі збільшенням частоти довжина хвилі зменшується. Можна створити коливання настільки високої частоти, що довжина хвилі буде одного порядку з довжиною вільного пробігу молекул газу, наприклад, повітря. Це і є гіперзвук. Він погано поширюється, тому що повітря перестає вважатися суцільним середовищем, т. до. довжина хвилі мізерно мала. У нормальних умовах (при атмосферному тиску) довжина вільного пробігу молекул дорівнює 10^-7 м. Який діапазон частот хвиль? Звуковими вони не є, тому що ми їх не чуємо. Якщо розрахувати частоту гіперзвуку, то виявиться, що вона становить 3×10⁹ Гц і вище. Вимірюють гіперзвук в гігагерцах (1 ГГц = 1 мільярд Гц).

Як частота звуку впливає на його висоту

Діапазон звукових частот впливає на діапазон висоти. Хоча висота звуку-це суб`єктивне відчуття, але визначається вона об`єктивною характеристикою звуку, частотою. Високі частоти породжують високий звук. Чи залежить висота звуку від довжини хвилі? Звичайно, швидкість, частота та довжина хвилі взаємопов`язані. Однак звук однієї і тієї ж частоти буде мати різну довжину хвилі в різних середовищах, але сприйматися він буде однаково.

Ми чуємо звук, тому що зміни тиску змушують коливатися нашу барабанну перетинку. Тиск змінюється з однією і тією ж частотою, тому Неважливо, що в різному середовищі довжина хвилі різна. Через однакової частоти ми сприймемо звук як високий або низький хоч у воді, хоч в повітрі. У воді швидкість звуку становить 1,5 км / сек, що майже в 5 разів більше, ніж в повітрі, отже, набагато більше і довжина хвилі. Але якщо тіло вібрує з незмінною частотою (скажімо, 500 Гц) в обох середовищах, висота звуку буде однаковою.

Існують звуки, які не мають висоти, наприклад, звук " ш-ш-ш». Їх коливання частоти не періодичні, а хаотичні, тому ми сприймаємо їх як шум.