Физические основы звука - Часть 1: Частота. Период. Длина волны.
Очень часто походя употребляют такие вроде бы понятные термины, как спектр, фаза, частота и прочие. Но зачастую мы до конца не понимаем, что же это на самом деле такое. Что значат эти термины на самом деле, как можно "пощупать" их истинное значение? Можно пойти в библиотеку и почитать там книги по теории радиотехники и цифровой обработке сигналов, но времени постоянно не хватает даже на более важные дела. Поэтому автор попытался дать читателю выжимки из радиотехнических учебников, объясненные "на пальцах" и самый минимум формул (если кто-то заинтересовался более "математическим" изложением материала).
Волновая форма сигнала (звука). Период. Частота
Что такое звук? Это переменное звуковое (воздушное) давление на барабанную перепонку. Ухо воспринимает как звук только изменение давления. Когда звучит отдельная нота давление периодически то нарастает, то убывает и этот процесс циклически повторяется.
Период (T, сек) - длительность этого цикла.
Частота (f, Гц, Герц) - количество периодов, помещающихся в одной секунде. 1 Герц - это 1 период за секунду.
f = 1 / T (формула частоты)
Причем закон (форма) изменения звукового давления не изменяется от периода к периоду.
Если у нас звучит мелодия, то волны, порождаемые разными нотами (которые то появляются, то исчезают), складываются друг с другом в общую волну, которая уже не имеет периода (цикла повтора).
А что же такое шум?
Шум - это сигнал (волновая форма не имеет периода), который в любой момент времени имеет случайное значение звукового давления. Шум не имеет периода.
Звук, как известно распространяется с задержкой, которая зависит от расстояния от источника до человеческого уха. Как это происходит?
Длина волны
Механические колебания источника звука (музыкального инструмента или динамика колонки) сжимают/разрежают (выталкивают/притягивают) воздух около себя. Сжатый воздух начинает расширятся прочь от источника звука, сжимая в свою очередь соседнюю воздушную область. Таким образом область сжатого воздуха путешествует от источника звука к уху.
Расстояние, между областями одинакового сжатия воздуха называется длиной звуковой волны.
L = M / f (формула длины волны),
где
L - длина волны в метрах;
M - скорость звука (331,46 м/с) в метрах в секунду;
f - частота звука в Герцах.
Длина волны для:
20 Гц L20 = (331,46 м/с) / (20 Гц) = 16,5 м.
100 Гц L100 = (331,46 м/с) / (100 Гц) = 3,3 м.
1000 Гц L1000 = (331,46 м/с) / (1000 Гц) = 0,33 м = 33 см.
10000 Гц L10000 = (331,46 м/с) / (10000 Гц) = 0,033 м = 3,3 см.
20000 Гц L10000 = (331,46 м/с) / (20000 Гц) = 0,017 м = 1,7 см.
Чтобы "надавить" на ухо, область сжатого звука должна затратить некоторое время, чтобы пройти путь от музыкального инструмента до уха. Этим и объясняется задержка звука.
Расстояние вносит задержку распространения звука не зависящую от частоты, так как скорость звука на разных частотах одинакова.
Dt = l / M (формула задержки распространения звука),
где
Dt - задержка в секундах;
l - расстояние в метрах;
M - скорость звука (331,46 м/с) в метрах в секунду.
1 метр вносит задержку распространения звука
Dt= (1 м) / (331,46 м/с) = 0,003 секунды или 3 миллисекунды (мс).
Автор: Юрий Корзунов (2010)