Від довжини хвилі до частоти та швидкості звуку

Коли ви відтворюєте музику через динамік, мембрана динаміка приводиться в рух, поперемінно переміщаючись вперед і назад. Під час зворотного руху мембрана стискає повітря безпосередньо перед собою; повертаючись назад до корпусу динаміка, мембрана залишає більше простору для повітря попереду, що призводить до його розрідження.

Як стискання, так і розрідження є локальними збуреннями, і повітря прагне відновити рівновагу. Коли рух мембрани підвищує локальний тиск, молекули повітря перед мембраною тиснуть на молекули, що знаходяться трохи далі. Ці молекули, у свою чергу, передають вплив наступним і так далі.

Аналогічно, коли мембрана повертається назад, вона знижує тиск, і молекули повітря заповнюють вивільнений простір. Внаслідок цього молекули, що знаходяться далі від мембрани, також переміщуються. Те, що передається від однієї молекули до іншої, — це енергія руху.

Швидкість звуку

Швидкість, з якою енергія поширюється від джерела, називається швидкістю звуку.

Як правило, швидкість звуку в повітрі становить 340 м/с, але вона збільшується або зменшується залежно від температури повітря:

Cair = (331 + 0,6 × T) м/с, де T — температура повітря в °C.

Це означає, що через одну секунду після того, як мембрана динаміка почала рухатися, слухач на відстані 340 метрів почне щось чути. Якщо протягом цієї секунди мембрана виконує лише один цикл руху вперед і назад, кажуть, що вона коливається з частотою 1 Гц, що відповідає одному циклу за секунду. Протягом цього циклу, перш ніж мембрана почне рухатися назад, тиск повітря перед динаміком збільшується до максимуму, після чого зменшується до мінімуму, а потім повертається до нейтрального стану.

Якби ми могли зупинити час через одну секунду і пройти 340 метрів від динаміка, ми б спостерігали розподіл тиску перед динаміком, що відображає ці зміни, таким чином формуючи одну повну довжину хвилі.

Більшість людей починають чути звук на частоті 20 Гц, тобто коли динамік виконує 20 циклів за секунду. Звук при цьому поширюється з тією ж швидкістю від джерела, і все ще проходить одна секунда, перш ніж слухач на відстані 340 метрів почне щось чути. Однак за цей час динамік уже виконав 20 циклів, і якщо знову «зупинити час», ми побачимо в повітрі картину, де тиск змінюється 20 разів між максимумом і мінімумом.

Довжина хвилі визначається як довжина, що відповідає одному циклу. Оскільки на відстані 340 метрів укладається 20 циклів, довжина хвилі для 20 Гц становить:

340 м / 20 = 17 м

Аналогічно, для 20 кГц (найвищої частоти, яку може чути більшість людей), довжина хвилі дорівнює:

340 м / 20000 = 1,7 см

Чому важлива довжина хвилі?

Важливість довжини хвилі полягає в тому, що вона дозволяє співвідносити розміри об’єктів із частотами звуку. Це актуально практично для всіх напрямів акустики.

Наприклад…

Моделі стоячих хвиль

При розгляді акустики приміщення очевидно, що звук поширюється в обмеженому просторі.

Коли звук досягає стін, стелі або підлоги, він відбивається і інтерферує з іншими звуковими хвилями від того ж або інших джерел. Якщо довжина хвилі відповідає розмірам приміщення, ці хвилі утворюють так звані «моделі стоячих хвиль», підсилюючись в одних зонах (створюючи ефект гулу) і послаблюючись в інших (звук стає слабким).

Зліва: відповідність найнижчій частоті (найдовшій хвилі) — дуже сильний звук біля стін і слабкий або відсутній у центрі кімнати.

Справа: відповідність більш високій частоті, коли в кімнату вміщуються дві довжини хвилі — сильний звук біля стін і в центрі, що чергується із зонами слабкого звуку.

Отже, знання довжин хвиль для відповідних частот може бути ефективно використане для підсилення певних частот (наприклад, розміщення сабвуферів біля стін або в кутах) або для уникнення небажаних ефектів шляхом зміни форми та розмірів приміщення.

Не менш важливим, ніж розмір приміщення, є розмір об’єктів у ньому. Об’єкти, розмір яких значно менший за довжину хвилі, не будуть відбивати звук, оскільки при великій довжині хвилі різниця тиску на об’єкті практично відсутня — тобто його наявність не має значення. Навпаки, якщо довжина хвилі порівняно мала, об’єкт буде діяти як екран і відбивач.

Саме тому перебування за колонкою значно зменшує високі частоти (короткі хвилі), але майже не впливає на низькі частоти (довгі хвилі), роблячи звук приглушеним.

Довжина хвилі звуку в повітрі

Довжина хвилі звуку в повітрі на частоті 1 Гц: 340 м

A: ці молекули вже реагують на рух мембрани динаміка, рухаючись до джерела
B: 170 м — половина довжини хвилі; молекули перебувають у нейтральному стані та починають рухатися до мембрани
C: фронт хвилі досяг цих молекул, переміщуючи їх у напрямку від джерела

Довжина хвилі звуку при 20 Гц: 340 м / 20 = 17 м

Рух мембрани

A: мембрана і повітря в нейтральному стані
B: мембрана у зовнішньому положенні та стиснене повітря
C: мембрана повертається, повітря розріджене

Швидкість звуку в повітрі

Чи рахували ви коли-небудь кількість секунд між спалахом блискавки і звуком грому?

Багато хто знає, що рахунок до трьох означає, що блискавка вдарила приблизно за 1 км. Виходячи з цього, можна оцінити швидкість звуку: 1 км / 3 с ≈ 340 м/с

Це пояснюється тим, що швидкість світла становить приблизно 300 000 км/с, тому ми бачимо спалах практично миттєво, навіть якщо він на відстані кількох кілометрів. Натомість швидкість звуку становить лише близько 340 м/с, тому грому потрібно кілька секунд, щоб подолати лише один кілометр.

Швидкість звуку при різних температурах

Температура замерзання (0 °C): 331,6 м/с
Кімнатна температура (20 °C): 343,0 м/с
Пустеля (45 °C): 358,0 м/с