§4.2. Зависимости амплитуды вынужденных колебаний и сдвига фаз от частоты внешнего воздействия. Резонанс.
1. Вернемся к механической системе пружинного маятника, на который действует внешняя сила, изменяющаяся по гармоническому закону. Для такой системы дифференциальное уравнение и его решение соответственно имеют вид:
, .
Проанализируем зависимость амплитуды колебаний и сдвига фаз от частоты внешней вынуждающей силы, для этого найдем первую и вторую производную от х и подставим в дифференциальное уравнение.
, ,
Воспользуемся методом векторной диаграммы. Из уравнения видно, что сумма трех колебаний в левой части уравнения (Рисунок 4.1) должна быть равна колебанию в правой части. Векторная диаграмма выполнена для произвольного момента времени t. Из нее можно определить .
Рисунок 4. 1
, .
Учитывая значение ,,, получим формулы для φ0 и Аампл. механической системы:
, .
2. Исследуем зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы и величины силы сопротивления в колеблющейся механической системе, по этим данным построим график . Результаты исследования отражены в Рисунке 4.2, по ним видно, что при некоторой частоте вынуждающей силыамплитуда колебаний резко возрастает. И это возрастание тем больше, чем меньше коэффициент затухания β. Приамплитуда колебаний становится бесконечно большой.
Явление резкого возрастания амплитудывынужденных колебаний при частоте вынуждающей силы, равной , называется резонансом.
Кривые на Рисунке 4. 2 отражают зависимость и называются амплитудными резонансными кривыми.
Рисунок 4.2 – Графики зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы.
3. Используем данные об амплитуде и сдвиге фаз вынужденных колебаний для механической системы и выразим эти же характеристики для аналогичных величин электромагнитной системы (LCR– контур с включенным в его цепь внешним источником ЭДС, величина которой изменяется по гармоническому закону):
, .
5. Сила тока при установившихся в контуре колебаниях равна:
,
где — амплитуда силы тока, ψ0 – сдвиг фаз между силой тока и внешнейЭДС в контуре.
, , . График зависимости представлен на Рисунке 4.3.
| на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | колебания и волны | Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги Рассмотрим зависимость амплитуды А вынужденных колебаний от частоты w. Механические и электромагнитные колебания будем рассматривать одновременно, называя колеблющуюся величину либо смещением (х) колеблющегося тела из положения равновесия, либо зарядом (Q) конденсатора. Из формулы (147.8) следует, что амплитуда А смещения (заряда) имеет максимум. Чтобы определить резонансную частоту wрез, — частоту, при которой амплитуда А смещения (заряда) достигает максимума, — нужно найти максимум функции (147.8), или, что то же самое, минимум подкоренного выражения. Продифференцировав подкоренное выражение по Это равенство выполняется при w=0, ±, у которых только лишь положительное значение имеет физический смысл. Следовательно, резонансная частота (148.1) Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы (частоты вынуждающего переменного напряжения) к частоте, равной или близкой собственной частоте колебательной системы, называется резонансом (соответственно механическим или (148.2) На рис. 210 приведены зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты при различных значениях d. Из (148.1) и (148.2) вытекает, что чем меньше d, тем выше и правее лежит максимум данной кривой. Если w® 0, то все кривые (см. также (147.8)) достигают одного в того же, отличного от нуля, предельного значения , Из формулы (148.2) вытекает, что при малом затухании () резонансная амплитуда смещения (заряда) где Q — добротность колебательной системы (см. (146.8)), — рассмотренное выше статическое отклонение. Отсюда следует, что добротность На рис. 211 представлены резонансные кривые для амплитуды скорости (тока). Амплитуда скорости (тока) максимальна при wрез=w0 и равна , т. е. чем больше коэффициент затухания d, тем ниже максимум резонансной кривой. Используя формулы (142.2), (146.10) и (143.4), (146.11), получим, что амплитуда скорости при механическом резонансе равна а амплитуда тока при электрическом резонансе Из выражения tgj = (см. (147.9)) следует, что если затухание в системе отсутствует ( Зависимость j от w при разных коэффициентах d графически представлена на рис. 212, из которого следует, что при изменении w изменяется и сдвиг фаз j. Из формулы (147.9) вытекает, что при w=0 j=0, а при w=w0 независимо от значения коэффициента затухания j = p/2, т. е. сила (напряжение) опережает по фазе колебания на Явления резонанса могут быть как вредными, так и полезными. Например, при конструировании машин и различного рода сооружений необходимо, чтобы собственная частота колебаний их не совпадала с частотой возможных внешних воздействий, в противном случае возникнут вибрации, которые могут вызвать серьезные разрушения. С другой стороны, наличие резонанса позволяет обнаружить даже очень слабые колебания, если их частота совпадает с частотой собственных колебаний прибора. |
Основы звука: что такое частота и амплитуда?
Блог
Советы/подсказки
29 июня 2022 г.
Задумывались ли вы когда-нибудь, из чего состоит звук ?
Звук постоянно окружает нас. Этот постоянный сенсорный ввод для тех из нас, кто не является глухим или слабослышащим (пожалуйста, см. примечание внизу этого поста о доступности) , является важной частью того, как мы воспринимаем и воспринимаем мир вокруг нас. как мы
Проще говоря (а пока прокрутите вниз, чтобы получить более подробную информацию о звуке):
- Амплитуда – это громкость (или «громкость»). Высокая амплитуда – громкая, низкая – тихая. Мы измеряем громкость в децибелах (дБ).
- Частота — высота тона . Высокая частота — это высокий звук, низкая частота — это низкий звук. Мы измеряем частоту в герцах (Гц) и килогерцах (кГц), что составляет тысячи герц.
Понимание этих частей звука очень важно для понимания того, как мы работаем со звуком при создании видео и подкастов.
Важность амплитуды/громкости довольно очевидна. Если звук недостаточно громкий, мы его не слышим. Если звук слишком громкий, он может быть раздражающим, ошеломляющим и даже болезненным.
Но какое значение имеет высота звука? Высота звука на самом деле многое говорит нам о нашем физическом отношении к источнику звука. Низкие частоты распространяются дальше и проходят сквозь объекты легче, чем звуки более высоких частот. Каждый звук, который мы слышим, включая голоса друг друга, представляет собой сложную комбинацию различных высоких и низких частот. На частоты и то, как мы их слышим, может влиять окружающая среда. Все высоты звука, составляющие любой звук, важны для восприятия этого звука, и удаление или приглушение любого из них может изменить наше восприятие этого звука. Так, например, когда вы слышите, как кто-то разговаривает по другую сторону двери, их голос звучит по-другому, потому что более высокие частоты в их голосе не проходят через дверь, а также более низкие частоты.
Когда вы объединяете эффекты амплитуды и частоты, все становится немного сложнее. Когда высокие звуки тише , они звучат так, как будто они находятся дальше, потому что звуки высокого тона/высокие частоты не распространяются так далеко или через объекты, как звуки низкого тона/низкие частоты. (Вот почему ребенок в вашем классе начальной школы с низким голосом всегда ловится на разговоре в классе… потому что его голос звучит дальше и мощнее, чем у детей с более высоким голосом.)
Вот как мы можем манипулировать частотами в нашем редактировании: контролируя амплитуду частот. Одним из инструментов, которые есть почти в каждом программном обеспечении для редактирования, являются эквалайзеры . Эквалайзер позволяет вам повышать или понижать амплитуду различных частот, что может быть чрезвычайно полезно в процессе редактирования.
Несколько фактов о звуке, которые помогут вам избежать возможных проблем со звуком и улучшить звук при редактировании:
- Когда наш слух находится в лучшем состоянии, люди обычно могут слышать диапазон частот от 20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц), но с возрастом мы теряем высокие частоты. (Помните те вирусные видеоролики «Звук, который может слышать только подросток?». Подробнее об этом ниже в разделе «Технические сведения».)
- Человеческий голос, как правило, находится в диапазоне от 100 Гц на самом низком уровне до 15 кГц на самом высоком. Если вы внимательно посмотрите на частоты диалогов в любом из ваших произведений, вы обнаружите, что каждый голос занимает значительный диапазон этих частот в каждой записи.
- Поскольку человеческий голос имеет тенденцию занимать значительный диапазон частот в том, что мы слышим, почти любой другой звук, который вы можете услышать, будет мешать записи голоса. Хотя вы можете уменьшить громкость определенных частот, чтобы попытаться свести к минимуму отвлекающий звук, вы должны быть осторожны, иначе вы можете негативно повлиять на звук вашего диалога.
- Всегда будьте очень осторожны при использовании эквалайзера для изменения громкости частот в записи диалога. Если сделать высокие частоты слишком тихими, человек может звучать глухо. Если сделать низкие частоты слишком тихими, человек может звучать как робот.
Как это повлияет на ваш процесс записи?
- При записи людей, будь то диалоги для рассказа или интервью для документального фильма, найдите тихое место, максимально изолированное от отвлекающих звуков . Почти каждый звук является разрушительным, и нелегко изолировать и удалить эти звуки, не влияя на запись голоса.
- При записи голоса располагайте микрофон как можно ближе к людям. Избегайте потери высоких частот с расстоянием, а также чем ближе вы находитесь к источнику звука, тем больше амплитуда звука. Чем больше амплитуда звука, тем менее чувствительным должен быть ваш микрофон. Чем менее чувствителен ваш микрофон, тем меньше нежелательных звуков он улавливает.
Что вы можете сделать при редактировании, чтобы изменить частоту и улучшить свои записи?
Эквалайзер может быть мощным инструментом, помогающим сделать голосовые записи четкими для слушателей:
- Уменьшите громкость частот ниже 100 Гц, что поможет свести к минимуму влияние звуков вентиляторов, кондиционеров или даже проезжающих машин или самолетов.
- Увеличьте громкость частот примерно от 500 Гц до 1000 Гц (1 кГц). Этот диапазон, как правило, находится там, где человеческий голос наиболее четкий. Повышение громкости этих частот может улучшить четкость для ваших слушателей.
- Уменьшите громкость частот выше 15 кГц, что поможет минимизировать влияние высокочастотных звуков.
- Петличный микрофон, который вы использовали для записи, оказался похороненным под тяжелой одеждой, заглушив голос вашего субъекта? Поднимите высокие частоты, и вы сможете улучшить их и сделать звучание менее приглушенным.
- Вам нужно, чтобы кто-то звучал так, как будто он находится далеко или, возможно, за дверью или стеной? Уменьшите высокие частоты выше 1 кГц и уменьшите общую громкость аудиоклипа, и с небольшой настройкой вы должны получить желаемый результат.
- Вам нужно, чтобы кто-то говорил так, как будто он разговаривает по телефону или участвует в видеовстрече, такой как Skype или Zoom? Понизьте как высокие, так и низкие частоты. Чтобы обеспечить звук в режиме реального времени на расстоянии, телефоны и службы видеоконференций минимизируют частоты, которые они передают, поэтому голоса при использовании этих служб всегда звучат немного иначе.
- Другие эффекты, такие как удаление шума, предназначены для аналогичного воздействия на громкость определенных частот для улучшения качества звука. Удаления шума предназначены для контроля жужжания, которое иногда можно услышать от электрических устройств. Электричество, как и звук, также колеблется и имеет частоту. Это колебание иногда проявляется как звук той же частоты электрического тока. В США и некоторых других странах эта частота составляет 60 Гц. В большинстве других стран эта частота составляет 50 Гц. Средство для удаления гула сведет к минимуму этот звук.
Получение технических знаний
Это некоторые практические способы работы со звуком и способы управления амплитудой и частотой для улучшения записанного звука. Но давайте немного подробнее остановимся на тех из вас, кому любопытно.
Важно понимать, что звук — это волна. Технически это волна давления в среде. Мы можем визуализировать эту волну с помощью нашего звукового оборудования как звуковую волну. Когда вы просматриваете свой звук в Adobe Audition, Adobe, Premiere, Avid Pro Tools, Avid Media Composer, Final Cut Pro X, Logic Pro X, DaVinci Resolve или любой другой программе с возможностью редактирования звука, вы смотрите на визуальное представление звуковой волны. В этом визуальном представлении отображаются амплитуда и частота. Амплитуда описывает мощность волны, которая представлена высотой звуковой волны. Частота описывает скорость волны или расстояние между началом и концом каждой волны. Это колебание, а количество колебаний в секунду и есть частота.
Скриншот звуковой волны на странице Fusion DaVinci Resolve. Скриншот той же звуковой волны в DaVinci Resolve, увеличенный.Мы воспринимаем высоту и скорость волны как громкость и высоту тона соответственно. Чем больше амплитуда, тем больше волна, что делает звук громче. Мы измеряем эту амплитуду в децибелах, и обычно это то, чем вы больше всего манипулируете: громкость звука. Вы можете увеличить громкость, не затрагивая другую часть звука, частоту.
Шаг соответствует частоте или скорости волны. Мы измеряем частоту в герцах (Гц) или килогерцах (кГц, что используется для описания тысяч герц). Чем выше герц, тем больше колебаний в секунду, тем короче расстояние между волнами. Чем короче расстояние между волнами, тем выше высота звука. Высокочастотная звуковая волна, скажем, что-то около 15 000 Гц (также известная как 15 кГц) будет восприниматься нами как звук высокого тона, в то время как низкочастотная звуковая волна, например, 100 Гц будет восприниматься как звук низкого тона. Вы можете увеличивать или уменьшать частоту, не влияя на громкость.
Понимание основ частей звука может значительно улучшить ваш звук как при записи, так и при редактировании. Надеемся, что факты и советы, которыми мы поделились выше, помогут улучшить все ваши будущие постановки. Прежде чем мы закончим, вот несколько забавных фактов об амплитуде и частоте:
- Люди могут слышать частоты примерно от 100 Гц до 20 кГц, но собаки большинства пород обычно слышат от 67 Гц до 45 кГц, а кошки слышат примерно от 48 Гц до 20 кГц. 85 кГц. Итак, если ваш питомец, кажется, реагирует на вещи, которых нет, возможно, они просто слышат что-то, чего вы не слышите.
- Некоторые исследования показали, что хотя люди и многие другие животные не могут слышать низкочастотные звуки ниже 20 Гц, мы можем их чувствовать. Звуки в этом диапазоне ниже 20 Гц называются инфразвуком. Несмотря на то, что инфразвук не обнаруживается ушами, у некоторых людей он вызывает чувство беспокойства или даже тошноту. Эти виды низкочастотных звуков были связаны с вибрациями земли перед землетрясениями и извержениями вулканов. Было даже проведено несколько исследований в местах, о которых часто сообщается как о привидениях, которые показали присутствие этих низкочастотных звуков в тех местах, где люди чувствуют себя наиболее неловко. Когда источник звука был удален, чувство беспокойства исчезло. Это призрак в вашем доме или просто плохая труба вибрирует и издает низкочастотный звук? Вы можете позвонить сантехнику, прежде чем вызывать экзорциста.
- Еще в 2006 году, узнав, что существуют высокочастотные звуки, которые взрослые уже не могут слышать, подростки в Великобритании начали использовать эти звуки в качестве мелодий звонка, чтобы они могли слышать звонок своего мобильного телефона, а родители и учителя — нет. Вы можете прочитать о том, как они адаптировали это из «репеллентного устройства для подростков», чтобы предотвратить праздношатание, на WashingtonPost.com.
Специальное примечание: чтобы сделать ваш проект доступным для глухих или слабослышащих, вам нужно узнать о субтитрах для глухих или слабослышащих (SDH). Вот хорошее место для начала: https://blog.ai-media.tv/blog/what-is-sdh
Для получения дополнительной информации, советов и рекомендаций посетите сайт www.mnn.org/learn, где вы найдете бесплатные семинары, профессиональные курсы, учебные курсы по кинопроизводству и другие ресурсы, которые помогут сделать ваше производство успешным.
Разница между амплитудой и частотой: объяснение звука
Мы слышим звуки, видим свет и цвета, чувствуем тепло, исходящее от огня. Все это волны, за исключением того, что они имеют разные длины волн. В то время как звуковым волнам для распространения требуется среда, свет также может проходить через вакуум, но оба они являются волнами.
Все волны могут быть представлены формой волны. Форма волны дает нам визуальное представление об амплитуде и частоте волны, поэтому мы можем оценить ее интенсивность, а также определить, где она находится в спектре механических или электромагнитных волн.
Несмотря на различия в способах распространения звуковых и световых волн (частицы в звуковой волне движутся параллельно направлению распространения волны и называются продольной волной, частицы в световой волне движутся в направлении, перпендикулярном к направлению движения волны и называется поперечной волной), они по-прежнему определяются с точки зрения их амплитуды и частоты.
Звуковые волны
Волны — это энергия, передающаяся из одной точки пространства в другую. Когда мы говорим о звуке, мы косвенно ссылаемся на его частоту, указывая, насколько низким или высоким является звук, и на его амплитуду, насколько он громкий или тихий.
Точно так же, когда речь идет о видимом свете, частота света будет определять, какой цвет мы видим, при этом красный находится в нижней части спектра, а фиолетовый — в верхней части спектра, а амплитуда указывает на его яркость.
Волна возникает, когда вибрирующий источник вызывает периодическое возмущение исходной частицы в среде. Это, в свою очередь, возмущает следующую частицу, которая возмущает следующую, и так далее, вызывая распространение волны вдоль среды по мере движения или передачи энергии от частицы к частице.
Вдоль волны каждая отдельная частица вибрирует с той же частотой, что и исходный источник. Следовательно, период колебаний каждой частицы в среде, следовательно, также равен периоду колебаний источника.
Что такое частота?
Единицей измерения частоты является герц (Гц). Из-за большого диапазона частот от нижнего конца спектра (звуковые волны) до верхнего конца (гамма-лучи), килогерц (кГц), мегагерц (МГц), гигагерц (ГГц), терагерц (ТГц) и т. д. обычно используются.
Узнать больше : Почему люди не слышны ультразвуковых частот?
Один герц равен одному полному циклу или одному полному колебанию волны, совершающемуся за одну секунду. Если взять в качестве примера синусоиду, полный цикл — это когда волна начинается с нуля (или в состоянии покоя), поднимается до положительного пика, затем спускается через ноль до отрицательного пика и возвращается в исходное состояние в состоянии покоя. .
Если в секунду происходит несколько циклов волны, то число циклов (выраженное как число циклов в секунду) также является частотой волны. Таким образом, частота волны может быть выражена как 10 циклов в секунду (10 имп/с или 10 имп/с) или как 10 Герц (10 Гц).
Количество времени, необходимое для завершения одного цикла, является периодом волны (т. е. обратной ее частоте). Если волна имеет частоту 10 Гц, она совершает 10 циклов за одну секунду, и поэтому один цикл имеет продолжительность в одну десятую секунды, что является его периодом.
Говоря о волнах, находящихся в самом верхнем конце электромагнитного спектра, часто используется длина волны, а не частота. Длину волны по отношению к частоте можно рассчитать по формуле λ = v/f (где λ = длина волны, v = скорость волны, f = частота).
Длина волны и частота напрямую связаны, так что если длина волны увеличивается, ее частота уменьшается, и наоборот, а скорость остается постоянной.
Что такое амплитуда?
В то время как частота измеряет, сколько циклов волны происходит за определенный период времени (обычно за секунду), амплитуда является мерой интенсивности волны. Если предположить, что одна и та же музыкальная нота играется то громко, то тихо, то при этом ее частота не меняется, меняется ее громкость, интенсивность, амплитуда, называйте как хотите.
Источник желтого света может светить тускло или ярко. Опять же, его частота остается прежней, и он по-прежнему излучает желтый луч, но меняется интенсивность или яркость света. Итак, если звук мы называем громкостью, а яркость света, то во всех случаях мы имеем в виду одно и то же свойство — амплитуду волны.
Амплитуда волны соответствует максимальному расстоянию, на которое частица перемещается из состояния покоя вдоль среды, в которой распространяется волна. Ссылаясь на наше более раннее определение волны, а именно, что «волны — это энергия, переходящая из одной точки пространства в другую», амплитуда, таким образом, представляет собой энергию волны.
Если мы посмотрим на форму волны синусоиды, амплитуда это расстояние между гребнем (положительный пик) и впадиной (отрицательный пик), деленное на два. Поскольку это мера смещения, ее значение выражается в метрах.
В чем разница между частотой и амплитудой
Если мы обращаемся к графическому представлению сигнала (например, синусоида), как правило, частота представлена временем, отложенным по оси x или горизонтальной оси, а амплитуда – по оси y или вертикальная ось. Затем изменения частоты волны могут быть представлены циклами формы волны, которые более сжаты или расширены, в зависимости от того, выше или ниже частота соответственно.
Амплитуда, с другой стороны, приведет к более высоким пикам и более глубоким впадинам, представляющим увеличение количества энергии волны. Хотя и амплитуда, и частота являются ключевыми свойствами любой волны, они не зависят друг от друга.
В отличие от частоты и длины волны, где изменение длины волны оказывает обратное влияние на частоту (т. е. чем больше длина волны, тем меньше частота), изменение амплитуды не оказывает никакого влияния на частоту волны.
Другое соображение состоит в том, как на волны влияет среда, через которую они проходят, и что происходит, когда они переходят из одной среды в другую. Что остается постоянным, так это частота волны, которая не меняется от среды к среде. Так что же меняется.
Скорость звука в воздухе составляет около 343 метров в секунду (м/с), тогда как в воде он распространяется со скоростью 1481 м/с, а в железе — 5120 м/с. В отличие от световых волн и других электромагнитных волн, звук не может распространяться в вакууме. Вот почему звуковые волны также называют механическими волнами.
Напротив, скорость света в космическом вакууме составляет около 300 000 километров в секунду. В воде она падает до 225 000 километров в секунду, а в стекле — до 200 000 километров в секунду. Следовательно, скорость волны зависит от среды, через которую проходит волна. В отличие от звуковых волн, световые волны могут распространяться в вакууме и называются электромагнитными волнами.
Из формулы λ = v/f, видно, что так как скорость волны меняется при переходе из одной среды в другую, а частота остается постоянной, то получается, что и длина волны будет меняться . Когда волна распространяется из одной среды в более плотную среду, ее скорость замедляется, и поэтому ее длина волны уменьшается.
На амплитуду также влияет переход волны из одной среды в другую. Часть энергии волны отражается, поэтому амплитуда затухает или ослабляется. Кроме того, когда волна распространяется через среду, ее амплитуда затухает с расстоянием из-за рассеяния и поглощения.
Поскольку волны переносят энергию, в механических волнах, таких как звуковые волны, передача энергии волны зависит как от ее амплитуды, так и от частоты. Поскольку каждый цикл несет некоторое количество энергии, чем больше циклов в секунду (т. е. чем выше частота), тем больше энергии будет передано.
Вот почему низкие звуки распространяются дальше, чем высокие. Звуки высокой тональности совершают больше циклов в секунду и поэтому потребляют или требуют гораздо больше энергии. В электромагнитных волнах, таких как свет, передача энергии зависит только от амплитуды волны и не зависит от ее частоты.
Подводя итоги, можно сделать вывод, что разница между частотой и амплитудой заключается в том, что частота остается постоянной, независимо от типа волны (будь то механическая или электромагнитная) или среды, через которую распространяется волна.
Напротив, на амплитуду волны влияет расстояние и среда, в которой распространяется волна.