Частота звуковой волны — это количество колебаний, совершаемых источником звука или частицей среды за единицу времени. Обозначается символом f и измеряется в герцах (Гц), где 1 Гц = 1 колебание в секунду.
В контексте акустики частота определяет, насколько быстро колеблется среда (например, воздух) в продольном направлении распространения звука. Это колебание создаёт сжатия и разрежения, распространяющиеся от источника в виде продольной звуковой волны. В идеализированной гармонической волне частота остаётся постоянной во времени и в однородной среде.
Формально связь между частотой f, длиной волны λ и скоростью звука v в данной среде выражается формулой:
v = f ⋅ λ
где: – v — скорость распространения звука (м/с), – f — частота (Гц), – λ — длина волны (м).
Высота звука — субъективная характеристика, определяющая, насколько «высоким» или «низким» воспринимается звук человеческим ухом. Несмотря на физическую природу частоты, высота — это психоакустическая категория, зависящая от восприятия.
Как правило, чем выше частота звуковой волны, тем выше воспринимаемая высота звука. Однако между физической частотой и субъективной высотой звука нет строго линейной зависимости. Например, в нижнем регистре ухо различает небольшие изменения частоты более отчётливо, чем в верхнем.
Условно:
| Частота (Гц) | Восприятие |
|---|---|
| ~20 – 100 | Очень низкий звук |
| 100 – 500 | Низкий звук |
| 500 – 2000 | Средний звук |
| 2000 – 5000 | Высокий звук |
| >5000 | Очень высокий звук |
Усреднённый диапазон слышимости для человека — от 20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц). Этот диапазон может варьироваться в зависимости от возраста, состояния слухового аппарата и индивидуальных особенностей.
С возрастом верхняя граница слышимости снижается, часто до 15–16 кГц у взрослых людей.
В музыкальной акустике каждой ноте соответствует определённая частота. Например, нота ля первой октавы (A₄) имеет частоту 440 Гц — это стандартная частота настройки музыкальных инструментов (т.н. камертонная «ля»).
Между соседними нотами в октаве отношение частот следует логарифмической зависимости. Частота увеличивается в геометрической прогрессии: одна октава вверх — удвоение частоты, одна вниз — уменьшение вдвое.
Формула частоты ноты:
$$ f_n = f_0 \cdot 2^{\frac{n}{12}} $$
где: – fn — частота нужной ноты, – f0 — опорная частота (например, 440 Гц), – n — количество полутонов от опорной ноты (вверх или вниз).
Большинство естественных звуков не являются чистыми синусоидальными колебаниями. Они имеют сложную спектральную структуру, состоящую из основного тона и обертонов (гармоник).
Даже если основной тон отсутствует (в спектре только гармоники), ухо способно по их интервалу восстановить его наличие — это называется фундаментальная иллюзия или восстановление высоты.
Измерение частоты звука производится с помощью следующих приборов и методов:
Для оценки частоты в реальном времени применяются цифровые алгоритмы и программное обеспечение (например, в аудиоредакторах, анализаторах голоса и акустических приложениях).
Хотя частота звуковой волны задаётся источником и не зависит от свойств среды, высота звука может восприниматься иначе при изменении условий:
Существуют известные явления, иллюстрирующие сложность восприятия высоты:
В речи изменение высоты используется для интонации, выражения эмоций, различения типов предложений (вопрос/утверждение), акцентирования и др. В тональных языках (например, китайском, вьетнамском) изменение высоты несёт лексическое значение.
В музыке высота является основой мелодии, гармонии и тональности. Слуховая система человека развивает способность к различению малых изменений частоты: музыкально подготовленный человек может различить интервалы менее 1 Гц.
Рецепция высоты звука осуществляется внутренним ухом, в частности — улиткой:
Человеческое ухо способно различать минимальные изменения частоты, особенно в диапазоне от 500 до 2000 Гц. Величина различимого частотного интервала (Just Noticeable Difference, JND) зависит от частоты и интенсивности звука: