(FREQUENCY RANGE OF SOUND) طیف فرکانسی صدا

طیف فرکانسی صدا (Frequency Range of Sound)

موج صوتی اغتشاشی است که در محیط مادی کشسان (گاز، مایع یا جامد) منتشر شود. با مرتعش شدن یک جسم جامد هوای اطراف آن به نوسان درمی‌آید. این نوسان به شکل نوسان فشار هوا ظاهر می‌شود که به آن موج صوتی می‌گویند. در جریان سیال گاز یا مایع نیز در اثر وجود تنش‌های برشی و در نتیجه اغتشاشات جریانی صدا ایجاد می‌شود و منظم داشته باشد. نوسان می تواند حالت تکراری (periodic) و منظم داشته باشد. اگر در هر تکرار این نوسان، فقط یک قله و یک قعر ظاهر شود و بتوان آن را به شکل یک تابع مثلثاتی نسبت به زمان بیان کرد که آن را موج همساز (harmonic) می‌گویند. (شکل a) نمایش طیف فرکانسی این موج مطابق شکل b، تک فرکانسی (Pure Tone or single frequency) خواهد بود. فرکانس موج، بیان کننده تعداد نوسان در هر ثانیه است. نمونه‌ای از ترکیب سه نوسان همساز ساده بر حسب زمان و فرکانس در شکل‌های c و d نشان داده شده است.

طیف فرکانسی صدا

افزایش و کاهش فشار هوا نسبت به فشار اتمسفر باعث تولید موج صوتی می‌­شود. این کاهش و افزایش می­‌تواند حالت نوسانی داشته و در یک فرکانس مشخص رخ دهد. به این موج، موج تک فرکانسی می­‌گویند. البته موج صوتی معمولاً ترکیبی از تعداد نامحدودی موج‌های تک فرکانسی می­‌باشد. تمامی این فرکانس‌­ها در کنار یکدیگر تشکیل طیف پیوسته صدا را می‌دهند (شکل‌های e و f). طیف صدا خاصیت ذاتی صوت بوده و مستقل از فاصله است. برای مثال صدای یک ویولن همان طیفی را در فاصله‌ی 30 متری دارد که در فاصله‌ی 5 متری شنیده می­‌شود و تنها مقدار صداست که با فاصله تغییر کرده است.
یک فرد جوان و سالم می‌تواند صدا را در بازه‌ی فرکانسی 15 تا 16000 هرتز بشنود که به این بازه، حد شنوایی می­‌گویند. البته لازم به ذکر است که حساس‌ترین بازه‌ی فرکانسی برای گوش انسان 3000 تا 6000 هرتز می‌­باشد. به دلیل اینکه شنوایی انسان طیف بسیار گسترده‌ای از فرکانس را شامل شده و گوش نسبت به برخی فرکانس‌­های این طیف حساسیت بیشتری نشان می­‌دهد، در اندازه‌گیری و محاسبات، طیف صدا را به چندین بازه (که هر بازه را یک باند فرکانسی می­‌نامیم) تقسیم می­‌کنند.

تحلیل فرکانسی

تحلیل فرکانسی فرایندی است که طی آن یک سیگنال متغیر با زمان به اجزای فرکانسی مشخصی تجزیه می­‌شود. با این کار می‌توان بازه‌ی بینهایت گسترده تغییرات را به شکل یک کمیت در یک نمودار میله‌ای مطرح کرد تا تحلیل و توصیف موج صدا آسان شود.
در شکل a و b، یک موج صوتی تک فرکانسی نمایش داده شده است. شکل a، نمایش فشار برحسب زمان بوده و در شکل b به صورت یک کمیت مطرح شده است که سطح زیر منحنی فشار به توان دو می‌باشد.
در شکل c و d، سه موج تک فرکانسی که به صورت همزمان منتشر می‌­شوند، نشان داده شده است. موج اولیه دارای سه فرکانس بوده و بعد از آنالیز فرکانسی به صورت 3 کمیت در نمودار میله‌ای مطرح شده است.
اکثر منابع صوت در دنیای واقعی، شرایطی مشابه شکل e دارند. همان‌گونه که مشاهده می­‌شود چنین موجی دارای ظاهری بی‌نظم و کاملاً رندوم می‌باشد؛ زیرا در آن همه فرکانس‌ها حضور دارند. به کمک آنالیز فوریه می­‌توان مقادیر صوت را در همه‌ی فرکانس‌ها تعیین و تفکیک نمود. بعد از تفکیک فرکانس‌ها می‌توان مقادیر را در همه‌ی فرکانس‌­ها به شکل نمودار پیوسته نمایش داد. ولی این نمودار پیچیده و بسیار گسترده است. در منابع علمی به منظور ساده‌سازی بیشتر مفهومی به نام باند اکتاو (Octave band) تعریف شده است که در آن تعداد محدودی فرکانس، مشخص شده تا مقادیر صدا در این فرکانس‌ها بیان شوند.
جدول زیر مقادیر فرکانسی در سیسنم اکتاو باند و یک سوم اکتاو باند را نشان می دهد که مقادیر صدا در این فرکانس ها بیان می شوند.

حد بالای باند

حد پایین باند

فرکانس مرکزی

یک سوم اکتاو باند

فرکانس مرکزی

اکتاو باند

شماره باند

28.2

22.4

25

31.5

14

35.5

28.2

31.5

15

44.7

35.5

40

16

56.2

44.7

50

63

17

70.8

56.2

63

18

89.1

70.8

80

19

112

89.1

100

125

20

141

112

125

21

178

141

160

22

224

178

200

250

23

282

224

250

24

355

282

315

25

447

355

400

500

26

562

447

500

27

708

562

630

28

891

708

800

1000

29

1122

891

1000

30

1413

1122

1250

31

1778

1413

1600

2000

32

2239

1778

2000

33

2818

2239

2500

34

3548

2818

3150

4000

35

4467

3548

4000

36

5623

4467

5000

37

7079

5623

6300

8000

38

8913

7079

8000

39

11220

8913

10000

40

14130

11220

12500

16000

41

17780

14130

16000

42

22390

17780

20000

43