Frequentie van geluid

Frequentie van geluid- trillingen per seconde

Wanneer er gesproken wordt over geluid komt meestal ook het begrip frequentie om de hoek kijken. Onder frequentie van geluid wordt het aantal trillingen per seconde verstaan. Frequentie is een natuurkundige objectieve term. Wat wij uiteindelijke subjectief waarnemen wanneer wij een geluid met een bepaalde frequentie horen, wordt aangeduid met het woord “toonhoogte”.

Wanneer gekeken wordt naar een luidspreker die (via een oscillator) een regelmatig signaal aangeboden krijgt (bijvoorbeeld een pure toon), zal de luidspreker vanuit de rust stand naar voren bewegen, weer terug komen in de rust stand en vervolgens naar achter bewegen. In onderstaande figuur is dit afgebeeld.

Geluidsterkte luidspreker

Deze totale bewegingen wordt één trilling genoemd. Duurt het nu precies 1 seconde voordat de trilling voorbij is, dan zeggen we dat de toon een frequentie heeft van 1 Hertz (afgekort: Hz).

De trilling die de luidspreker in bovenstaande figuur maakt, is een zogeheten periodieke of regelmatige trilling. Een periodieke trilling is een beweging die zich op vaste tijdstippen herhaalt. Er zijn ook niet-periodieke trillingen. Bij dergelijke trillingen is er geen sprake van een zich herhalend patroon. Denk hierbij aan muziek van een rockband. Het bewegingspatroon van de conus van de luidspreker is dan zeer grillig.

Ter illustratie van een periodieke trilling kijken we naar onderstaande stopwatch. Wanneer we op de knop van de stopwatch drukken gaat deze lopen. Hij begint bovenaan. Na 15 seconden staat de wijzer horizontaal, bij 30 seconden staat de wijzer helemaal beneden, bij 45 seconden weer horizontaal en bij 60 seconden weer helemaal boven.

Harmonische trilling

We zien dat het de wijzer van deze stopwatch een beweging maakt, die we als we deze weergeven in de tijd, een mooie golfbeweging maakt. Een dergelijke golfbeweging noemen we een harmonische trilling. De weergave van een dergelijke periodieke, regelmatige trilling, wordt ook wel een sinus genoemd.

De stopwatch heeft dus een frequentie van F=1/t =>
F=1/60s=0.0166 Hz.

Of we een toon of geluid hoog of laag vinden klinken is natuurlijk subjectief. Echter de volgende relatie is zeker: naarmate de frequentie toeneemt klinkt een geluid hoger. Een hoge toon heeft meer golven per seconde dan een lage toon.

Frequentie - hoog-laag

Zo heeft een hoog klinkende piccolo ook een hele hoge frequentie met duizenden trillingen per seconde. Het geluid van een tuba daarentegen klinkt heel laag (subjectief) en heeft ook een hele lage frequentie (objectief).

Een gezond oor neemt tonen waar tussen de 20 en 20.000 Hz. Dat wil niet zeggen dat geluiden die boven de 20.000 Hz niet belangrijk kunnen zijn bij het waarnemen van complexe signalen zoals muziek en mede bepalend zijn voor bepaalde facetten van het geluidsbeeld.

Verband tussen toonhoogte en frequentie

Net als intensiteit gekoppeld is aan de waargenomen luidheid, is frequentie dus gekoppeld aan de waargenomen toonhoogte. Bij beiden bestaat echter geen één-op-één relatie tussen de fysische grootheid en de daar aan subjectief ervaren sensatie. Zo hangt de waargenomen toonhoogte zowel af van de frequentie als van de intensiteit (wel in mindere mate), de duur van het geluid en of er ook andere geluiden aanwezig zijn. Net als bij de waarneming van luidheid vindt ook bij de waarneming van toonhoogte een vorm van compressie plaats.
Er zijn bij de waarneming van geluiden verschillen tussen de lage en hoge geluiden. Beneden de 1000 Hz gaan de waargenomen toonhoogte en de daaraan gerelateerde frequentie ongeveer gelijk met elkaar op. Een toon onder de 1000 Hz waarvan de frequentie twee maal zo hoog wordt gemaakt klinkt ook tweemaal zo hoog.
Bij tonen boven de 2500 Hz gaat de toon subjectief hoger klinken als de intensiteit toeneemt (en dus de frequentie gelijk blijft). In de lagere frequenties (onder de 1000 Hz) is het verband evenredig. Lees hier meer over verschillende theorieën van toonhoogte perceptie.

Begrippen:

Periode (T) = de duur van een enkelvoudige trilling
Golflengte (λ)= de lengte van een enkele golf
Frequentie (f)=het aantal trillingen per seconde, waarbij geldt f=1/T
Voortplantingssnelheid (v)= de snelheid waarmee de golf zich verplaatst
Voortplantingssnelheid van geluid in  lucht = 340 m/s (in vloeistoffen is die sneller en in vaste stoffen nog sneller). In vacuüm kan geluid zich niet voortplanten.