Sunet

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 31 octombrie 2022; verificările necesită 4 modificări .

Sunetul  este un fenomen fizic , care este propagarea undelor elastice într-un mediu gazos, lichid sau solid . În sens restrâns, sunetul se referă la aceste unde, considerate în legătură cu modul în care sunt percepute de organele de simț ale oamenilor sau animalelor [1] .

Sursa sunetului poate fi un corp care efectuează vibrații mecanice conform unei anumite legi.

În general, sunetul este o colecție de unde de diferite frecvențe . Distribuțiile de intensitate pe frecvențe sunt netede (continue) sau cu maxime pronunțate la (discrete). Pentru a simplifica, concentrați-vă adesea pe un val de o anumită frecvență.

O persoană obișnuită este capabilă să audă vibrațiile sonore în intervalul de frecvență de la 16-20  Hz la 15-20 kHz [2] . Sunetul sub intervalul de auz uman se numește infrasunete ; mai mare: până la 1 GHz - prin ultrasunete , de la 1 GHz - prin hipersunete .

În prima aproximare , intensitatea sunetului este dictată de amplitudinea undei, iar tonul , înălțimea sunetului , este dictată de frecvență. Mai precis, zgomotul depinde într-un mod complex de presiunea sonoră efectivă, frecvența și forma modului, în timp ce înălțimea depinde nu numai de frecvență, ci și de mărimea presiunii sonore.

Dintre sunetele audibile, se remarcă sunetele fonetice, de vorbire și fonemele (din care constă vorbirea orală ) și sunetele muzicale (din care constă muzica ). Sunetele muzicale conțin nu unul, ci mai multe tonuri (valuri de frecvențe fixe ) și uneori componente de zgomot într-o gamă acustică largă.

Conceptul de sunet

Undele sonore pot servi ca exemplu de proces oscilator . Orice fluctuație este asociată cu o încălcare a stării de echilibru a sistemului și este exprimată prin abaterea caracteristicilor sale de la valorile de echilibru cu o revenire ulterioară la valoarea inițială. Pentru vibrațiile sonore, o astfel de caracteristică este presiunea într-un punct din mediu, iar abaterea sa este presiunea sonoră .

Dacă faceți o deplasare bruscă a particulelor unui mediu elastic într-un singur loc, de exemplu, folosind un piston, atunci presiunea va crește în acest loc. Datorită legăturilor elastice ale particulelor, presiunea este transferată către particulele învecinate, care, la rândul lor, acționează asupra următoarelor, iar zona de presiune crescută, așa cum ar fi, se mișcă într-un mediu elastic. Zona de înaltă presiune este urmată de zona de joasă presiune și, astfel, se formează o serie de zone alternante de compresie și rarefacție, care se propagă în mediu sub formă de undă. Fiecare particulă a mediului elastic în acest caz va oscila.

informatii mai detaliate

Viteza mișcării oscilatorii a particulelor dintr-un mediu elastic - viteza de oscilație - se măsoară în m/s sau cm/s. În ceea ce privește energia, sistemele oscilatorii reale se caracterizează printr-o schimbare a energiei datorită cheltuielilor sale parțiale cu lucrul împotriva forțelor de frecare și a radiațiilor în spațiul înconjurător. Într-un mediu elastic, oscilațiile se diminuează treptat. Pentru a caracteriza oscilațiile amortizate , se utilizează factorul de amortizare (S), decrementul logaritmic (D) și factorul de calitate (Q).

Factorul de amortizare reflectă rata la care amplitudinea scade în timp. Dacă notăm timpul în care amplitudinea scade cu un factor de e = 2,718, prin , atunci:

.

Scăderea amplitudinii într-un ciclu se caracterizează printr-o scădere logaritmică. Scăderea logaritmică este egală cu raportul dintre perioada de oscilație și timpul de dezintegrare :

Dacă o forță periodică acționează asupra unui sistem oscilator cu pierderi, atunci apar oscilații forțate , a căror natură repetă într-o oarecare măsură modificările forței externe. Frecvența oscilațiilor forțate nu depinde de parametrii sistemului oscilator. Dimpotrivă, amplitudinea depinde de masa, rezistența mecanică și flexibilitatea sistemului. Un astfel de fenomen, când amplitudinea vitezei de vibrație atinge valoarea maximă, se numește rezonanță mecanică. În acest caz, frecvența oscilațiilor forțate coincide cu frecvența oscilațiilor naturale neamortizate ale sistemului mecanic.

La frecvențe de expunere mult mai mici decât cea de rezonanță, forța armonică externă este echilibrată aproape exclusiv de forța elastică. La frecvențele de excitație apropiate de cea de rezonanță, forțele de frecare joacă rolul principal. Cu condiția ca frecvența acțiunii exterioare să fie mult mai mare decât cea de rezonanță, comportamentul sistemului oscilator depinde de forța de inerție sau de masă.

Proprietatea unui mediu de a conduce energia acustică, inclusiv energia ultrasonică, este caracterizată de rezistența acustică. Rezistența acustică a unui mediu este exprimată ca raportul dintre densitatea sunetului și viteza de volum a undelor ultrasonice. Rezistența acustică specifică a unui mediu este stabilită de raportul dintre amplitudinea presiunii sonore din mediu și amplitudinea vitezei de vibrație a particulelor sale. Cu cât rezistența acustică este mai mare, cu atât este mai mare gradul de compresie și rarefiere a mediului la o amplitudine dată de oscilație a particulelor mediului. Numeric, rezistența acustică specifică a mediului (Z) se găsește ca produs dintre densitatea mediului ( ) și viteza (s) de propagare a undelor sonore în acesta.

Impedanța acustică specifică este măsurată în pascal secunde pe metru ( Pa s/m) sau dyne•s/cm³ (CGS); 1 Pa s/m = 10 −1 dină • s/cm³.

Impedanța acustică specifică a unui mediu este adesea exprimată în g/s cm², cu 1 g/s cm² = 1 dyn·s/cm³. Rezistența acustică a mediului este determinată de absorbția, refracția și reflexia undelor ultrasonice.

Presiunea sonoră sau acustică într-un mediu este diferența dintre valoarea presiunii instantanee într-un punct dat al mediului în prezența vibrațiilor sonore și presiunea statică în același punct în absența acestora. Cu alte cuvinte, presiunea sonoră este o presiune variabilă în mediu datorită vibrațiilor acustice. Valoarea maximă a presiunii acustice variabile (amplitudinea presiunii) poate fi calculată din amplitudinea oscilației particulelor:

unde P este presiunea acustică maximă (amplitudinea presiunii);

La o distanță de jumătate de lungime de undă (λ/2), valoarea presiunii sonore se schimbă de la pozitiv la negativ. Diferența de presiune în două puncte cu valorile maxime și minime (distanțate una de cealaltă cu λ/2 de-a lungul direcției de propagare a undei) este egală cu 2Р.

Pascalul (Pa) este folosit pentru a exprima presiunea sonoră în unități SI , egală cu o presiune de un newton pe metru pătrat (N/m²). Presiunea acustică în sistemul CGS este măsurată în dine/cm²; 1 dină/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Alături de unitățile indicate, se folosesc adesea unități de presiune nesistemice - atmosferă (atm) și atmosferă tehnică (at), în timp ce 1 at = 0,98⋅10 6 dine/cm² = 0,98⋅10 5 N/m². Uneori se folosește o unitate numită bară sau microbar (bară acustică); 1 bar = 106 dine /cm².

Presiunea exercitată asupra particulelor mediului în timpul propagării undelor este rezultatul acțiunii forțelor elastice și inerțiale. Acestea din urmă sunt cauzate de accelerații , a căror magnitudine crește și pe o perioadă de la zero la un maxim (valoarea amplitudinii accelerației). În plus, în timpul perioadei, accelerația își schimbă semnul.

Valorile maxime ale accelerației și presiunii, care apar în mediu în timpul trecerii undelor ultrasonice în acesta, nu coincid în timp pentru o anumită particulă. În momentul în care diferența de accelerație atinge maximul, diferența de presiune devine egală cu zero. Valoarea amplitudinii accelerației (a) este determinată de expresia:

Dacă undele ultrasonice care călătoresc se ciocnesc de un obstacol, acesta experimentează nu numai o presiune variabilă, ci și una constantă. Zonele de îngroșare și rarefiere a mediului care apar în timpul trecerii undelor ultrasonice creează modificări suplimentare de presiune în mediu în raport cu presiunea externă din jurul acestuia. Această presiune externă suplimentară se numește presiune de radiație (presiune de radiație). Acesta este motivul pentru care, atunci când undele ultrasonice trec prin limita unui lichid cu aer, se formează fântâni de lichid și se desprind picături individuale de la suprafață. Acest mecanism și-a găsit aplicație în formarea de aerosoli de substanțe medicinale. Presiunea de radiație este adesea folosită pentru a măsura puterea vibrațiilor ultrasonice în contoare speciale - cântare ultrasonice.

În mediile lichide și gazoase, unde nu există fluctuații semnificative ale densității, undele acustice sunt de natură longitudinală , adică direcția de oscilație a particulelor coincide cu direcția de mișcare a undei. La solide , pe lângă deformațiile longitudinale, apar și deformații elastice de forfecare, care provoacă excitarea undelor transversale (de forfecare); în acest caz, particulele oscilează perpendicular pe direcția de propagare a undei ( undă transversală ). Viteza de propagare a undelor longitudinale este mult mai mare decât viteza de propagare a undelor de forfecare.

În filosofia, psihologia și ecologia mijloacelor de comunicare, sunetul este studiat în legătură cu impactul său asupra percepției și gândirii (vorbim, de exemplu, despre spațiul acustic ca spațiu creat de influența mijloacelor electronice de comunicare).

Parametrii fizici ai sunetului

Spectrul de sunet

Spectrul se referă la distribuția de frecvență a energiei sonore , adică o funcție care arată reprezentarea relativă a diferitelor frecvențe în sunetul studiat. Dacă această distribuție este discretă, atunci se scrie ca sumă a funcțiilor delta de forma ; într-un asemenea caz se poate da o listă a frecvenţelor prezente cu contribuţiile lor la intensitatea totală: şi aşa mai departe.

În ceea ce privește sunetele muzicale, în locul cuvântului „spectru”, conceptul de „ timb ” este folosit în același sens.

Intensitatea sunetului

Intensitatea (puterea) sunetului  este o mărime fizică scalară care caracterizează puterea transferată în direcția de propagare a sunetului. Ia in calcul intreaga gama de frecvente si anume . Distingeți între instantaneu, adică la un moment dat , și intensitatea medie pe o anumită perioadă de timp .

Durata sunetului

Durata unui sunet  este durata totală a oscilațiilor unei surse de unde elastice în secunde sau, în muzică, în unități de ritm muzical (vezi durata (muzică) ).

Viteza sunetului

Viteza sunetului  este viteza de propagare a undelor sonore într-un mediu.

De regulă, viteza sunetului în gaze este mai mică decât în ​​lichide .

Viteza sunetului în aer depinde de temperatură și în condiții normale este de aproximativ 340 m/s.

Viteza sunetului în orice mediu este calculată prin formula:

,

unde  este compresibilitatea adiabatică a mediului;  - densitate.

Volumul sunetului

Puterea sunetului este percepția  subiectivă a puterii sunetului (valoarea absolută a senzației auditive). Nivelul sonor depinde în principal de presiunea sonoră , amplitudinea și frecvența vibrațiilor sonore. De asemenea, volumul sunetului este afectat de compoziția sa spectrală, localizarea în spațiu, timbrul, durata expunerii la vibrațiile sonore, sensibilitatea individuală a analizorului auditiv uman și alți factori [3] [4] .

Generarea sunetului

De obicei, corpurile oscilante de diferite naturi sunt folosite pentru a genera sunet, provocând vibrații în aerul înconjurător. Un exemplu de astfel de generație ar fi utilizarea corzilor vocale , a difuzoarelor sau a unui diapazon . Majoritatea instrumentelor muzicale se bazează pe același principiu. O excepție sunt instrumentele de suflat , în care sunetul este generat datorită interacțiunii fluxului de aer cu eterogenitățile din instrument. Așa-numitele lasere de sunet sau fonon sunt folosite pentru a crea un sunet coerent [5] .

Generatoarele de sunet sunt folosite în tehnologie .

Ultrasunete

Ultrasunete - vibratii sonore elastice de inalta frecventa . Urechea umană percepe unde elastice care se propagă în mediu cu o frecvență de până la aproximativ 16 Hz-20 kHz ; vibratiile cu o frecventa mai mare reprezinta ultrasunetele (dincolo de auz). Diagnosticul cu ultrasunete se bazează pe fenomenul de reflexie .

Absorbția undelor ultrasonice

Deoarece mediul în care se propagă ultrasunetele are vâscozitate, conductivitate termică și alte cauze ale frecării interne, absorbția are loc în timpul propagării undei , adică pe măsură ce distanța de la sursă crește, amplitudinea și energia vibrațiilor ultrasonice devin mai mici. Mediul în care se propagă ultrasunetele interacționează cu energia care trece prin el și absoarbe o parte din acesta. Partea predominantă a energiei absorbite este transformată în căldură, o parte mai mică provoacă modificări structurale ireversibile ale substanței transmițătoare.

Sub adâncimea de penetrare a ultrasunetelor înțelegeți adâncimea la care intensitatea este redusă la jumătate. Această valoare este invers proporțională cu absorbția: cu cât mediul absoarbe mai puternic ultrasunetele, cu atât distanța la care intensitatea ultrasunetelor este atenuată la jumătate este mai mică.

Dacă există neomogenități în mediu, atunci are loc împrăștierea sunetului, care poate schimba semnificativ imaginea simplă a propagării ultrasunetelor și, în cele din urmă, poate determina, de asemenea, atenuarea undei în direcția inițială de propagare.

La interfața dintre medii (de exemplu, epidermă - derm - fascia - mușchi), se va observa refracția undelor ultrasonice.

Unde ultrasonice calatorii si in picioare

Dacă în timpul propagării undelor ultrasonice în mediu acestea nu sunt reflectate, se formează unde de călătorie . Ca urmare a pierderilor de energie, mișcările oscilatorii ale particulelor mediului se degradează treptat, iar cu cât particulele sunt mai departe de suprafața radiantă, cu atât amplitudinea oscilațiilor lor este mai mică. Dacă pe calea de propagare a undelor ultrasonice există țesuturi cu diferite rezistențe acustice specifice, atunci undele ultrasonice sunt reflectate într-o oarecare măsură din secțiunea de limită. Suprapunerea undelor ultrasonice incidente și reflectate poate duce la unde staționare . Pentru ca undele staționare să apară, distanța de la suprafața emițătorului la suprafața reflectantă trebuie să fie un multiplu de jumătate din lungimea de undă.

Infrasunete

Infrasunete (din lat.  infra  - dedesubt, sub) - vibratii sonore care au frecvente mai mici decat cele percepute de urechea umana. Pentru limita superioară a intervalului de frecvență a infrasunetelor, de obicei, luați 16-25 Hz. Limita inferioară a intervalului infrasonic este definită în mod convențional ca 0,001  Hz . De interes practic pot fi oscilațiile de la zecimi și chiar sutimi de hertz, adică cu perioade de zece secunde.

Deoarece natura apariției vibrațiilor infrasonice este aceeași cu cea a sunetului audibil, infrasunetele respectă aceleași legi și același aparat matematic este folosit pentru a-l descrie ca și pentru sunetul audibil obișnuit (cu excepția conceptelor legate de nivelul sonor) . Infrasunetele este slab absorbit de mediu, astfel încât se poate propaga pe distanțe considerabile de la sursă. Datorită lungimii de undă foarte mari , difracția este pronunțată .

Infrasunetele generate în mare se numesc unul dintre posibilele motive pentru găsirea unor nave abandonate de echipaj [6] .

Experimente și demonstrații

Tubul Rubens este folosit pentru a demonstra undele staţionare ale sunetului .

Diferența în vitezele de propagare a sunetului este evidentă atunci când heliul este inhalat în loc de aer și ei spun ceva, expirând - vocea devine mai ridicată. Dacă gazul este hexafluorura de sulf SF 6 , atunci vocea sună mai jos [7] . Acest lucru se datorează faptului că gazele sunt aproximativ la fel de compresibile, prin urmare, în heliu, care are o densitate foarte scăzută, în comparație cu aerul, are loc o creștere a vitezei sunetului și o scădere a hexafluorurii de sulf cu o densitate foarte mare. pentru gaze, în timp ce dimensiunile rezonatorului oral uman rămân neschimbate, în consecință, frecvența de rezonanță se modifică, deoarece cu cât viteza sunetului este mai mare, cu atât frecvența de rezonanță este mai mare în alte condiții nemodificate.

Viteza sunetului în apă poate fi vizualizată prin experiența difracției luminii prin ultrasunete în apă . În apă, în comparație cu aer, viteza sunetului este mai mare, deoarece chiar și cu o densitate semnificativ mai mare a apei (care ar trebui să ducă la o scădere a vitezei sunetului), apa este atât de slab compresibilă încât, ca urmare, viteza de sunet în el este încă de câteva ori mai sus.

În 2014, a fost prezentată o instalație care ridică obiecte centimetrice cu unde sonore [8] .

Vezi și

Note

  1. ↑ I. P. Golyamina. Sunet // Enciclopedie fizică  : [în 5 volume] / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M . : Enciclopedia Sovietică (vol. 1-2); Marea Enciclopedie Rusă (vol. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  2. ↑ Zvonuri - informații generale (link inaccesibil) . Preluat la 25 august 2010. Arhivat din original la 12 ianuarie 2013. 
  3. ↑ Sound Engineer Archive, 2000, #8 Arhivat 27 februarie 2007 la Wayback Machine
  4. ↑ Arhiva revistei „Sound Engineer”, 2000, #9 Arhivat la 27 februarie 2007.
  5. ↑ Jacob B. Khurgin. Laserele Phonon câștigă o bază de sunet   // Fizică . - 2010. - Vol. 3 . — P. 16 .
  6. ↑ Mezentsev V. A. La fundăturile misticismului. Moscova: muncitor din Moscova , 1987.
  7. ↑ Demonstrație de schimbare a vocii cu hexafluorura de sulf pe YouTube
  8. ↑ „Fascicul de putere” acustic atrage obiecte la distanță Arhivat 17 mai 2014 la Wayback Machine // Popular Mechanics

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii