Física del sonido. Sonido, ondas sonoras, infrasonidos, ultrasonidos. Campo fuera de la carretera, biblioteca
Cualquier fenómeno en nuestro mundo tiene unos indicadores cuantitativos y cualitativos que se pueden medir y, por tanto, cambiar, teniendo consecuencias predecibles, en la mayoría de los casos. ¡Y el sonido no fue una excepción a la regla!
Para él, se aplican los mismos parámetros e indicadores que para el mundo que lo rodea. El estudio de estos parámetros e indicadores se dedica a la ciencia de la "Acústica".
Las vibraciones sonoras se pueden representar gráficamente en forma de un gráfico del movimiento del cuerpo, que genera el sonido. Si estamos hablando de un altavoz que reproduce sonido, entonces el gráfico reflejará el movimiento del difusor. Si estamos hablando de una cuerda, entonces una gráfica de la vibración de la cuerda. Si hay algún instrumento de viento, entonces el gráfico de la vibración del aire dentro del tubo del instrumento, etc.
Para describir un fenómeno como sonido, primero se debe comprender lo que realmente escuchamos.
- Bueno, en primer lugar, el volumen, distinguimos entre sonidos altos y bajos.
- En segundo lugar, el tono, distinguimos los sonidos a partir de los cuales se compone la melodía.
- En tercer lugar, percibimos el cambio en el volumen de los sonidos individuales.
- En cuarto lugar, distinguimos el sonido de un instrumento de otro, por ejemplo, un piano de una guitarra, escuchamos su timbre único.
Para comprender cómo funciona todo esto, debe imaginarse la imagen completa.
Considere el gráfico del movimiento del difusor en dinámica.
Cabe mencionar que no puede reproducir dos sonidos al mismo tiempo, se mueve linealmente, dentro de ciertos límites.
El movimiento del difusor tiene una amplitud:
En términos generales, esta es la distancia a la que puede desviarse de un estado de reposo.
Cuando reproduce una señal de audio, se mueve dentro de estos límites:
Cuando se mueve, crea tensión en el aire, luego lo aprieta y luego lo descarga a su vez. Este efecto del difusor en el aire crea una "presión sonora" en el aire. Si aumenta la fuerza de la señal que llega al altavoz, aumenta la amplitud de movimiento del difusor:
Siguiendo la amplitud, la velocidad de movimiento del difusor también aumenta, ya que necesita viajar una distancia mayor al mismo tiempo: la onda es una, las amplitudes son diferentes. Dado que la velocidad ha aumentado, resulta que el difusor comprime y descarga el aire más rápido, y si el aire se comprime más rápido, la presión que se produce en el aire aumenta. En consecuencia, al llegar a nuestros oídos, el aire sacude el tímpano con más fuerza, a partir de esto, la excitación de los nervios se hace mayor y percibimos que el sonido se ha vuelto más fuerte. Tales son las cosas.
En el mismo ejemplo, se puede ver que, a pesar de que la amplitud de la onda ha aumentado, los intervalos de tiempo para ambas ondas son los mismos, esto se debe a la "frecuencia de oscilación", el siguiente parámetro que podemos escuchar. De hecho, la frecuencia de oscilación es el tono; es este parámetro el responsable de cómo escuchamos el sonido, alto o bajo. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el sonido que escuchamos; cuanto menor sea la frecuencia, menor será el sonido.
La frecuencia se mide en hercios (Hz).
1 Hertz es una oscilación por segundo.
El umbral de audición para la audición humana es de 20 a 20.000 Hz.
Cada nota corresponde a una cierta cantidad de vibración. Así, un difusor en un altavoz que reproduce algún tipo de música hace oscilar el aire no solo con una cierta amplitud, afectando el volumen de la música escuchada, sino también con una cierta frecuencia. Es decir, duda más o menos, según la melodía. Para imaginar al menos un poco la velocidad de movimiento del altavoz, podemos decir que la nota "A" de la primera octava corresponde a una frecuencia de 440 Hz. Es decir, si escuchamos la nota "A" del altavoz durante un segundo, en este mismo segundo, el altavoz hará 440 vibraciones.
La frecuencia del sonido también afecta al volumen, pero este está más relacionado con el apartado de "psicoacústica", ya que incide en el tema de la percepción humana del sonido. Nuestros audífonos están diseñados para que percibamos las frecuencias altas más fuertes que las frecuencias bajas en términos de "presión sonora". Es decir, si tomamos dos sonidos, bajo y alto, y ajustamos su volumen para que creen la misma presión sonora, entonces el alto parecerá mucho más fuerte.
Lo siguiente que podemos distinguir en el sonido es su envolvente ADSR. ADSR se refiere más a sonidos individuales y más a menudo a sonidos de sintetizador en síntesis de sonido digital. ADSR significa palabras inglesas Atacar, decaer, sostener y liberar. Un poco más tarde, hablaremos de esto por separado con más detalle, pero ahora vale la pena explicar brevemente la esencia. Imagina que tomas una guitarra y le tocas una cuerda. Primero, escuchará que el sonido apareció muy rápido, literalmente inmediatamente (Ataque), luego el volumen disminuye levemente (Decaimiento), dura un poco (Sonido) y se desvanece (Decaimiento).
En la mayoría de los casos, ADSR significa precisamente estas etapas de producción de sonido y su ajuste. En la síntesis digital, estos parámetros se establecen en milisegundos; al tocar el instrumento, son controlados por el intérprete.
Otra cualidad audible del sonido es el timbre del instrumento y nuestra capacidad para distinguir entre estos timbres.
El tema es complejo y se dará a conocer de manera más completa durante nuestra revisión de varias herramientas. El timbre está influenciado por casi todo lo que hay en el instrumento, en mayor o menor medida. El primero y más importante es, por supuesto, la forma de producción de sonido. Así es como funciona la herramienta. En el violín, las cuerdas se mueven con un arco, en la guitarra, las cuerdas se tiran, los martillos se golpean en las cuerdas de los teclados, el viento sopla, como resultado, nace el sonido del instrumento. Al mismo tiempo, cada instrumento tiene su propio sonido único. Entonces, dos guitarras no sonarán igual, algo diferirá en su sonido, aunque seguirá siendo el sonido de una guitarra.
Este es un tema muy interesante, que discutiremos con más detalle.
De los fenómenos sonoros más obvios, hemos considerado todo, no quedó obvio, pero sobre ellos en otro momento.
El sonido son ondas elásticas en un medio (a menudo en el aire) que son invisibles, pero percibidas por el oído humano (la onda afecta el tímpano del oído). Una onda de sonido es una onda de compresión longitudinal y de rarefacción.
Si creamos un vacío, ¿distinguiremos entre sonidos? Robert Boyle colocó el reloj en un recipiente de vidrio en 1660. Después de evacuar el aire, no escuchó ningún sonido. La experiencia demuestra que El medio es necesario para la propagación del sonido..
El sonido también se puede propagar en medios líquidos y sólidos. El impacto de las piedras es claramente audible bajo el agua. Coloque el reloj en un extremo de la tabla de madera. Al poner la oreja en el otro extremo, puede escuchar claramente el tic-tac del reloj.
La onda de sonido se propaga a través del árbol.
La fuente del sonido son necesariamente los cuerpos oscilantes. Por ejemplo, una cuerda de una guitarra en su estado normal no suena, pero en cuanto la obligamos a oscilar, surge onda de sonido.
Sin embargo, la experiencia muestra que no todos los cuerpos oscilantes son una fuente de sonido. Por ejemplo, un peso suspendido de un hilo no emite ningún sonido. El caso es que el oído humano no percibe todas las ondas, sino solo aquellas que crean cuerpos que vibran a una frecuencia de 16Hz a 20.000Hz. Tales ondas se llaman sonido... Las oscilaciones con una frecuencia inferior a 16 Hz se denominan infrasonido... Las oscilaciones con una frecuencia superior a 20.000 Hz se denominan ultrasonido.
Velocidad del sonido
Las ondas sonoras no se propagan instantáneamente, sino con una cierta velocidad finita (similar a la velocidad del movimiento uniforme).
Es por eso que durante una tormenta primero vemos un rayo, es decir, luz (la velocidad de la luz es mucho mayor que la velocidad del sonido), y luego viene el sonido.
La velocidad del sonido depende del entorno: en sólidos y líquidos, la velocidad del sonido es mucho mayor que en el aire. Estas son constantes medidas tabulares. Con un aumento en la temperatura del medio, la velocidad del sonido aumenta, con una disminución, disminuye.
Los sonidos son diferentes. Para caracterizar el sonido, se introducen valores especiales: sonoridad, tono y timbre del sonido.
El volumen del sonido depende de la amplitud de la vibración: cuanto mayor es la amplitud de la vibración, más fuerte es el sonido. Además, la percepción de nuestro oído del volumen del sonido depende de la frecuencia de las vibraciones en la onda sonora. Las ondas de frecuencia más alta se perciben como más fuertes.
La frecuencia de la onda de sonido determina el tono. Cuanto mayor sea la frecuencia de vibración de la fuente de sonido, mayor será el sonido que emite. Las voces humanas se dividen en varios rangos de tono.
Los sonidos de diferentes fuentes son una colección de vibraciones armónicas de diferentes frecuencias. El componente del período más largo (frecuencia más baja) se llama tono. El resto del sonido está en matices. El conjunto de estos componentes crea el color, el timbre del sonido. El conjunto de matices en las voces de diferentes personas es al menos levemente, pero diferente, y esto determina el timbre de una voz en particular.
Eco... Un eco se forma como resultado del reflejo del sonido de varios obstáculos: montañas, bosques, paredes, grandes edificios, etc. Un eco se produce solo cuando el sonido reflejado se percibe por separado del sonido hablado originalmente. Si hay muchas superficies reflectantes y están a diferentes distancias de una persona, entonces las ondas sonoras reflejadas le llegarán en diferentes momentos. En este caso, el eco será múltiple. El obstáculo debe estar a una distancia de 11 m de la persona para que se pueda escuchar el eco.
Reflexión de sonido. El sonido se refleja en superficies lisas. Por lo tanto, cuando se usa una bocina, las ondas sonoras no se dispersan en todas las direcciones, sino que forman un haz dirigido de manera estrecha, debido a lo cual la potencia del sonido aumenta y se extiende a una distancia mayor.
Algunos animales (por ejemplo, murciélago, delfín) emiten vibraciones ultrasónicas y luego perciben la onda reflejada de los obstáculos. Entonces determinan la ubicación y la distancia a los objetos circundantes.
Ecolocalización... Este es un método para determinar la ubicación de los cuerpos mediante las señales ultrasónicas que se reflejan en ellos. Es muy utilizado en navegación. En los barcos se establecen sonares- instrumentos para reconocer objetos submarinos y determinar la profundidad y topografía del fondo. Un emisor y un receptor de sonido se colocan en el fondo del recipiente. El emisor da señales cortas. Al analizar el tiempo de retardo y la dirección de las señales de retorno, la computadora determina la posición y el tamaño del objeto que reflejó el sonido.
El ultrasonido se utiliza para detectar e identificar varios tipos de daños en las piezas de la máquina (huecos, grietas, etc.). El dispositivo utilizado para este propósito se llama detector de defectos ultrasónico... Se envía un flujo de señales ultrasónicas cortas a la pieza en estudio, que se reflejan por las inhomogeneidades en su interior y, al regresar, ingresan al receptor. En lugares donde no hay defectos, las señales pasan a través de la pieza sin una reflexión significativa y el receptor no las registra.
El ultrasonido se usa ampliamente en medicina para diagnosticar y tratar ciertas enfermedades. A diferencia de los rayos X, sus ondas no tienen ningún efecto dañino sobre los tejidos. Exámenes de diagnóstico por ultrasonido (ultrasonido) permiten, sin intervención quirúrgica, reconocer cambios patológicos en órganos y tejidos. Un dispositivo especial dirige ondas ultrasónicas con una frecuencia de 0.5 a 15 MHz a una parte específica del cuerpo, se reflejan en el órgano examinado y la computadora muestra su imagen en la pantalla.
El infrasonido se caracteriza por una baja absorción en diversos medios, como resultado de lo cual las ondas infrasónicas en el aire, el agua y la corteza terrestre pueden propagarse a distancias muy largas. Este fenómeno encuentra una aplicación práctica en localizando explosiones violentas o la posición de disparar armas. La propagación del infrasonido a grandes distancias en el mar hace posible predicciones de desastres naturales- tsunami. Las medusas, crustáceos, etc. son capaces de percibir infrasonidos y mucho antes del inicio de una tormenta sienten su aproximación.
CONFERENCIA 3 ACÚSTICA. SONIDO
1. Sonido, tipos de sonido.
2. Características físicas del sonido.
3. Características de la sensación auditiva. Medidas de sonido.
4. Paso de sonido a través de la interfaz.
5. Métodos de sonido investigar.
6. Factores que determinan la prevención del ruido. Protección acústica.
7. Conceptos y fórmulas básicos. Mesas.
8. Tareas.
Acústica. En un sentido amplio, una rama de la física que estudia las ondas elásticas desde las frecuencias más bajas hasta las más altas. V sentido estricto- la doctrina del sonido.
Sonido en un sentido amplio: vibraciones elásticas y ondas que se propagan en sustancias gaseosas, líquidas y sólidas; en un sentido estricto, un fenómeno percibido subjetivamente por los órganos auditivos de humanos y animales.
Normalmente, el oído humano escucha sonidos en el rango de frecuencia de 16 Hz a 20 kHz. Sin embargo, con la edad, el límite superior de este rango disminuye:
El sonido con una frecuencia por debajo de 16-20 Hz se llama infrasonido por encima de 20 kHz - ultrasonido, y las ondas elásticas de frecuencia más alta en el rango de 10 9 a 10 12 Hz - hipersonido.
Los sonidos que se encuentran en la naturaleza se dividen en varios tipos.
Tono - es un sonido que es un proceso periódico. La principal característica de un tono es la frecuencia. Tono simple creado por un cuerpo que vibra de acuerdo con una ley armónica (por ejemplo, un diapasón). Tono difícil creado por vibraciones periódicas que no son armónicas (por ejemplo, el sonido de un instrumento musical, el sonido creado por el aparato de habla humano).
Ruido es un sonido que tiene una dependencia temporal compleja que no se repite y es una combinación de tonos complejos que cambian aleatoriamente (crujir de hojas).
estampido supersónico- este es un efecto de sonido a corto plazo (aplauso, explosión, explosión, trueno).
Un tono complejo, como proceso periódico, se puede representar como una suma de tonos simples (descompuestos en tonos componentes). Tal descomposición se llama espectro.
El espectro acústico de un tono es la colección de todas sus frecuencias, con una indicación de sus intensidades o amplitudes relativas.
La frecuencia más baja del espectro (ν) corresponde al tono fundamental, y el resto de las frecuencias se denominan sobretonos o armónicos. Los armónicos tienen frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental: 2ν, 3ν, 4ν, ...
Por lo general, la mayor amplitud del espectro corresponde al tono fundamental. Es él a quien el oído percibe como el tono del sonido (ver más abajo). Los armónicos crean el "color" del sonido. Los sonidos del mismo tono, creados por diferentes instrumentos, son percibidos por el oído de diferentes maneras precisamente debido a la diferente relación entre las amplitudes de los armónicos. La figura 3.1 muestra los espectros de la misma nota (ν = 100 Hz) tocada en un piano de cola y un clarinete.
Arroz. 3.1. Espectros de notas de piano (a) y clarinete (b)
El espectro acústico del ruido es sólido.
En este artículo, aprenderá qué es el sonido, cuál es su volumen letal, así como su velocidad en el aire y otros entornos. También hablaremos de frecuencia, codificación y calidad de sonido.
Veamos también el muestreo, los formatos y la potencia del audio. Pero primero, definamos la música como un sonido ordenado, lo opuesto a un sonido caótico desordenado que percibimos como ruido.
- Son ondas sonoras que se forman como resultado de vibraciones y cambios en la atmósfera, así como de los objetos que nos rodean.
Incluso durante una conversación, escuchas a tu interlocutor porque afecta el aire. Además, cuando toca un instrumento musical, ya sea que toque un tambor o puntee una cuerda, está produciendo vibraciones de cierta frecuencia, lo que produce ondas sonoras en el aire circundante.
Las ondas sonoras son ordenado y caótico... Cuando son ordenados y periódicos (repetidos después de un cierto período de tiempo), escuchamos una cierta frecuencia o tono.
Es decir, podemos definir la frecuencia como el número de repeticiones de un evento en un período de tiempo determinado. Así, cuando las ondas sonoras son caóticas, las percibimos como ruido.
Pero cuando las ondas se ordenan y se repiten periódicamente, podemos medirlas por el número de ciclos repetidos por segundo.
Frecuencia de muestreo de audio
La frecuencia de muestreo de audio es el número de mediciones del nivel de la señal en 1 segundo. Hertz (Hz) o Hertz (Hz) es una unidad científica de medida que determina el número de veces que un evento se repite por segundo. ¡Usaremos esta unidad!
Frecuencia de muestreo de audio Probablemente haya visto una abreviatura de este tipo con mucha frecuencia: Hz o Hz. Por ejemplo, en complementos de ecualizador. En ellos, las unidades de medida son hercios y kilohercios (es decir, 1000 Hz).
Por lo general, una persona escucha ondas de sonido de 20 Hz a 20 000 Hz (o 20 kHz). Cualquier cosa menor a 20 Hz es infrasonido... Cualquier cosa por encima de 20 kHz es ultrasonido.
Déjame abrir el complemento EQ y mostrarte cómo se ve. Probablemente esté familiarizado con estos números.
Frecuencias de sonido Con el ecualizador, puede atenuar o aumentar ciertas frecuencias dentro del rango audible para humanos.
¡Un pequeño ejemplo!
Aquí tengo una grabación de una onda de sonido que se generó a 1000 Hz (o 1 kHz). Si hacemos zoom y miramos su forma, veremos que es correcta y repetitiva (periódica).
Onda de sonido repetitiva (periódica) En un segundo, aquí ocurren mil ciclos repetidos. A modo de comparación, veamos la onda de sonido que percibimos como ruido.
Sonido desordenado Aquí no hay una frecuencia de repetición específica. Tampoco hay un tono o tono específico. La onda de sonido no funciona. Si miramos la forma de esta onda, veremos que no hay nada repetitivo o periódico en ella.
Pasemos a la parte más saturada de la onda. Hacemos zoom y vemos que no es constante.
Ola desordenada al escalar Debido a la falta de ciclicidad, no podemos escuchar ninguna frecuencia específica en esta onda. Por tanto, lo percibimos como ruido.
Nivel de sonido mortal
Quiero mencionar un poco sobre el nivel de sonido letal para los humanos. Se origina en 180 dB y más alto.
Debe decirse de inmediato que, de acuerdo con las normas reglamentarias, se considera que un nivel de ruido seguro no supera los 55 dB (decibelios) durante el día y 40 dB durante la noche. Incluso con una exposición prolongada a la audición, este nivel no es perjudicial.
| Niveles de volumen de sonido | ||
|---|---|---|
| (dB) | Definición | Una fuente |
| 0 | Nada esponjoso | |
| 5 | Casi inaudible | |
| 10 | Casi inaudible | Susurro silencioso de hojas |
| 15 | Apenas audible | Susurro de follaje |
| 20 — 25 | Apenas audible | Susurro de un hombre a 1 metro de distancia. |
| 30 | Tranquilo | El tic-tac del reloj de pared máximo permitido de acuerdo con las normas para locales residenciales por la noche de 23 a 7 en punto) |
| 35 | Bastante audible | Conversación ahogada |
| 40 | Bastante audible | Discurso ordinario ( la norma para locales residenciales durante el día de 7 a 23 horas) |
| 45 | Bastante audible | Hablar |
| 50 | Claramente audible | Máquina de escribir |
| 55 | Claramente audible | Hablar ( Norma europea para oficinas de clase A) |
| 60 | (norma de oficina) | |
| 65 | Charla fuerte (1m) | |
| 70 | Conversaciones en voz alta (1 m) | |
| 75 | Grita y ríe (1m) | |
| 80 | Muy ruidoso | Grito, una motocicleta con silenciador |
| 85 | Muy ruidoso | Fuerte grito, motocicleta amortiguada |
| 90 | Muy ruidoso | Fuertes gritos, vagón de mercancías (7 m) |
| 95 | Muy ruidoso | Vagón de metro (7 metros fuera o dentro del vagón) |
| 100 | Extremadamente ruidoso | Orquesta, trueno de acuerdo con los estándares europeos, esta es la presión de sonido máxima permitida para auriculares) |
| 105 | Extremadamente ruidoso | En aviones viejos |
| 110 | Extremadamente ruidoso | Helicóptero |
| 115 | Extremadamente ruidoso | Máquina de chorro de arena (1 m) |
| 120-125 | Casi insoportable | Martillo neumático |
| 130 | Umbral del dolor | Avión al inicio |
| 135 — 140 | Contusión | Despegando avión a reacción |
| 145 | Contusión | Lanzamiento de cohete |
| 150 — 155 | Contusión, trauma | |
| 160 | Choque, trauma | Onda de choque de un avión supersónico |
| 165+ | Tímpanos y pulmones rotos | |
| 180+ | Muerte | |
Velocidad del sonido en km por hora y metros por segundo
La velocidad del sonido es la velocidad a la que las ondas viajan a través del medio. A continuación, doy una tabla de las tasas de propagación en varios entornos.
La velocidad del sonido en el aire es mucho menor que en los medios sólidos. Y la velocidad del sonido en el agua es mucho mayor que en el aire. Son 1430 m / s. Como resultado, la propagación es más rápida y la audibilidad es mucho mayor.
La potencia del sonido es la energía que se transmite por una onda de sonido a través de la superficie de interés por unidad de tiempo. Medido en (W). Hay un valor instantáneo y un promedio (durante un período de tiempo).
¡Sigamos trabajando con las definiciones de la sección de teoría musical!
Tono y nota
Altura Es un término musical que significa casi lo mismo que frecuencia. La excepción es que no tiene unidad de medida. En lugar de definir el sonido por el número de ciclos por segundo en el rango de 20 a 20 000 Hz, denotamos ciertos valores de frecuencia en letras latinas.
Los instrumentos musicales producen ondas sonoras periódicas de formas regulares, que llamamos tonos o notas.
Es decir, en otras palabras, es una especie de instantánea de una onda sonora periódica de cierta frecuencia. El tono de esta nota nos dice qué tan alto o bajo suena la nota. En este caso, las notas más bajas tienen ondas más largas. Y los altos son más bajos.
Echemos un vistazo a una onda de sonido de 1 kHz. Ahora haré zoom y verás cuál es la distancia entre los ciclos.
Onda de sonido a 1 kHz Ahora echemos un vistazo a la forma de onda de 500 Hz. Aquí la frecuencia es 2 veces menor y la distancia entre ciclos es mayor.
Onda de sonido a 500 Hz Ahora tomemos una forma de onda de 80 Hz. Aquí será aún más ancho y mucho más bajo de altura.
Sonido a 80 Hz Vemos la relación entre el tono y la forma de onda.
Cada nota musical se basa en una frecuencia fundamental (tono). Pero además del tono en la música, también consta de frecuencias resonantes o armónicos adicionales.
¡Déjame mostrarte otro ejemplo!
A continuación se muestra una onda de 440 Hz. Es el estándar mundial para instrumentos de afinación. Corresponde a la nota a.
Onda de sonido pura a 440 Hz Solo escuchamos el tono fundamental (onda sonora pura). Si aumentamos la escala, veremos que es periódica.
Ahora veamos una onda de la misma frecuencia tocada en el piano.
Sonido de piano periódico Mira, también es periódico. Pero tiene pequeños añadidos y matices. Todos estos juntos nos dan una idea de cómo suena un piano. Pero además, los armónicos también determinan el hecho de que algunas notas tendrán una mayor afinidad por una nota determinada que otras.
Por ejemplo, puede tocar la misma nota, pero una octava más alta. El sonido será completamente diferente. Sin embargo, será similar a la nota anterior. Es decir, es la misma nota, solo tocada una octava más alta.
Esta relación afín entre dos notas en octavas diferentes se debe a la presencia de armónicos. Están constantemente presentes y determinan qué tan cercana o distante están relacionadas entre sí ciertas notas.
Una sensación específica, percibida por nosotros como un sonido, es el resultado del movimiento vibratorio de un medio elástico, generalmente aire, en el sistema auditivo humano. Las oscilaciones del medio son excitadas por una fuente de sonido y, propagándose en el medio, llegan al aparato receptor: nuestro oído. Así, la infinita variedad de sonidos que escuchamos es causada por procesos oscilatorios que se diferencian entre sí en frecuencia y amplitud. Los dos lados de un mismo fenómeno no deben confundirse: el sonido como proceso físico es caso especial movimiento oscilatorio; como fenómeno psicofisiológico, el sonido es una sensación específica, cuyo mecanismo de aparición se ha estudiado en detalle en la actualidad.
Hablando del lado físico del fenómeno, caracterizamos el sonido por su intensidad (fuerza), su composición y la frecuencia de los procesos oscilatorios asociados a él; teniendo en cuenta las sensaciones sonoras, estamos hablando de volumen, timbre y tono.
En los sólidos, el sonido puede propagarse tanto en forma de vibraciones longitudinales como transversales. Dado que los líquidos y gases no tienen elasticidad cortante, es obvio que el sonido puede propagarse en medios gaseosos y líquidos solo en forma de vibraciones longitudinales. En gases y líquidos, las ondas sonoras alternan el espesamiento y la rarefacción del medio, alejándose de la fuente sonora a una determinada velocidad característica de cada medio. La superficie de la onda sonora es el lugar geométrico de las partículas del medio, que tienen la misma fase de oscilación. Las superficies de ondas sonoras se pueden dibujar, por ejemplo, de modo que entre las superficies de ondas adyacentes haya una capa de espesamiento y una capa de rarefacción. La dirección perpendicular a la superficie de la onda se llama rayo.
Se pueden fotografiar ondas sonoras en un entorno gaseoso. Para ello, detrás de la fuente de sonido, coloque
una placa fotográfica, sobre la cual se dirige un haz de luz de una chispa eléctrica desde el frente de modo que estos rayos de un destello de luz instantáneo caigan sobre la placa fotográfica, pasando por el aire que rodea la fuente de sonido. En la Fig. 158-160 muestra las fotografías de ondas sonoras obtenidas por este método. La fuente de sonido estaba separada de la placa fotográfica por una pequeña pantalla en un soporte.
En la Fig. 158, pero se puede ver que la onda de sonido acaba de salir de detrás de la pantalla; en la Fig. 158, b, la misma onda se filmó por segunda vez después de unas milésimas de segundo. En este caso, la superficie de la onda es una esfera. En la fotografía, la imagen de la ola se obtiene en forma de círculo, cuyo radio aumenta con el tiempo.
Arroz. 158. Foto de una onda de sonido en dos momentos (ayb). Reflexión de una onda de sonido (c).
En la Fig. 158, c muestra una fotografía de una onda de sonido esférica reflejada desde una pared plana. Aquí debe prestar atención al hecho de que la parte reflejada de la onda, por así decirlo, proviene de un punto ubicado detrás de la superficie reflectante a la misma distancia de la superficie reflectante que la fuente de sonido. Es bien sabido que el fenómeno del reflejo de las ondas sonoras se explica por el eco.
En la Fig. 159 muestra el cambio en la superficie de la onda cuando una onda de sonido pasa a través de una bolsa con forma de lente llena de hidrógeno. Este cambio en la superficie de la onda de sonido es una consecuencia de la refracción (refracción) de los rayos de sonido: en la interfaz entre dos medios, donde la velocidad de la onda es diferente, la dirección de propagación de la onda cambia.
Arroz. 160 reproduce una fotografía de ondas sonoras con una pantalla de cuatro rendijas en el camino de propagación. Al pasar por las rendijas, las ondas se doblan alrededor de la pantalla. Este fenómeno de flexión por ondas de los obstáculos encontrados se llama difracción.
Las leyes de propagación, reflexión, refracción y difracción de las ondas sonoras se pueden deducir del principio de Huygens, según el cual cada partícula entra en vibración.
el medio ambiente puede considerarse como un nuevo centro (fuente) de ondas; la interferencia de todas estas ondas da la onda realmente observada (las formas de aplicar el principio de Huygens se explicarán en el tercer volumen utilizando el ejemplo de las ondas de luz).
Las ondas sonoras llevan consigo una cierta cantidad de movimiento y, como resultado, ejercen presión sobre los obstáculos que encuentran.
Arroz. 159. Refracción de una onda sonora.
Arroz. 160. Difracción de ondas sonoras.
Para aclarar este hecho, hagamos referencia a la Fig. 161. En esta figura, la línea punteada muestra la sinusoide de los desplazamientos de las partículas del medio en un momento determinado durante la propagación de ondas longitudinales en el medio. Las velocidades de estas partículas en el momento en cuestión se representan como un coseno o, lo que es lo mismo, una sinusoide por delante de la sinusoide de desplazamientos en un cuarto de período (en la Fig. 161 - una línea continua). Es fácil darse cuenta de que se observará un espesamiento del medio donde en este momento el desplazamiento de partículas es cero o cercano a cero y donde la velocidad se dirige hacia la propagación de las ondas. Por el contrario, se observará enrarecimiento del medio donde el desplazamiento de partículas también es igual a cero o cercano a cero, pero donde la velocidad de las partículas se dirige en dirección opuesta a la propagación de las ondas. Entonces, en las condensaciones, las partículas se mueven hacia adelante, en la rarefacción, hacia atrás. Pero en
Arroz. 161. En el espesamiento de una onda sonora pasajera, las partículas avanzan,
las capas espesas contienen un mayor número de partículas que en la rarefacción. Por lo tanto, en cualquier momento de las ondas sonoras longitudinales que viajan, el número de partículas que se mueven hacia adelante excede ligeramente el número de partículas que se mueven hacia atrás. Como resultado, la onda sonora lleva consigo una cierta cantidad de movimiento, que se manifiesta en la presión que ejercen las ondas sonoras sobre los obstáculos que encuentran.
La presión sonora fue investigada experimentalmente por Rayleigh y Petr Nikolaevich Lebedev.
En teoría, la velocidad del sonido está determinada por la fórmula de Laplace [§ 65, fórmula (5)]:
donde K es el módulo de elasticidad total (cuando la compresión se realiza sin el influjo y la liberación de calor), densidad.
Si el cuerpo se comprime mientras se mantiene constante la temperatura corporal, entonces los valores del módulo elástico son más bajos que en el caso en el que la compresión se realiza sin el influjo y la liberación de calor. Estos dos valores del módulo de elasticidad general, como se demuestra en termodinámica, se relacionan de la misma manera que la capacidad calorífica de un cuerpo a presión constante con la capacidad calorífica de un cuerpo a volumen constante.
Para los gases (no demasiado comprimidos), el módulo isotérmico de elasticidad general es simplemente igual a la presión del gas. En consecuencia, de acuerdo con la fórmula de Laplace, resulta que la velocidad del sonido en un gas no depende de la densidad del gas.
De las leyes de los gases y la fórmula de Laplace, se puede deducir (§ 134) que la velocidad del sonido en los gases es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta del gas:
donde es la aceleración de la gravedad, la relación de las capacidades de temperatura es la constante universal de los gases.
En C, la velocidad del sonido en el aire seco es igual a las temperaturas medias y la humedad media, la velocidad del sonido en el aire se considera igual a La velocidad del sonido en el hidrógeno a es
En agua, la velocidad del sonido en vidrio en hierro es
Cabe señalar que las ondas de choque sonoras provocadas por un disparo o explosión, al inicio de su trayectoria, tienen una velocidad
significativamente más alta que la velocidad normal del sonido en un entorno determinado. Una onda de sonido de choque en el aire, causada por una fuerte explosión, puede tener una velocidad cerca de la fuente de sonido que es varias veces mayor que la velocidad normal del sonido en el aire, pero ya a una distancia de decenas de metros del lugar de la explosión, el la velocidad de propagación de la onda disminuye a un valor normal.
Como ya se mencionó en el § 65, las ondas sonoras de diferentes longitudes tienen prácticamente la misma velocidad. Son excepciones aquellos rangos de frecuencia para los que es característica una amortiguación particularmente rápida de las ondas elásticas durante su propagación en el medio considerado. Por lo general, estas frecuencias se encuentran mucho más allá del rango auditivo (para gases con presión atmosférica son frecuencias del orden de oscilaciones por segundo). Análisis teorico muestra que la dispersión y absorción de las ondas sonoras están asociadas con el hecho de que la redistribución de energía entre los movimientos de traslación y vibración de las moléculas requiere algo de tiempo, aunque sea pequeño. Esto lleva al hecho de que las ondas largas (ondas del rango de sonido) se mueven algo más lento que las ondas "inaudibles" muy cortas. Entonces, en el vapor de dióxido de carbono a una presión atmosférica, el sonido tiene una velocidad, mientras que las ondas "inaudibles" muy cortas se propagan con una velocidad
Una onda de sonido, que se propaga en un medio, puede tener forma diferente dependiendo del tamaño y la forma de la fuente de sonido. En los casos más interesantes desde el punto de vista técnico, la fuente de sonido (emisor) es una especie de superficie vibrante, como por ejemplo una membrana telefónica o un difusor de altavoz. Si tal fuente de sonido emite ondas sonoras en un espacio abierto, entonces la forma de onda depende significativamente de las dimensiones relativas del emisor; el emisor, cuyas dimensiones son grandes en comparación con la longitud de la onda sonora, emite energía sonora en una sola dirección, es decir, en la dirección de su movimiento oscilatorio. Por el contrario, un radiador de tamaño reducido en comparación con la longitud de onda emite energía sonora en todas las direcciones. La forma del frente de onda en ambos casos será obviamente diferente.
Consideremos primero el primer caso. Imagine una superficie plana rígida de un tamaño suficientemente grande (en comparación con la longitud de onda), realizando movimientos oscilatorios en la dirección de su normal. Al avanzar, dicha superficie crea un engrosamiento frente a ella, que, debido a la elasticidad del medio, se propagará en la dirección del desplazamiento del emisor). Al retroceder, el emisor crea una rarefacción, que se moverá en el medio después del engrosamiento inicial. Para una oscilación de corto plazo del emisor, observaremos una onda sonora a ambos lados del mismo, caracterizada por el hecho de que todas las partículas del medio que se encuentran a igual distancia de la superficie emisora de la densidad media del medio y la velocidad del sonido con:
El producto de la densidad media del medio y la velocidad del sonido se denomina resistencia acústica del medio.
Resistencia acústica a 20 ° С
(ver escaneo)
Consideremos ahora el caso de las ondas esféricas. Cuando el tamaño de la superficie radiante se vuelve pequeño en comparación con la longitud de onda, el frente de onda se curva notablemente. Esto se debe a que la energía vibratoria se propaga en todas las direcciones desde el emisor.
El fenómeno se puede entender mejor con el siguiente ejemplo simple. Imagina que un tronco largo cae sobre la superficie del agua. Las ondas resultantes viajan en filas paralelas a cada lado del tronco. La situación es diferente cuando se arroja una pequeña piedra al agua y las olas se propagan en círculos concéntricos. El tronco es relativamente grande
con la longitud de onda en la superficie del agua; las filas paralelas de ondas que provienen de él representan un modelo visual de ondas planas. La piedra es de tamaño pequeño; los círculos que divergen del lugar de su caída nos dan un modelo de ondas esféricas. Cuando una onda esférica se propaga, la superficie del frente de onda aumenta en proporción al cuadrado de su radio. Con una potencia constante de la fuente de sonido, la energía que fluye a través de cada centímetro cuadrado de la superficie esférica del radio es inversamente proporcional. Dado que la energía de vibración es proporcional al cuadrado de la amplitud, está claro que la amplitud de las oscilaciones en un La onda esférica debe disminuir como el recíproco de la primera potencia de la distancia desde la fuente de sonido. La ecuación de una onda esférica tiene, por tanto, la siguiente forma:
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