Fisica del suono. Suono, onda sonora, infrasuoni, ultrasuoni. Campagna fuori strada, biblioteca
Qualsiasi fenomeno nel nostro mondo ha degli indicatori quantitativi e qualitativi che possono essere misurati, e quindi modificati, avendo conseguenze prevedibili, nella maggior parte dei casi. E il suono non faceva eccezione alla regola!
Per lui valgono gli stessi parametri e indicatori del mondo che lo circonda. Lo studio di questi parametri e indicatori è impegnato nella scienza "Acustica".
Le vibrazioni sonore possono essere rappresentate graficamente sotto forma di grafico del movimento del corpo, che genera il suono. Se stiamo parlando di un altoparlante che riproduce il suono, il grafico rifletterà il movimento del diffusore. Se stiamo parlando di una corda, allora un grafico della vibrazione della corda. Se uno strumento a fiato, il grafico della vibrazione dell'aria all'interno del tubo dello strumento, ecc.
Per descrivere un tale fenomeno come suono, bisogna prima capire cosa sentiamo realmente.
- Bene, in primo luogo, il volume, distinguiamo tra suoni forti e suoni bassi.
- In secondo luogo, l'altezza, distinguiamo i suoni da cui è composta la melodia.
- In terzo luogo, percepiamo il cambiamento nel volume dei singoli suoni.
- In quarto luogo, distinguiamo il suono di uno strumento da un altro, ad esempio un pianoforte da una chitarra, ascoltiamo il loro timbro unico.
Per capire come funziona tutto questo, devi immaginare l'intera immagine.
Si consideri il grafico del movimento del diffusore in dinamica.
Vale la pena ricordare che non può riprodurre due suoni contemporaneamente, si muove linearmente, entro certi limiti.
Il movimento del diffusore ha un'ampiezza:
In parole povere, questa è la distanza alla quale può deviare da uno stato di riposo.
Quando riproduce un segnale audio, si muove entro questi limiti:
Quando si muove, crea tensione nell'aria, quindi la comprime, quindi la scarica a sua volta. Questo effetto del diffusore sull'aria crea una "pressione sonora" nell'aria. Se la forza del segnale che arriva all'altoparlante aumenta, aumenta l'ampiezza del movimento del diffusore:
Seguendo l'ampiezza, aumenta anche la velocità di movimento del diffusore, poiché deve percorrere una distanza maggiore nello stesso tempo: l'onda è una, le ampiezze sono diverse. Poiché la velocità è aumentata, si scopre che il diffusore comprime e scarica l'aria più velocemente, e se l'aria viene compressa più velocemente, la pressione che si verifica nell'aria diventa maggiore. Di conseguenza, raggiungendo le nostre orecchie, l'aria scuote più forte il timpano, da questo l'eccitazione dei nervi diventa maggiore e percepiamo che il suono è diventato più forte. Queste sono le cose.
Dallo stesso esempio, puoi vedere che, nonostante l'ampiezza dell'onda sia aumentata, gli intervalli di tempo per entrambe le onde sono gli stessi, questo è dovuto alla "frequenza di oscillazione", il prossimo parametro che possiamo sentire. In effetti, la frequenza di oscillazione è l'altezza; è questo parametro che è responsabile di come ascoltiamo il suono - alto o basso. Più alta è la frequenza, più alto è il suono che sentiamo; più bassa è la frequenza, più basso è il suono.
La frequenza è misurata in Hertz (Hz).
1 Hertz è un'oscillazione al secondo.
La soglia uditiva per l'udito umano è compresa tra 20 e 20.000 Hz.
Ad ogni nota corrisponde una certa quantità di vibrazione. Pertanto, un diffusore in un altoparlante che riproduce un tipo di musica fa oscillare l'aria non solo con una certa ampiezza, influenzando il volume della musica ascoltata, ma anche con una certa frequenza. Cioè, fa più o meno esitazione, a seconda della melodia. Per immaginare almeno un po' la velocità di movimento dell'altoparlante, possiamo dire che la nota "LA" della prima ottava corrisponde ad una frequenza di 440 Hz. Cioè, se sentiamo la nota "A" dall'altoparlante per un secondo, allora in questo secondo, l'altoparlante emetterà 440 vibrazioni.
La frequenza del suono influisce anche sul volume, ma questo è più correlato alla sezione della "psicoacustica", poiché influisce sul problema della percezione umana del suono. I nostri apparecchi acustici sono progettati in modo tale da percepire le alte frequenze più forti delle basse frequenze in termini di "pressione sonora". Cioè, se prendiamo due suoni - basso e alto e regoliamo il loro volume in modo che creino la stessa pressione sonora, allora quello alto sembrerà molto più forte.
La prossima cosa che possiamo distinguere nel suono è il suo inviluppo ADSR. ADSR si riferisce più a singoli suoni e più spesso a suoni di sintetizzatore nella sintesi sonora digitale. ADSR sta per parole inglesi Attacco, decadimento, sostegno e rilascio. Un po 'più tardi, ne parleremo separatamente in modo più dettagliato, ma ora vale la pena spiegare brevemente l'essenza. Immagina di prendere una chitarra e pizzicare una corda su di essa. Per prima cosa, sentirai che il suono è apparso molto rapidamente, letteralmente immediatamente (Attack), quindi il volume diminuirà leggermente (Decay), tieni premuto un po' (Sound) e svanirà (Decay).
Nella maggior parte dei casi, ADSR significa proprio queste fasi di produzione del suono e il loro adeguamento. Nella sintesi digitale questi parametri sono impostati in millisecondi, suonando lo strumento sono controllati dall'esecutore.
Un'altra qualità udibile del suono è il timbro dello strumento e la nostra capacità di distinguere tra questi timbri.
L'argomento è complesso e verrà divulgato in modo più completo durante la nostra revisione di vari strumenti. Il timbro è influenzato da quasi tutto ciò che è nello strumento, in misura maggiore o minore. Il primo e più importante è, ovviamente, il modo di produrre il suono. Ecco come funziona lo strumento. Sul violino, le corde vengono spinte con un arco, sulla chitarra, le corde vengono tirate, nelle tastiere, i martelli vengono colpiti sulle corde, nel vento soffia, di conseguenza, nasce il suono dello strumento. Allo stesso tempo, ogni strumento ha il suo suono unico. Quindi, due chitarre non suoneranno allo stesso modo, qualcosa sarà diverso nel loro suono, anche se sarà sempre il suono di una chitarra.
Questo è un argomento molto interessante, di cui parleremo più in dettaglio.
Dei fenomeni sonori più evidenti, abbiamo considerato tutto, non è rimasto ovvio, ma su di loro un'altra volta.
Il suono è onde elastiche in un mezzo (spesso nell'aria) che sono invisibili, ma percepite dall'orecchio umano (l'onda colpisce il timpano dell'orecchio). Un'onda sonora è un'onda di compressione e rarefazione longitudinale.
Se creiamo un vuoto, saremo in grado di distinguere i suoni? Robert Boyle collocò l'orologio in un recipiente di vetro nel 1660. Dopo aver evacuato l'aria, non ha sentito alcun suono. L'esperienza lo dimostra mezzo è necessario per la propagazione del suono.
Il suono può diffondersi anche in mezzi liquidi e solidi. L'impatto delle pietre è chiaramente udibile sott'acqua. Posiziona l'orologio su un'estremità della tavola di legno. Mettendo l'orecchio all'altra estremità, puoi sentire chiaramente il ticchettio dell'orologio.
L'onda sonora si propaga attraverso l'albero
La fonte del suono sono necessariamente corpi oscillanti. Ad esempio, una corda di una chitarra non suona nel suo stato normale, ma non appena la costringiamo a oscillare, si alza onda sonora.
Tuttavia, l'esperienza mostra che non tutti i corpi oscillanti sono una fonte di suono. Ad esempio, un peso sospeso su un filo non emette alcun suono. Il fatto è che l'orecchio umano non percepisce tutte le onde, ma solo quelle che creano corpi che vibrano ad una frequenza da 16Hz a 20.000Hz. Tali onde sono chiamate suono... Vengono chiamate oscillazioni con una frequenza inferiore a 16Hz infrasuoni... Si chiamano oscillazioni con frequenza maggiore di 20.000 Hz ultrasuoni.
Velocità del suono
Le onde sonore non si propagano istantaneamente, ma con una certa velocità finita (simile alla velocità del moto uniforme).
Ecco perché durante un temporale vediamo prima il fulmine, cioè la luce (la velocità della luce è molto maggiore della velocità del suono), e poi arriva il suono.
La velocità del suono dipende dall'ambiente: in solidi e liquidi, la velocità del suono è molto più alta che nell'aria. Queste sono costanti misurate tabulari. Con un aumento della temperatura del mezzo, la velocità del suono aumenta, con una diminuzione, diminuisce.
I suoni sono diversi. Per caratterizzare il suono, vengono introdotti valori speciali: volume, altezza e timbro del suono.
Il volume del suono dipende dall'ampiezza della vibrazione: maggiore è l'ampiezza della vibrazione, più forte è il suono. Inoltre, la percezione del nostro orecchio del volume del suono dipende dalla frequenza delle vibrazioni nell'onda sonora. Le onde a frequenza più alta sono percepite come più forti.
La frequenza dell'onda sonora determina il tono. Maggiore è la frequenza di vibrazione della sorgente sonora, maggiore è il suono che emette. Le voci umane sono divise in diverse gamme di tono.
I suoni provenienti da fonti diverse sono un insieme di vibrazioni armoniche di frequenze diverse. La componente del periodo più lungo (frequenza più bassa) è chiamata altezza. Il resto del suono è in armonici. L'insieme di questi componenti crea il colore, il timbro del suono. L'insieme dei toni nelle voci di persone diverse è almeno leggermente, ma diverso, e questo determina il timbro di una voce particolare.
Eco... Un'eco si forma come risultato del riflesso del suono da vari ostacoli: montagne, foreste, muri, grandi edifici, ecc. Un'eco si verifica solo quando il suono riflesso viene percepito separatamente dal suono originariamente parlato. Se ci sono molte superfici riflettenti e si trovano a distanze diverse da una persona, le onde sonore riflesse la raggiungeranno in momenti diversi. In questo caso, l'eco sarà multiplo. L'ostacolo deve trovarsi a una distanza di 11 m dalla persona in modo che si possa udire l'eco.
Riflessione del suono. Il suono si riflette su superfici lisce. Pertanto, quando si utilizza un corno, le onde sonore non vengono disperse in tutte le direzioni, ma formano un raggio strettamente diretto, grazie al quale la potenza sonora aumenta e si diffonde su una distanza maggiore.
Alcuni animali (ad esempio, pipistrello, delfino) emettono vibrazioni ultrasoniche, quindi percepiscono l'onda riflessa dagli ostacoli. Quindi determinano la posizione e la distanza dagli oggetti circostanti.
Ecolocalizzazione... Questo è un metodo per determinare la posizione dei corpi dai segnali ultrasonici riflessi da essi. È ampiamente utilizzato nella navigazione. Sulle navi stabilire sonar- strumenti per il riconoscimento di oggetti subacquei e la determinazione della profondità e della topografia del fondale. Un emettitore di suoni e un ricevitore sono posti sul fondo della nave. L'emettitore emette brevi segnali. Analizzando il tempo di ritardo e la direzione dei segnali di ritorno, il computer determina la posizione e le dimensioni dell'oggetto che riflette il suono.
Gli ultrasuoni vengono utilizzati per rilevare e identificare vari tipi di danni nelle parti della macchina (vuoti, crepe, ecc.). Il dispositivo utilizzato a tale scopo si chiama rilevatore di difetti ad ultrasuoni... Un flusso di brevi segnali ultrasonici viene inviato alla parte in esame, che vengono riflessi dalle disomogeneità al suo interno e, di ritorno, entrano nel ricevitore. In luoghi dove non ci sono difetti, i segnali passano attraverso la parte senza riflessioni significative e non vengono registrati dal ricevitore.
Gli ultrasuoni sono ampiamente utilizzati in medicina per diagnosticare e curare alcune malattie. A differenza dei raggi X, le sue onde non hanno effetti dannosi sui tessuti. Esami diagnostici ecografici (ecografia) consentono, senza intervento chirurgico, di riconoscere alterazioni patologiche in organi e tessuti. Uno speciale dispositivo dirige le onde ultrasoniche con una frequenza da 0,5 a 15 MHz verso una parte specifica del corpo, vengono riflesse dall'organo esaminato e il computer visualizza la sua immagine sullo schermo.
Gli infrasuoni sono caratterizzati da un basso assorbimento in vari mezzi, per cui le onde infrasoniche nell'aria, nell'acqua e nella crosta terrestre possono propagarsi su distanze molto lunghe. Questo fenomeno trova applicazione pratica in localizzazione violente esplosioni o la posizione delle armi da fuoco. La propagazione degli infrasuoni su lunghe distanze nel mare lo rende possibile previsioni di disastri naturali- tsunami. Meduse, crostacei, ecc. sono in grado di percepire gli infrasuoni e molto prima dell'inizio di una tempesta ne sentono avvicinarsi.
LEZIONE 3 ACUSTICA. SUONO
1. Suono, tipi di suono.
2. Caratteristiche fisiche del suono.
3. Caratteristiche della sensazione uditiva. Misure del suono.
4. Passaggio del suono attraverso l'interfaccia.
5. Metodi sonori ricerca.
6. Fattori che determinano la prevenzione del rumore. Protezione dal rumore.
7. Concetti e formule di base. Tabelle.
8. Compiti.
Acustica. In senso lato - una branca della fisica che studia le onde elastiche dalle frequenze più basse a quelle più alte. V in senso stretto- la dottrina del suono.
Suono in senso lato - vibrazioni elastiche e onde che si propagano in sostanze gassose, liquide e solide; in senso stretto - un fenomeno percepito soggettivamente dagli organi uditivi di esseri umani e animali.
Normalmente, l'orecchio umano sente il suono nella gamma di frequenze da 16 Hz a 20 kHz. Tuttavia, con l'età, l'estremità superiore di questo intervallo diminuisce:
Viene chiamato suono con una frequenza inferiore a 16-20 Hz infrasuoni, sopra i 20 kHz - ultrasuoni, e le onde elastiche a più alta frequenza nell'intervallo da 10 9 a 10 12 Hz - ipersuono.
I suoni che si trovano in natura sono divisi in diversi tipi.
tono -è un suono che è un processo periodico. La caratteristica principale di un tono è la frequenza. tono semplice creato da un corpo che vibra secondo una legge armonica (ad esempio un diapason). tono difficile creato da vibrazioni periodiche non armoniche (ad esempio, il suono di uno strumento musicale, il suono creato dall'apparato vocale umano).
Rumoreè un suono che ha una complessa dipendenza temporale non ripetitiva ed è una combinazione di toni complessi che cambiano casualmente (fruscio di foglie).
boom sonico- questo è un impatto sonoro a breve termine (clap, esplosione, botto, tuono).
Un tono complesso, come un processo periodico, può essere rappresentato come somma di toni semplici (scomposti in toni componenti). Tale decomposizione è chiamata spettro.
Lo spettro acustico di un tono è l'insieme di tutte le sue frequenze, con l'indicazione delle relative intensità o ampiezze.
La frequenza più bassa nello spettro (ν) corrisponde al tono fondamentale e le altre frequenze sono chiamate armoniche o armoniche. Gli armonici hanno frequenze multiple della frequenza fondamentale: 2ν, 3ν, 4ν, ...
Di solito, l'ampiezza maggiore dello spettro corrisponde al tono fondamentale. È lui che viene percepito dall'orecchio come l'altezza del suono (vedi sotto). Gli armonici creano il "colore" del suono. Suoni della stessa altezza, creati da strumenti diversi, vengono percepiti dall'orecchio in modi diversi proprio a causa del diverso rapporto tra le ampiezze degli armonici. La Figura 3.1 mostra gli spettri della stessa nota (ν = 100 Hz) suonata su un pianoforte a coda e un clarinetto.
Riso. 3.1. Spettri delle note di pianoforte (a) e clarinetto (b)
Lo spettro acustico del rumore è solido.
In questo articolo imparerai cos'è il suono, qual è il suo volume letale e la sua velocità nell'aria e in altri ambienti. Parleremo anche di frequenza, codifica e qualità del suono.
Diamo un'occhiata anche al campionamento, ai formati e alla potenza audio. Ma prima, definiamo la musica come un suono ordinato, l'opposto di un suono caotico disordinato che percepiamo come rumore.
- queste sono onde sonore che si formano a seguito di vibrazioni e cambiamenti nell'atmosfera, nonché degli oggetti intorno a noi.
Anche durante una conversazione, ascolti il tuo interlocutore perché influenza l'aria. Inoltre, quando si suona uno strumento musicale, che si colpisca un tamburo o si pizzichi una corda, si producono vibrazioni di una certa frequenza, che producono onde sonore nell'aria circostante.
Le onde sonore sono ordinato e caotico... Quando sono ordinate e periodiche (ripetute dopo un certo periodo di tempo), sentiamo una certa frequenza o tono.
Cioè, possiamo definire la frequenza come il numero di ripetizioni di un evento in un dato periodo di tempo. Quindi, quando le onde sonore sono caotiche, le percepiamo come rumore.
Ma quando le onde sono ordinate e ripetute periodicamente, allora possiamo misurarle in base al numero di cicli ripetuti al secondo.
Frequenza di campionamento audio
La frequenza di campionamento audio è il numero di misurazioni del livello del segnale in 1 secondo. Hertz (Hz) o Hertz (Hz) è un'unità di misura scientifica che determina il numero di volte che un evento si ripete al secondo. Useremo questa unità!
Frequenza di campionamento audio Probabilmente hai visto molto spesso una simile abbreviazione: Hz o Hz. Ad esempio, nei plugin dell'equalizzatore. In essi, le unità di misura sono hertz e kilohertz (cioè 1000 Hz).
In genere, una persona sente onde sonore da 20 Hz a 20.000 Hz (o 20 kHz). Qualsiasi cosa inferiore a 20 Hz è infrasuoni... Qualsiasi cosa oltre i 20 kHz è ultrasuoni.
Fammi aprire il plug-in EQ e mostrarti com'è. Probabilmente conosci questi numeri.
Frequenze sonore Con l'equalizzatore, puoi attenuare o aumentare determinate frequenze all'interno della gamma udibile dall'uomo.
Un piccolo esempio!
Qui ho una registrazione di un'onda sonora che è stata generata a 1000 Hz (o 1 kHz). Se ingrandiamo e osserviamo la sua forma, vedremo che è corretta e ripetitiva (periodica).
Onda sonora ripetitiva (periodica) In un secondo, qui si verificano migliaia di cicli ripetuti. Per confronto, diamo un'occhiata a un'onda sonora, che percepiamo come rumore.
Suono disordinato Non esiste una frequenza di ripetizione specifica qui. Non c'è nemmeno un tono o un tono specifico. L'onda sonora è fuori servizio. Se osserviamo la forma di quest'onda, vedremo che non c'è nulla di ripetitivo o periodico in essa.
Passiamo alla parte più satura dell'onda. Ingrandiamo e vediamo che non è costante.
Onda disordinata durante il ridimensionamento A causa della mancanza di ciclicità, non siamo in grado di sentire alcuna frequenza specifica in questa onda. Pertanto, lo percepiamo come rumore.
Livello sonoro mortale
Voglio menzionare un po' il livello sonoro letale per gli umani. Ha origine da 180 dBA e superiore.
Va detto subito che secondo gli standard normativi, un livello di rumore sicuro è considerato non superiore a 55 dB (decibel) durante il giorno e 40 dB di notte. Anche con un'esposizione prolungata all'udito, questo livello non è dannoso.
| Livelli di volume del suono | ||
|---|---|---|
| (dB) | Definizione | Una fonte |
| 0 | Non è affatto soffice | |
| 5 | Quasi impercettibile | |
| 10 | Quasi impercettibile | Un tranquillo fruscio di foglie |
| 15 | Appena udibile | fruscio di fogliame |
| 20 — 25 | Appena udibile | Sussurro di un uomo a una distanza di 1 metro |
| 30 | Tranquillo | Il ticchettio dell'orologio da parete ( massimo consentito secondo le norme per i locali residenziali di notte dalle 23 alle 7) |
| 35 | Abbastanza udibile | Conversazione soffocata |
| 40 | Abbastanza udibile | discorso ordinario ( la norma per i locali residenziali durante il giorno dalle 7 alle 23 ore) |
| 45 | Abbastanza udibile | Parlare |
| 50 | Chiaramente udibile | Macchina da scrivere |
| 55 | Chiaramente udibile | Parlare ( Norma europea per gli uffici di classe A) |
| 60 | (norma dell'ufficio) | |
| 65 | Parlare ad alta voce (1 m) | |
| 70 | Conversazioni ad alto volume (1m) | |
| 75 | Urla e ridi (1m) | |
| 80 | Molto rumoroso | Scream, una moto con la marmitta |
| 85 | Molto rumoroso | Urlo forte, moto attutita |
| 90 | Molto rumoroso | Urla forti, vagone merci (7m) |
| 95 | Molto rumoroso | Carrozza metropolitana (7 metri fuori o dentro la carrozza) |
| 100 | Estremamente rumoroso | orchestra, tuono ( secondo gli standard europei, questa è la pressione sonora massima consentita per le cuffie) |
| 105 | Estremamente rumoroso | Nei vecchi aerei |
| 110 | Estremamente rumoroso | Elicottero |
| 115 | Estremamente rumoroso | Sabbiatrice (1m) |
| 120-125 | Quasi insopportabile | martello pneumatico |
| 130 | Soglia del dolore | Aereo alla partenza |
| 135 — 140 | Contusione | Decollo aereo a reazione |
| 145 | Contusione | Lancio del razzo |
| 150 — 155 | Contusione, trauma | |
| 160 | Shock, trauma | Onda d'urto da un aereo supersonico |
| 165+ | Timpani e polmoni rotti | |
| 180+ | Morte | |
Velocità del suono in km all'ora e metri al secondo
La velocità del suono è la velocità con cui le onde viaggiano attraverso il mezzo. Di seguito fornisco una tabella dei tassi di propagazione in vari ambienti.
La velocità del suono nell'aria è molto più bassa che nei mezzi solidi. E la velocità del suono nell'acqua è molto più alta che nell'aria. Sono 1430 m/s. Di conseguenza, la diffusione è più veloce e l'udibilità è molto più lontana.
La potenza sonora è l'energia che viene trasmessa da un'onda sonora attraverso la superficie di interesse per unità di tempo. Misurato in (W). C'è un valore istantaneo e una media (su un periodo di tempo).
Continuiamo a lavorare con le definizioni della sezione di teoria musicale!
Intonazione e nota
AltezzaÈ un termine musicale che significa quasi lo stesso di frequenza. L'eccezione è che non ha un'unità di misura. Invece di definire il suono in base al numero di cicli al secondo nell'intervallo 20 - 20.000 Hz, indichiamo determinati valori di frequenza in lettere latine.
Gli strumenti musicali producono onde sonore periodiche di forme regolari, che chiamiamo toni o note.
Cioè, in altre parole, è una specie di istantanea di un'onda sonora periodica di una certa frequenza. L'altezza di questa nota ci dice quanto suona alta o bassa la nota. In questo caso, le note più basse hanno onde più lunghe. E quelli alti sono più corti.
Diamo un'occhiata a un'onda sonora di 1 kHz. Ora ingrandirò e vedrai qual è la distanza tra i cicli.
Onda sonora a 1 kHz Ora diamo un'occhiata alla forma d'onda a 500 Hz. Qui la frequenza è 2 volte inferiore e la distanza tra i cicli è maggiore.
Onda sonora a 500 Hz Ora prendiamo una forma d'onda di 80 Hz. Sarà ancora più largo e molto più basso in altezza.
Suono a 80 Hz Vediamo la relazione tra altezza e forma d'onda.
Ogni nota musicale si basa su una frequenza fondamentale (altezza). Ma oltre al tono nella musica, consiste anche in ulteriori frequenze risonanti o sfumature.
Lascia che ti mostri un altro esempio!
Di seguito è riportata un'onda a 440 Hz. È lo standard mondiale per l'accordatura degli strumenti. Corrisponde alla nota a.
Onda sonora pura a 440 Hz Sentiamo solo il tono fondamentale (onda sonora pura). Se ingrandiamo, vedremo che è periodico.
Ora diamo un'occhiata a un'onda della stessa frequenza suonata al pianoforte.
Suono periodico di pianoforte Guarda, è anche periodico. Ma ha piccole aggiunte e sfumature. Tutti questi insieme ci danno un'idea di come suona un pianoforte. Ma in aggiunta, gli armonici determinano anche il fatto che alcune note avranno una maggiore affinità per una data nota rispetto ad altre.
Ad esempio, puoi suonare la stessa nota, ma un'ottava più alta. Il suono sarà completamente diverso. Tuttavia, sarà correlato alla nota precedente. Cioè, è la stessa nota, suonata solo un'ottava più alta.
Questa relazione affine tra due note in diverse ottave è dovuta alla presenza di armonici. Sono costantemente presenti e determinano quanto da vicino o da lontano certe note siano legate l'una all'altra.
Una specifica sensazione, da noi percepita come suono, è il risultato del movimento vibrazionale di un mezzo elastico, il più delle volte aria, sul sistema uditivo umano. Le oscillazioni del mezzo sono eccitate da una sorgente sonora e, propagandosi nel mezzo, raggiungono l'apparato ricevente - il nostro orecchio. Pertanto, l'infinita varietà di suoni che ascoltiamo è causata da processi oscillatori che differiscono tra loro per frequenza e ampiezza. Le due facce dello stesso fenomeno non vanno confuse: il suono come processo fisico è caso speciale moto oscillatorio; come fenomeno psicofisiologico, il suono è una sensazione specifica, il cui meccanismo dell'apparenza è stato studiato in dettaglio al momento attuale.
Parlando del lato fisico del fenomeno, caratterizziamo il suono per la sua intensità (forza), la sua composizione e la frequenza dei processi oscillatori ad esso associati; con le sensazioni sonore in mente, stiamo parlando di volume, timbro e altezza.
Nei solidi il suono può propagarsi sia sotto forma di vibrazioni longitudinali che trasversali. Poiché liquidi e gas non hanno elasticità al taglio, è ovvio che il suono può propagarsi nei mezzi gassosi e liquidi solo sotto forma di vibrazioni longitudinali. Nei gas e nei liquidi, le onde sonore alternano ispessimento e rarefazione del mezzo, allontanandosi dalla sorgente sonora ad una certa velocità caratteristica di ciascun mezzo. La superficie dell'onda sonora è la posizione geometrica delle particelle del mezzo, che hanno la stessa fase di oscillazione. Le superfici delle onde sonore possono essere disegnate, ad esempio, in modo che tra le superfici delle onde adiacenti vi sia uno strato di ispessimento e uno strato di rarefazione. La direzione perpendicolare alla superficie dell'onda è detta raggio.
È possibile fotografare le onde sonore in un ambiente gassoso. A tal fine, dietro la sorgente sonora, posizionare
una lastra fotografica, sulla quale viene diretto frontalmente un raggio di luce di una scintilla elettrica in modo che questi raggi di un lampo di luce istantaneo cadano sulla lastra fotografica, attraversando l'aria che circonda la sorgente sonora. Nella fig. 158-160 mostra le fotografie delle onde sonore ottenute con questo metodo. La sorgente sonora era separata dalla lastra fotografica da un piccolo schermo su un supporto.
Nella fig. 158, ma si vede che l'onda sonora è appena uscita da dietro lo schermo; in fig. 158, b, la stessa onda è stata ripresa una seconda volta dopo pochi millesimi di secondo. In questo caso, la superficie dell'onda è una sfera. Nella fotografia, l'immagine dell'onda è ottenuta sotto forma di un cerchio, il cui raggio aumenta nel tempo.
Riso. 158. Foto di un'onda sonora in due tempi (aeb). Riflessione di un'onda sonora (c).
Nella fig. 158, c mostra una fotografia di un'onda sonora sferica riflessa da una parete piana. Qui dovresti prestare attenzione al fatto che la parte riflessa dell'onda, per così dire, proviene da un punto situato dietro la superficie riflettente alla stessa distanza dalla superficie riflettente della sorgente sonora. È noto che il fenomeno della riflessione delle onde sonore è spiegato dall'eco.
Nella fig. 159 mostra il cambiamento nella superficie dell'onda quando un'onda sonora passa attraverso un sacchetto a forma di lente riempito di idrogeno. Questo cambiamento nella superficie dell'onda sonora è una conseguenza della rifrazione (rifrazione) dei raggi sonori: all'interfaccia tra due mezzi, dove la velocità dell'onda è diversa, cambia la direzione di propagazione dell'onda.
Riso. 160 riproduce una fotografia di onde sonore con uno schermo a quattro fessure nel percorso di propagazione. Passando attraverso le fessure, le onde si piegano attorno allo schermo. Questo fenomeno di piegarsi ad onde degli ostacoli incontrati è chiamato diffrazione.
Le leggi di propagazione, riflessione, rifrazione e diffrazione delle onde sonore si possono dedurre dal principio di Huygens, secondo il quale ogni particella portata in vibrazione
l'ambiente può essere considerato come un nuovo centro (sorgente) di onde; l'interferenza di tutte queste onde dà l'onda effettivamente osservata (i modi di applicare il principio di Huygens saranno spiegati nel terzo volume usando l'esempio delle onde luminose).
Le onde sonore portano con sé una certa quantità di movimento e, di conseguenza, esercitano una pressione sugli ostacoli che incontrano.
Riso. 159. Rifrazione di un'onda sonora.
Riso. 160. Diffrazione delle onde sonore.
Per chiarire questo fatto, facciamo riferimento alla Fig. 161. In questa figura, la linea tratteggiata mostra la sinusoide degli spostamenti delle particelle del mezzo in un certo momento di tempo durante la propagazione delle onde longitudinali nel mezzo. Le velocità di queste particelle al momento in questione sono rappresentate come un coseno o, che è lo stesso, una sinusoide davanti alla sinusoide degli spostamenti di un quarto di periodo (in Fig. 161 - una linea continua). È facile capire che si osserverà un ispessimento del mezzo dove in questo momento lo spostamento delle particelle è nullo o prossimo allo zero e dove la velocità è diretta verso la propagazione delle onde. Al contrario, si osserverà la rarefazione del mezzo dove anche lo spostamento delle particelle è uguale a zero o prossimo allo zero, ma dove la velocità delle particelle è diretta in direzione opposta alla propagazione delle onde. Quindi, nelle condensazioni, le particelle si muovono in avanti, in rarefazione - indietro. Ma in
Riso. 161. Nell'ispessimento di un'onda sonora che passa, le particelle si muovono in avanti,
gli strati ispessiti contengono più particelle della rarefazione. Pertanto, in qualsiasi momento durante il viaggio delle onde sonore longitudinali, il numero di particelle che si spostano in avanti supera leggermente il numero di particelle che si spostano all'indietro. Di conseguenza, l'onda sonora porta con sé una certa quantità di movimento, che si manifesta nella pressione che le onde sonore esercitano sugli ostacoli che incontrano.
La pressione sonora è stata studiata sperimentalmente da Rayleigh e Petr Nikolaevich Lebedev.
Teoricamente, la velocità del suono è determinata dalla formula di Laplace [§ 65, formula (5)]:
dove K è il modulo di elasticità a tutto tondo (quando la compressione viene eseguita senza l'afflusso e il rilascio di calore), densità.
Se il corpo viene compresso mantenendo costante la temperatura corporea, i valori del modulo elastico sono inferiori rispetto al caso in cui la compressione viene eseguita senza l'afflusso e il rilascio di calore. Questi due valori del modulo di elasticità a tutto tondo, come dimostrato in termodinamica, si relazionano allo stesso modo della capacità termica di un corpo a pressione costante alla capacità termica di un corpo a volume costante.
Per i gas (non troppo compressi) il modulo isotermico di elasticità a tutto tondo è semplicemente uguale alla pressione del gas Se, senza modificare la temperatura del gas, comprimiamo il gas (aumentandone la densità) di volte, allora la pressione del gas aumenterà da volte. Di conseguenza, secondo la formula di Laplace, risulta che la velocità del suono in un gas non dipende dalla densità del gas.
Dalle leggi dei gas e dalla formula di Laplace si deduce (§ 134) che la velocità del suono nei gas è proporzionale alla radice quadrata della temperatura assoluta del gas:
dove è l'accelerazione di gravità, il rapporto tra le capacità di temperatura è la costante universale dei gas.
A C, la velocità del suono nell'aria secca è uguale alle temperature medie e all'umidità media, la velocità del suono nell'aria è considerata uguale a La velocità del suono nell'idrogeno a è
In acqua, la velocità del suono in vetro in ferro è
Va notato che le onde d'urto sonore causate da uno sparo o da un'esplosione, all'inizio del loro percorso, hanno una velocità
notevolmente superiore alla normale velocità del suono in un dato ambiente. Un'onda sonora d'urto in aria, provocata da una forte esplosione, può avere una velocità in prossimità della sorgente sonora diverse volte superiore alla normale velocità del suono in aria, ma già a una distanza di decine di metri dal luogo dell'esplosione, il la velocità di propagazione dell'onda diminuisce ad un valore normale.
Come già accennato al § 65, onde sonore di diversa lunghezza hanno praticamente la stessa velocità. Fanno eccezione quelle gamme di frequenza per le quali è caratteristico uno smorzamento particolarmente rapido delle onde elastiche durante la loro propagazione nel mezzo considerato. Tipicamente, queste frequenze si trovano ben oltre il range uditivo (per i gas con pressione atmosferica sono frequenze dell'ordine delle oscillazioni al secondo). Analisi teorica mostra che la dispersione e l'assorbimento delle onde sonore sono associate al fatto che per la ridistribuzione dell'energia tra i moti traslazionali e vibrazionali delle molecole è necessario del tempo, seppur piccolo. Ciò porta al fatto che le onde lunghe (onde della gamma sonora) si muovono un po' più lentamente delle onde "non udibili" molto corte. Quindi, nel vapore di anidride carbonica a pressione atmosferica, il suono ha una velocità, mentre onde molto corte e "non udibili" si propagano con una velocità
Un'onda sonora, propagandosi in un mezzo, può avere forma diversa a seconda delle dimensioni e della forma della sorgente sonora. Nei casi tecnicamente più interessanti, la sorgente sonora (emettitore) è una sorta di superficie vibrante, come, ad esempio, una membrana telefonica o un diffusore per altoparlante. Se una tale sorgente sonora emette onde sonore in uno spazio aperto, la forma d'onda dipende in modo significativo dalle dimensioni relative dell'emettitore; l'emettitore, le cui dimensioni sono grandi rispetto alla lunghezza dell'onda sonora, emette energia sonora in una sola direzione, cioè nella direzione del suo moto oscillatorio. Al contrario, un radiatore di piccole dimensioni rispetto alla lunghezza d'onda emette energia sonora in tutte le direzioni. La forma del fronte d'onda in entrambi i casi sarà ovviamente diversa.
Consideriamo prima il primo caso. Immagina una superficie piana rigida di dimensioni sufficientemente grandi (rispetto alla lunghezza d'onda), che esegue movimenti oscillatori nella direzione della sua normale. Andando avanti, tale superficie crea davanti ad essa un ispessimento che, a causa dell'elasticità del mezzo, si propagherà nella direzione dello spostamento dell'emettitore). Tornando indietro, l'emettitore crea una rarefazione, che si sposterà nel mezzo dopo l'ispessimento iniziale. Per un'oscillazione a breve termine dell'emettitore, osserveremo su entrambi i lati di esso un'onda sonora, caratterizzata dal fatto che tutte le particelle del mezzo che si trovano ad uguale distanza dalla superficie emittente della densità media del mezzo e la velocità del suono con:
Il prodotto della densità media del mezzo e la velocità del suono è chiamato resistenza acustica del mezzo.
Resistenza acustica a 20 ° С
(vedi scansione)
Consideriamo ora il caso delle onde sferiche. Quando la dimensione della superficie radiante diventa piccola rispetto alla lunghezza d'onda, il fronte d'onda è notevolmente curvo. Questo perché l'energia vibrazionale si propaga in tutte le direzioni dall'emettitore.
Il fenomeno può essere meglio compreso con il seguente semplice esempio. Immagina che un lungo tronco cada sulla superficie dell'acqua. Le onde risultanti viaggiano in file parallele su entrambi i lati del tronco. La situazione è diversa quando un sassolino viene lanciato in acqua e le onde si propagano in cerchi concentrici. Il registro è relativamente grande
con la lunghezza d'onda alla superficie dell'acqua; le file parallele di onde che ne derivano rappresentano un modello visivo di onde piane. La pietra è di piccole dimensioni; i cerchi divergenti dal luogo della sua caduta ci danno un modello di onde sferiche. Quando un'onda sferica si propaga, la superficie del fronte d'onda aumenta in proporzione al quadrato del suo raggio. Con una potenza costante della sorgente sonora, l'energia che scorre attraverso ogni centimetro quadrato della superficie sferica del raggio è inversamente proporzionale. Poiché l'energia di vibrazione è proporzionale al quadrato dell'ampiezza, è chiaro che l'ampiezza delle oscillazioni in un l'onda sferica dovrebbe diminuire come il reciproco della prima potenza della distanza dalla sorgente sonora. L'equazione di un'onda sferica ha, quindi, la seguente forma:
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