SUNET: ISTORIC, CARACTERISTICI, MODUL ÎN CARE ESTE PRODUS, TIPURI - FIZIC - 2025

Sunetul este definit ca o perturbație la înmulțire într - un mediu cum ar fi aerul, alternativ acesta produce compresii și extinderi în ea. Aceste modificări ale presiunii și densității aerului ajung la ureche și sunt interpretate de creier ca fiind senzații auditive.

Sunetele au însoțit viața de la înființare, făcând parte din instrumentele pe care animalele le au pentru a comunica între ele și cu mediul lor. Unii oameni spun că plantele ascultă și ele, dar, în orice caz, ar putea percepe vibrațiile mediului, chiar dacă nu au un dispozitiv auditiv precum animalele superioare.

Figura 1. Ruptura barierei sonore

Pe lângă utilizarea sunetului pentru a comunica prin vorbire, oamenii îl folosesc ca expresie artistică prin muzică. Toate culturile, antice și recente, au manifestări muzicale de tot felul, prin care își spun poveștile, obiceiurile, credințele și sentimentele religioase.

Istorie

Datorită importanței sale, umanitatea a devenit interesată să-și studieze natura și a creat acustica, o ramură a fizicii dedicată proprietăților și comportamentului undelor sonore.

Este cunoscut faptul că celebrul matematician Pitagora (569-475 î.Hr.) a petrecut mult timp studiind diferențele de înălțime (frecvență) dintre sunete. Pe de altă parte, Aristotel, care a speculat cu privire la toate aspectele naturii, a afirmat corect că sunetul constă în expansiuni și comprimări în aer.

Mai târziu, celebrul inginer roman Vitruvius (80-15 î.e.n.) a scris un tratat despre acustică și aplicațiile sale în construcția de teatre. Însuși Isaac Newton (1642-1727) a studiat propagarea sunetului în medii solide și a determinat o formulă pentru viteza de propagare a acestuia.

De-a lungul timpului, instrumentele matematice de calcul au făcut posibilă exprimarea adecvată a tuturor complexității comportamentului undelor.

Caracteristicile sunetului (proprietăți)

În forma sa cea mai simplă, o undă sonoră poate fi descrisă ca o undă sinusoidală, care se propagă în timp și spațiu, precum cea prezentată în figura 2. Acolo se observă că unda este periodică, adică are o un mod care se repetă în timp.

Fiind o undă longitudinală, direcția de propagare și direcția în care se mișcă particulele mediului vibrator sunt aceleași.

Parametri de undă sonoră

Figura 2. Sunetul este o undă longitudinală, perturbarea se propagă în aceeași direcție în care moleculele experimentează deplasarea lor. Sursa: Wikimedia Commons.

Parametrii unei unde sonore sunt:

Perioada T: este timpul necesar pentru a repeta o fază a undei. În sistemul internațional se măsoară în câteva secunde.

Ciclul : este partea valului conținută în perioada și se acoperă dintr-un punct în altul care are aceeași înălțime și aceeași pantă. Poate fi de la o vale la alta, de la o creastă la alta sau de la un punct la altul care îndeplinește specificațiile descrise.

Lungimea de undă λ : este distanța dintre o creastă și alta a valului, între o vale și alta, sau în general între un punct și următorul cu aceeași înălțime și pantă. Fiind o lungime, aceasta este măsurată în metri, deși alte unități sunt mai potrivite în funcție de tipul de undă.

Frecvența f : este definită ca numărul de cicluri pe unitatea de timp. Unitatea sa este Hertz (Hz).

Amplitudinea A: corespunde înălțimii maxime a undei în raport cu axa orizontală.

Cum se produce și se propagă sunetul?

Sunetul este produs atunci când un obiect care este imersat într-un mediu material este vibrat, așa cum se arată în partea de jos a figurii 2. Membrana întinsă a difuzorului din stânga vibrează și transmite perturbarea prin aer până când ajunge la ascultător.

Pe măsură ce perturbația se răspândește, energia este transmisă moleculelor din mediu, care interacționează între ele, prin expansiuni și comprimări. Aveți întotdeauna nevoie de un material material pentru propagarea sunetului, fie că este solid, lichid sau gazos.

Atunci când tulburarea din aer ajunge în ureche, variațiile presiunii aerului determină vibrația timpanului. Aceasta dă naștere la impulsuri electrice care sunt transmise creierului prin nervul auditiv și, odată acolo, impulsurile sunt transpuse în sunet.

Viteza sunetului

Viteza undelor mecanice într-un mediu dat urmărește această relație:

De exemplu, atunci când se propagă într-un gaz precum aerul, viteza sunetului poate fi calculată ca:

Pe măsură ce temperatura crește, la fel și viteza sunetului, deoarece moleculele din mediu sunt mai dispuse să vibreze și să transmită vibrațiile prin mișcările lor. Pe de altă parte, presiunea nu afectează valoarea acesteia.

Relația dintre lungimea de undă și frecvență

Am văzut deja că timpul necesar valului pentru a completa un ciclu este perioada, în timp ce distanța parcursă în acea perioadă de timp este egală cu o lungime de undă. Prin urmare, viteza v a sunetului este definită ca:

Pe de altă parte, frecvența și perioada sunt legate, una fiind inversă celeilalte, astfel:

Care duce la:

Intervalul de frecvență sonoră la om este cuprins între 20 și 20.000 Hz, de aceea lungimea de undă sonoră este cuprinsă între 1,7 cm și 17 m atunci când se înlocuiesc valorile din ecuația de mai sus.

Aceste lungimi de undă sunt de mărimea obiectelor obișnuite, care influențează propagarea sunetului, deoarece este o undă, experimentează reflecție, refracție și difracție atunci când întâlnește obstacole.

Experiența difracției înseamnă că sunetul este afectat atunci când întâlnește obstacole și deschideri apropiate sau mai mici ca dimensiune a lungimii de undă.

Sunetele de bas se pot răspândi mai bine pe distanțe lungi, motiv pentru care elefanții folosesc infrasunete (sunete de frecvență foarte mică, inaudibile urechii umane) pentru a comunica pe teritoriile lor vaste.

De asemenea, atunci când există muzică într-o cameră din apropiere, bass-ul se aude mai bine decât agitatul, deoarece lungimea sa de undă este cam de dimensiunea ușilor și ferestrelor. Pe de altă parte, la ieșirea din cameră, sunetele înalte sunt pierdute cu ușurință și, prin urmare, încetează să fie auzite.

Cum se măsoară sunetul?

Sunetul constă într-o serie de compresii și rarefecții ale aerului, astfel încât pe măsură ce se propagă, sunetul provoacă creșterea și scăderea presiunii. În Sistemul Internațional, presiunea este măsurată în pascali, care este prescurtată Pa.

Ceea ce se întâmplă este că aceste schimbări sunt foarte mici în comparație cu presiunea atmosferică, care valorează aproximativ 101.000 Pa.

Chiar și cele mai puternice sunete produc fluctuații de până la 20-30 Pa (prag de durere), o cantitate destul de mică în comparație. Dar dacă puteți măsura acele schimbări, atunci aveți un mod de a măsura sunetul.

Presiunea sonoră este diferența dintre presiunea atmosferică cu sunetul și presiunea atmosferică fără sunet. După cum am spus, cele mai puternice sunete produc presiuni sonore de 20 Pa, în timp ce cele mai slabe provoacă aproximativ 0.00002 Pa (prag de sunet).

Întrucât gama de presiuni sonore se întinde pe mai multe puteri de 10, trebuie indicată o scală logaritmică pentru a le indica.

Pe de altă parte, experimental, s-a stabilit că oamenii percep modificări ale sunetelor de intensitate scăzută mai vizibil decât schimbări de aceeași mărime, dar în sunete intense.

De exemplu, dacă presiunea sonoră crește cu 1, 2, 4, 8, 16 …, urechea percepe creșteri de 1, 2, 3, 4 … în intensitate. Din acest motiv, este convenabil să definiți o nouă cantitate numită nivel de presiune sonoră (Nivel de presiune sonoră) L _P , definit ca:

În cazul în care P _o este presiunea de referință , care este luată ca pragul de auz și P ₁ este presiunea medie sau RMS presiune efectivă. Această RMS sau presiunea medie este ceea ce percepe urechea ca energie medie a semnalului sonor.

Decibels

Rezultatul expresiei de mai sus pentru L _P , atunci când este evaluat pentru diferite valori ale P ₁ , este dat în decibeli, o cantitate fără dimensiuni. Exprimarea nivelului de presiune sonoră este foarte convenabilă, deoarece logaritmele convertesc un număr mare în numere mai mici, mai ușor de gestionat.

Cu toate acestea, în multe cazuri este de preferat să se utilizeze intensitatea sunetului pentru a determina decibeli, decât presiunea sonoră.

Intensitatea sunetului este energia care curge timp de o secundă (putere) printr-o suprafață unitară orientată perpendicular pe direcția în care se propagă unda. Ca și presiunea sonoră, este o cantitate scalară și se notează I. Unitățile din I sunt W / m ² , adică putere pe unitate de suprafață.

Se poate demonstra că intensitatea sunetului este proporțională cu pătratul presiunii sonore:

În această expresie, ρ este densitatea mediului și c este viteza sunetului. Apoi nivelul intensității sunetului L _I este definit ca:

Care este, de asemenea, exprimat în decibeli și uneori este notat de litera greacă β. Valoarea de referință pe I _O este 1 x 10 ^-12 W / m ² . Astfel, 0 dB reprezintă limita inferioară a auzului uman, în timp ce pragul durerii este de 120 dB.

Deoarece este o scară logaritmică, trebuie subliniat faptul că diferențele mici în ceea ce privește numărul de decibeli fac o diferență mare în ceea ce privește intensitatea sunetului.

Contorul sonor

Un contor de nivel sonor sau un decibelmetru este un dispozitiv utilizat pentru măsurarea presiunii sonore, care indică măsurarea în decibeli. Este conceput pentru a răspunde la ea în același mod în care ar fi urechea umană.

Figura 3. Contorul sonor sau decibelmetrul este utilizat pentru a măsura nivelul presiunii sonore. Sursa: Wikimedia Commons.

Este format dintr-un microfon pentru colectarea semnalului, mai multe circuite cu amplificatoare și filtre, care sunt responsabile pentru transformarea adecvată a acestui semnal într-un curent electric, și în final o scară sau un ecran pentru a arăta rezultatul lecturii.

Sunt utilizate pe scară largă pentru a determina impactul pe care anumite zgomote îl au asupra oamenilor și asupra mediului. De exemplu, zgomote în fabrici, industrii, aeroporturi, zgomot de trafic și multe altele.

Tipuri de sunet (ultrasunete, ultrasunete, mono, stereo, polifonice, homofonice, bass, treble)

Sunetul se caracterizează prin frecvența sa. Conform celor pe care le poate captura urechea umană, toate sunetele sunt clasificate în trei categorii: cele pe care le putem auzi sau spectrul audibil, cele care au o frecvență sub limita inferioară a spectrului audibil sau infrasunete și cele care se află peste spectrul audibil. limita superioara, numita ecografie.

În orice caz, întrucât undele sonore se pot suprapune liniar, sunetele de zi cu zi, pe care le interpretăm uneori drept unice, constau de fapt din sunete diferite, cu frecvențe diferite, dar apropiate.

Figura 4. Spectrul sunetului și intervalele de frecvență. Sursa: Wikimedia Commons.

Spectru audibil

Urechea umană este proiectată pentru a ridica o gamă largă de frecvențe: între 20 și 20.000 Hz. Dar nu toate frecvențele din acest interval sunt percepute cu aceeași intensitate.

Urechea este mai sensibilă în banda de frecvență cuprinsă între 500 și 6.000 Hz. Cu toate acestea, există și alți factori care afectează capacitatea de a percepe sunetul, cum ar fi vârsta.

infrasunetelor

Sunt sunete a căror frecvență este mai mică de 20 Hz, dar faptul că oamenii nu le pot auzi nu înseamnă că alte animale nu pot. De exemplu, elefanții le folosesc pentru a comunica, deoarece infrasunetele pot parcurge distanțe lungi.

Alte animale, cum ar fi tigrul, le folosesc pentru a-și înăbuși prada. Infrasuneta este utilizată și în detectarea obiectelor mari.

Ecografie

Au frecvențe mai mari de 20.000 Hz și sunt utilizate pe scară largă în multe domenii. Una dintre cele mai notabile utilizări ale ecografiei este ca instrument de medicamente, atât de diagnostic, cât și de tratament. Imaginile obținute prin ultrasunete nu sunt invazive și nu folosesc radiații ionizante.

Ultrasunetele sunt, de asemenea, utilizate pentru a găsi defecțiuni în structuri, pentru a determina distanțele, pentru a detecta obstacolele în timpul navigării și multe altele. Animalele folosesc, de asemenea, ultrasunete și, de fapt, așa a fost descoperită existența acesteia.

Liliecii emit pulsuri de sunet și apoi interpretează ecoul pe care îl produc pentru a estima distanțele și a localiza prada. La rândul lor, câinii pot auzi și ultrasunete și de aceea răspund la fluierul câinelui pe care proprietarul lor nu îl poate auzi.

Sunetul monofonic și sunetul stereofonic

Figura 4. Într-un studio de înregistrare, sunetul este modificat corespunzător de dispozitivele electronice. Sursa: Pixabay.

Sunetul monofonic este un semnal înregistrat cu un singur microfon sau canal audio. Când asculți cu căști sau sunete, ambele urechi aud exact același lucru. În schimb, sunetul stereofonic înregistrează semnale cu două microfoane independente.

Microfoanele sunt amplasate în diferite poziții, astfel încât să poată ridica diferite presiuni sonore din ceea ce doriți să înregistrați.

Apoi, fiecare ureche primește unul dintre aceste seturi de semnale, iar atunci când creierul le adună și le interpretează, rezultatul este mult mai realist decât atunci când ascultă sunete monofonice. Prin urmare, este metoda preferată atunci când vine vorba de muzică și film, deși sunetul monofonic sau monaural este încă utilizat în radio, în special pentru interviuri și conversații.

Homofonie și polifonie

Muzical vorbind, omofonia constă în aceeași melodie cântată de două sau mai multe voci sau instrumente. Pe de altă parte, în polifonie există două sau mai multe voci sau instrumente de aceeași importanță care urmează melodii și chiar ritmuri diferite. Ansamblul rezultat al acestor sunete este armonios, cum ar fi muzica lui Bach.

Sunete de bas și treble

Urechea umană discriminează frecvențele audibile ca fiind ridicate, mici sau medii. Aceasta este ceea ce este cunoscut drept tonul sunetului.

Frecvențele cele mai înalte, între 1600 și 20.000 Hz, sunt considerate sunete acute, banda cuprinsă între 400 și 1600 Hz corespunde sunetelor cu un ton mediu și, în sfârșit, frecvențele cuprinse între 20 și 400 Hz sunt tonurile de bas.

Sunetele de bass diferă de cele puternice, prin faptul că primele sunt percepute ca fiind profunde, întunecate și în plină expansiune, în timp ce cele din urmă sunt ușoare, clare, fericite și strălucitoare. De asemenea, urechea le interpretează ca fiind mai intense, spre deosebire de sunetele de bas, care produc senzația de intensitate mai mică.

Referințe

1. Figueroa, D. 2005. Valuri și fizică cuantică. Serie: fizică pentru știință și inginerie. Editat de D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6-a. Sala Ed Prentice.
3. Rocamora, A. Note despre acustica muzicală. Recuperat din: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizică pentru știință și inginerie. Volumul 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Acustică. Recuperat de la: es.wikipedia.org.