Lakukan gelombang suara. Mengapa gelombang suara muncul? Suara terdengar dari kedalaman

Bunyi adalah gelombang bunyi yang menimbulkan getaran pada partikel terkecil udara, gas lain, serta media cair dan padat. Suara hanya dapat terjadi di mana ada materi, tidak peduli dalam keadaan materi apa pun itu berada. Dalam ruang hampa, di mana tidak ada medium, suara tidak merambat, karena tidak ada partikel yang bertindak sebagai gelombang suara. Misalnya di luar angkasa. Suara dapat dimodifikasi, dimodifikasi, diubah menjadi bentuk energi lain. Dengan demikian, suara yang diubah menjadi gelombang radio atau energi listrik dapat ditransmisikan melalui jarak jauh dan direkam pada media informasi.

Gelombang suara

Pergerakan benda dan benda hampir selalu menimbulkan getaran di lingkungan. Tidak masalah apakah itu air atau udara. Dalam proses ini, partikel-partikel medium, tempat getaran tubuh ditransmisikan, juga mulai berosilasi. Gelombang suara dihasilkan. Selain itu, gerakan dilakukan dalam arah maju dan mundur, secara bertahap saling menggantikan. Oleh karena itu, gelombang bunyi bersifat longitudinal. Pernah di dalamnya tidak ada gerakan melintang ke atas dan ke bawah.

Ciri-ciri gelombang bunyi

Seperti fenomena fisik lainnya, mereka memiliki nilainya sendiri, yang dengannya Anda dapat menggambarkan sifat-sifatnya. Ciri utama gelombang bunyi adalah frekuensi dan amplitudonya. Nilai pertama menunjukkan berapa banyak gelombang yang terbentuk per detik. Yang kedua menentukan kekuatan gelombang. Suara frekuensi rendah memiliki nilai frekuensi rendah dan sebaliknya. Frekuensi suara diukur dalam Hertz, dan jika melebihi 20.000 Hz, maka ultrasound terjadi. Ada cukup banyak contoh suara frekuensi rendah dan frekuensi tinggi di alam dan dunia di sekitar kita. Kicau burung bulbul, gemuruh guntur, deru sungai pegunungan dan lain-lain semuanya merupakan frekuensi suara yang berbeda. Nilai amplitudo gelombang secara langsung tergantung pada seberapa keras suara itu. Volume, pada gilirannya, berkurang saat Anda menjauh dari sumber suara. Dengan demikian, amplitudo semakin kecil, semakin jauh dari episentrum gelombang. Dengan kata lain, amplitudo gelombang suara berkurang dengan jarak dari sumber suara.

Kecepatan suara

Indikator gelombang suara ini secara langsung tergantung pada sifat medium di mana ia merambat. Kelembaban dan suhu juga memainkan peran penting di sini. Dalam kondisi cuaca rata-rata, kecepatan suara sekitar 340 meter per detik. Dalam fisika, ada yang namanya kecepatan supersonik, yang nilainya selalu lebih besar daripada kecepatan suara. Ini adalah kecepatan di mana gelombang suara merambat ketika pesawat bergerak. Pesawat bergerak dengan kecepatan supersonik dan bahkan melampaui gelombang suara yang dihasilkannya. Karena tekanan secara bertahap meningkat di belakang pesawat, gelombang suara kejut terbentuk. Yang menarik dan hanya sedikit orang yang tahu satuan pengukuran kecepatan seperti itu. Namanya Mach. Mach 1 sama dengan kecepatan suara. Jika gelombang bergerak dengan kecepatan 2 Mach, maka gelombang tersebut merambat dua kali lebih cepat dari kecepatan suara.

Kebisingan

Ada suara konstan dalam kehidupan sehari-hari. Tingkat kebisingan diukur dalam desibel. Pergerakan mobil, angin, gemerisik dedaunan, jalinan suara orang dan suara bising lainnya adalah teman kita sehari-hari. Tetapi penganalisis pendengaran manusia memiliki kemampuan untuk terbiasa dengan suara-suara seperti itu. Namun, ada juga fenomena yang bahkan kemampuan adaptif telinga manusia tidak dapat mengatasinya. Misalnya, kebisingan yang melebihi 120 dB dapat menyebabkan sensasi nyeri. Hewan paling keras adalah paus biru. Ketika mengeluarkan suara, itu dapat didengar pada jarak lebih dari 800 kilometer.

Gema

Bagaimana gema terjadi? Semuanya sangat sederhana di sini. Gelombang suara memiliki kemampuan untuk dipantulkan dari permukaan yang berbeda: dari air, dari batu, dari dinding di ruangan kosong. Gelombang ini kembali kepada kita, sehingga kita mendengar suara sekunder. Ini tidak sejelas aslinya, karena sebagian energi gelombang suara hilang saat bergerak menuju rintangan.

Ekolokasi

Refleksi suara digunakan untuk berbagai tujuan praktis. Misalnya, ekolokasi. Ini didasarkan pada fakta bahwa dengan bantuan gelombang ultrasonik, dimungkinkan untuk menentukan jarak ke objek dari mana gelombang ini dipantulkan. Perhitungan dilakukan dengan mengukur waktu di mana ultrasound akan mencapai tempat dan kembali. Banyak hewan memiliki kemampuan untuk melakukan ekolokasi. Misalnya kelelawar, lumba-lumba menggunakannya untuk mencari makan. Echolocation telah menemukan aplikasi lain dalam pengobatan. Dalam studi menggunakan ultrasound, gambar organ internal seseorang terbentuk. Metode ini didasarkan pada fakta bahwa ultrasound, yang masuk ke media selain udara, kembali lagi, sehingga membentuk gambar.

Gelombang suara dalam musik

Mengapa alat musik mengeluarkan bunyi tertentu? Pick gitar, nada piano, nada rendah dari drum dan terompet, suara seruling tipis yang menawan. Semua ini dan banyak suara lainnya disebabkan oleh getaran di udara, atau, dengan kata lain, karena munculnya gelombang suara. Tapi mengapa suara alat musik begitu beragam? Ternyata itu tergantung pada beberapa faktor. Yang pertama adalah bentuk alatnya, yang kedua adalah bahan dari mana alat itu dibuat.

Mari kita lihat contoh alat musik petik. Mereka menjadi sumber suara ketika senar disentuh. Akibatnya, mereka mulai menghasilkan getaran dan mengirimkan suara yang berbeda ke lingkungan. Suara rendah dari setiap alat musik petik disebabkan oleh ketebalan dan panjang senar yang lebih besar, serta kelemahan tegangannya. Sebaliknya, semakin kuat senar diregangkan, semakin tipis dan pendek, semakin tinggi suara yang diperoleh sebagai hasil dari bermain.

Tindakan mikrofon

Ini didasarkan pada konversi energi gelombang suara menjadi energi listrik. Dalam hal ini, kekuatan arus dan sifat suara berbanding lurus. Di dalam mikrofon apa pun ada pelat tipis yang terbuat dari logam. Saat terkena suara, ia mulai membuat gerakan berosilasi. Spiral tempat pelat dihubungkan juga bergetar, menghasilkan arus listrik. Kenapa dia muncul? Ini karena mikrofon juga memiliki magnet bawaan. Ketika spiral bergetar di antara kutubnya, arus listrik terbentuk, yang mengalir di sepanjang spiral dan kemudian ke kolom suara (loudspeaker) atau ke peralatan untuk merekam pada media informasi (pada kaset, disk, komputer). Omong-omong, struktur serupa memiliki mikrofon di telepon. Tetapi bagaimana cara kerja mikrofon di telepon rumah dan ponsel? Fase awal sama untuk mereka - suara suara manusia mentransmisikan getarannya ke pelat mikrofon, kemudian semuanya mengikuti skenario yang dijelaskan di atas: spiral yang menutup dua kutub saat bergerak, arus dibuat. Apa berikutnya? Dengan telepon rumah, semuanya lebih atau kurang jelas - seperti di mikrofon, suara, diubah menjadi arus listrik, mengalir melalui kabel. Tapi bagaimana dengan ponsel atau, misalnya, walkie-talkie? Dalam kasus ini, suara diubah menjadi energi gelombang radio dan mengenai satelit. Itu saja.

Fenomena resonansi

Terkadang kondisi seperti itu tercipta ketika amplitudo osilasi tubuh fisik meningkat tajam. Ini disebabkan oleh konvergensi nilai frekuensi osilasi paksa dan frekuensi alami osilasi objek (benda). Resonansi dapat bermanfaat dan berbahaya. Misalnya, untuk menyelamatkan sebuah mobil dari lubang, mobil distarter dan didorong maju mundur untuk menimbulkan resonansi dan memberikan momentum pada mobil. Tetapi ada juga kasus konsekuensi negatif dari resonansi. Misalnya, di Sankt Peterburg, sekitar seratus tahun yang lalu, sebuah jembatan runtuh di bawah barisan tentara yang berbaris.

Pelajaran ini mencakup topik "Gelombang suara". Dalam pelajaran ini kita akan terus belajar akustik. Pertama, kami mengulangi definisi gelombang suara, kemudian mempertimbangkan rentang frekuensinya dan berkenalan dengan konsep gelombang ultrasonik dan infrasonik. Kita juga akan membahas sifat-sifat gelombang suara pada berbagai media dan mengetahui ciri-cirinya. .

Gelombang suara - ini adalah getaran mekanis yang, merambat dan berinteraksi dengan organ pendengaran, dirasakan oleh seseorang (Gbr. 1).

Beras. 1. Gelombang suara

Bagian yang membahas gelombang ini dalam fisika disebut akustik. Profesi orang yang biasa disebut "pendengar" adalah akustik. Gelombang suara adalah gelombang yang merambat dalam media elastis, itu adalah gelombang longitudinal, dan ketika merambat dalam media elastis, kompresi dan penghalusan bergantian. Ini ditransmisikan dari waktu ke waktu melalui jarak (Gbr. 2).

Beras. 2. Perambatan gelombang suara

Gelombang suara termasuk getaran seperti itu yang dilakukan dengan frekuensi 20 hingga 20.000 Hz. Frekuensi ini sesuai dengan panjang gelombang 17 m (untuk 20 Hz) dan 17 mm (untuk 20.000 Hz). Rentang ini akan disebut suara yang dapat didengar. Panjang gelombang ini diberikan untuk udara, kecepatan rambat suara yang sama dengan.

Ada juga rentang yang digunakan oleh ahli akustik - infrasonik dan ultrasonik. Infrasonik adalah mereka yang memiliki frekuensi kurang dari 20 Hz. Dan ultrasonik adalah yang memiliki frekuensi lebih dari 20.000 Hz (Gbr. 3).

Beras. 3. Rentang gelombang suara

Setiap orang yang berpendidikan harus dipandu dalam rentang frekuensi gelombang suara dan tahu bahwa jika dia melakukan pemindaian ultrasound, maka gambar di layar komputer akan dibangun dengan frekuensi lebih dari 20.000 Hz.

USG - Ini adalah gelombang mekanik yang mirip dengan gelombang suara, tetapi dengan frekuensi 20 kHz hingga satu miliar hertz.

Gelombang dengan frekuensi lebih dari satu miliar hertz disebut hipersonik.

Ultrasound digunakan untuk mendeteksi cacat pada bagian cor. Aliran sinyal ultrasonik pendek diarahkan ke bagian yang diuji. Di tempat-tempat di mana tidak ada cacat, sinyal melewati bagian tanpa didaftarkan oleh penerima.

Jika ada celah, rongga udara, atau ketidakhomogenan lainnya di bagian tersebut, maka sinyal ultrasonik dipantulkan darinya dan, kembali, memasuki penerima. Metode seperti itu disebut deteksi cacat ultrasonik.

Contoh lain penggunaan ultrasound adalah mesin ultrasound, mesin ultrasound, terapi ultrasound.

Infrasonik - gelombang mekanik mirip dengan gelombang suara, tetapi dengan frekuensi kurang dari 20 Hz. Mereka tidak dirasakan oleh telinga manusia.

Sumber alami gelombang infrasonik adalah badai, tsunami, gempa bumi, angin topan, letusan gunung berapi, badai petir.

Infrasonik juga merupakan gelombang penting yang digunakan untuk menggetarkan permukaan (misalnya, untuk menghancurkan beberapa benda besar). Kami meluncurkan infrasonik ke tanah - dan tanah hancur. Di mana ini digunakan? Misalnya, di tambang berlian, di mana mereka mengambil bijih yang mengandung komponen berlian dan menghancurkannya menjadi partikel kecil untuk menemukan inklusi berlian ini (Gbr. 4).

Beras. 4. Penerapan infrasonik

Kecepatan suara tergantung pada kondisi lingkungan dan suhu (Gbr. 5).

Beras. 5. Kecepatan rambat gelombang suara di berbagai media

Harap dicatat: di udara, kecepatan suara sama dengan , sedangkan kecepatan meningkat sebesar . Jika Anda seorang peneliti, maka pengetahuan tersebut mungkin berguna bagi Anda. Anda bahkan dapat menemukan semacam sensor suhu yang akan mendeteksi perbedaan suhu dengan mengubah kecepatan suara dalam medium. Kita telah mengetahui bahwa semakin padat suatu medium, semakin serius interaksi antar partikel medium, semakin cepat gelombang merambat. Kami membahas ini di paragraf terakhir menggunakan contoh udara kering dan udara lembab. Untuk air, kecepatan rambat suara. Jika Anda membuat gelombang suara (mengetuk garpu tala), maka kecepatan rambatnya di air akan 4 kali lebih besar daripada di udara. Melalui air, informasi akan mencapai 4 kali lebih cepat daripada melalui udara. Dan bahkan lebih cepat dalam baja: (Gbr. 6).

Beras. 6. Kecepatan rambat gelombang suara

Anda tahu dari epos yang digunakan Ilya Muromets (dan semua pahlawan dan orang-orang Rusia biasa dan anak laki-laki dari Dewan Militer Revolusi Gaidar), menggunakan cara yang sangat menarik untuk mendeteksi objek yang mendekat, tetapi masih jauh. Suara yang dihasilkan saat bergerak belum terdengar. Ilya Muromets, dengan telinganya ke tanah, bisa mendengarnya. Mengapa? Karena suara ditransmisikan melalui tanah padat dengan kecepatan lebih tinggi, yang berarti akan mencapai telinga Ilya Muromets lebih cepat, dan dia akan dapat bersiap untuk menghadapi musuh.

Gelombang suara yang paling menarik adalah suara dan suara musik. Benda apa saja yang dapat menimbulkan gelombang bunyi? Jika kita mengambil sumber gelombang dan medium elastis, jika kita membuat sumber suara bergetar secara harmonis, maka kita akan memiliki gelombang suara yang indah, yang akan disebut suara musik. Sumber gelombang suara ini dapat berupa, misalnya, senar gitar atau piano. Ini mungkin gelombang suara yang dibuat di celah pipa udara (organ atau pipa). Dari pelajaran musik Anda tahu nada: do, re, mi, fa, salt, la, si. Dalam akustik mereka disebut nada (Gbr. 7).

Beras. 7. Nada musik

Semua item yang dapat memancarkan nada akan memiliki fitur. Bagaimana perbedaannya? Mereka berbeda dalam panjang gelombang dan frekuensi. Jika gelombang suara ini tidak diciptakan oleh benda yang terdengar harmonis atau tidak terhubung ke dalam bagian orkestra yang sama, maka sejumlah suara seperti itu akan disebut kebisingan.

Kebisingan- fluktuasi acak dari berbagai sifat fisik, ditandai dengan kompleksitas struktur temporal dan spektral. Konsep kebisingan sehari-hari dan bersifat fisik, mereka sangat mirip, dan oleh karena itu kami memperkenalkannya sebagai objek pertimbangan penting yang terpisah.

Mari kita beralih ke perkiraan kuantitatif gelombang suara. Apa ciri-ciri gelombang bunyi musik? Karakteristik ini berlaku secara eksklusif untuk getaran suara harmonik. Jadi, volume suara. Apa yang menentukan volume suara? Pertimbangkan propagasi gelombang suara dalam waktu atau osilasi sumber gelombang suara (Gbr. 8).

Beras. 8. Volume suara

Pada saat yang sama, jika kita tidak menambahkan banyak suara ke sistem (tekan dengan lembut pada tuts piano, misalnya), maka akan ada suara yang tenang. Jika kita dengan keras, mengangkat tangan kita tinggi-tinggi, memanggil suara ini dengan menekan tombol, kita mendapatkan suara yang keras. Itu tergantung pada apa? Suara yang tenang memiliki getaran yang lebih sedikit daripada suara yang keras.

Karakteristik penting berikutnya dari suara musik dan lainnya adalah tinggi. Apa yang menentukan nada suara? Nada tergantung pada frekuensi. Kita dapat membuat sumber sering berosilasi, atau kita dapat membuatnya berosilasi tidak terlalu cepat (yaitu, membuat lebih sedikit osilasi per satuan waktu). Pertimbangkan sapuan waktu suara tinggi dan rendah dengan amplitudo yang sama (Gbr. 9).

Beras. 9. Nada

Sebuah kesimpulan yang menarik dapat ditarik. Jika seseorang bernyanyi dalam bass, maka sumber suaranya (ini adalah pita suara) berfluktuasi beberapa kali lebih lambat daripada orang yang menyanyikan sopran. Dalam kasus kedua, pita suara bergetar lebih sering, oleh karena itu, lebih sering menyebabkan fokus kompresi dan penjernihan dalam perambatan gelombang.

Ada karakteristik lain yang menarik dari gelombang suara yang tidak dipelajari oleh fisikawan. dia warnanada. Anda tahu dan dengan mudah membedakan musik yang sama yang dimainkan di balalaika atau cello. Apa perbedaan antara suara-suara ini atau pertunjukan ini? Pada awal percobaan, kami meminta orang-orang yang menghasilkan suara untuk membuat amplitudonya kira-kira sama sehingga volume suara menjadi sama. Ini seperti dalam kasus orkestra: jika tidak ada kebutuhan untuk memilih instrumen, semua orang memainkan cara yang kurang lebih sama, dengan kekuatan yang sama. Jadi timbre balalaika dan cello berbeda. Jika kita menggambar suara yang diekstraksi dari satu instrumen, dari yang lain, menggunakan diagram, maka mereka akan sama. Tetapi Anda dapat dengan mudah membedakan instrumen ini dari suaranya.

Contoh lain dari pentingnya timbre. Bayangkan dua penyanyi yang lulus dari sekolah musik yang sama dengan guru yang sama. Mereka belajar sama baiknya dengan balita. Untuk beberapa alasan, satu menjadi pemain yang luar biasa, sementara yang lain tidak puas dengan karirnya sepanjang hidupnya. Faktanya, ini ditentukan semata-mata oleh instrumen mereka, yang menyebabkan getaran suara saja di lingkungan, yaitu, suara mereka berbeda dalam timbre.

Bibliografi

1. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fisika: buku referensi dengan contoh pemecahan masalah. - redistribusi edisi ke-2. - X .: Vesta: penerbit "Ranok", 2005. - 464 hal.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fisika. Kelas 9: buku teks untuk pendidikan umum. institusi / A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. - Edisi ke-14, stereotip. - M.: Bustard, 2009. - 300 hal.

1. Portal internet "eduspb.com" ()
2. Portal internet "msk.edu.ua" ()
3. Portal internet "class-fizika.narod.ru" ()

Pekerjaan rumah

1. Bagaimana suara disebarkan? Apa yang bisa menjadi sumber suara?
2. Bisakah suara merambat di luar angkasa?
3. Apakah setiap gelombang yang mencapai telinga manusia dirasakan olehnya?

18 Februari 2016

Dunia hiburan rumah cukup bervariasi dan dapat mencakup: menonton film dengan sistem home theater yang baik; gameplay yang menyenangkan dan adiktif atau mendengarkan musik. Biasanya, setiap orang menemukan sesuatu sendiri di area ini, atau menggabungkan semuanya sekaligus. Tetapi tidak peduli apa tujuan seseorang dalam mengatur waktu luang mereka dan tidak peduli seberapa ekstrem mereka pergi, semua tautan ini terhubung dengan kuat oleh satu kata yang sederhana dan dapat dimengerti - "suara". Memang, dalam semua kasus ini, kita akan dipimpin oleh pegangan oleh soundtrack. Tetapi pertanyaan ini tidak begitu sederhana dan sepele, terutama dalam kasus di mana ada keinginan untuk mencapai suara berkualitas tinggi di sebuah ruangan atau kondisi lainnya. Untuk melakukan ini, tidak selalu perlu membeli komponen hi-fi atau hi-end yang mahal (walaupun akan sangat berguna), tetapi pengetahuan yang baik tentang teori fisika sudah cukup, yang dapat menghilangkan sebagian besar masalah yang muncul untuk semua orang. yang bertekad untuk mendapatkan akting suara berkualitas tinggi.

Selanjutnya, teori suara dan akustik akan dipertimbangkan dari sudut pandang fisika. Dalam hal ini, saya akan mencoba membuatnya semudah mungkin untuk dipahami oleh setiap orang yang, mungkin, jauh dari pengetahuan tentang hukum atau rumus fisika, tetapi dengan penuh semangat memimpikan realisasi mimpi menciptakan akustik yang sempurna. sistem. Saya tidak bermaksud untuk mengklaim bahwa untuk mencapai hasil yang baik di area ini di rumah (atau di dalam mobil, misalnya) Anda perlu mengetahui teori-teori ini secara menyeluruh, namun, memahami dasar-dasarnya akan menghindari banyak kesalahan bodoh dan tidak masuk akal, serta memungkinkan Anda untuk mencapai efek suara maksimum dari sistem.

Teori suara umum dan terminologi musik

Apa suara? Ini adalah sensasi yang dirasakan oleh organ pendengaran. "telinga"(fenomena itu sendiri ada bahkan tanpa partisipasi "telinga" dalam prosesnya, tetapi lebih mudah untuk memahami dengan cara ini), yang terjadi ketika gendang telinga dirangsang oleh gelombang suara. Telinga dalam hal ini bertindak sebagai “penerima” gelombang suara dengan frekuensi yang berbeda.
Gelombang suara Faktanya, ini adalah serangkaian segel dan pelepasan medium yang berurutan (paling sering lingkungan udara dalam kondisi normal) dari berbagai frekuensi. Sifat gelombang suara adalah berosilasi, disebabkan dan dihasilkan oleh getaran benda apapun. Munculnya dan propagasi gelombang suara klasik dimungkinkan dalam tiga media elastis: gas, cair dan padat. Ketika gelombang suara terjadi di salah satu jenis ruang ini, beberapa perubahan pasti terjadi pada medium itu sendiri, misalnya, perubahan kerapatan atau tekanan udara, pergerakan partikel massa udara, dll.

Karena gelombang suara memiliki sifat osilasi, ia memiliki karakteristik seperti frekuensi. Frekuensi diukur dalam hertz (untuk menghormati fisikawan Jerman Heinrich Rudolf Hertz), dan menunjukkan jumlah getaran selama periode waktu yang sama dengan satu detik. Itu. misalnya, frekuensi 20 Hz berarti siklus 20 osilasi dalam satu detik. Konsep subjektif ketinggiannya juga tergantung pada frekuensi suara. Semakin banyak getaran suara yang dibuat per detik, semakin "tinggi" suara itu. Gelombang suara juga memiliki karakteristik penting lainnya, yang memiliki nama - panjang gelombang. Panjang gelombang Merupakan kebiasaan untuk mempertimbangkan jarak yang ditempuh suara dengan frekuensi tertentu dalam periode yang sama dengan satu detik. Misalnya, panjang gelombang suara terendah dalam rentang yang dapat didengar manusia pada 20 Hz adalah 16,5 meter, dan panjang gelombang suara tertinggi pada 20.000 Hz adalah 1,7 sentimeter.

Telinga manusia dirancang sedemikian rupa sehingga hanya dapat merasakan gelombang dalam jangkauan terbatas, kira-kira 20 Hz - 20.000 Hz (tergantung pada karakteristik orang tertentu, seseorang dapat mendengar lebih sedikit, seseorang lebih sedikit) . Dengan demikian, ini tidak berarti bahwa suara di bawah atau di atas frekuensi ini tidak ada, mereka sama sekali tidak dirasakan oleh telinga manusia, melampaui jangkauan yang dapat didengar. Bunyi di atas jangkauan yang dapat didengar disebut USG, suara di bawah rentang yang dapat didengar disebut infrasonik. Beberapa hewan dapat merasakan suara ultra dan infra, beberapa bahkan menggunakan rentang ini untuk orientasi di ruang angkasa (kelelawar, lumba-lumba). Jika suara melewati media yang tidak bersentuhan langsung dengan organ pendengaran manusia, maka suara seperti itu mungkin tidak terdengar atau menjadi sangat lemah di kemudian hari.

Dalam terminologi musik suara, ada sebutan penting seperti oktaf, nada dan nada suara. Oktaf berarti interval di mana rasio frekuensi antara suara adalah 1 sampai 2. Satu oktaf biasanya sangat terdengar, sedangkan suara dalam interval ini bisa sangat mirip satu sama lain. Satu oktaf juga bisa disebut suara yang menghasilkan getaran dua kali lebih banyak daripada suara lain dalam periode waktu yang sama. Misalnya, frekuensi 800 Hz tidak lain adalah oktaf yang lebih tinggi dari 400 Hz, dan frekuensi 400 Hz pada gilirannya adalah oktaf suara berikutnya dengan frekuensi 200 Hz. Satu oktaf terdiri dari nada dan nada. Getaran variabel dalam gelombang suara harmonik satu frekuensi dirasakan oleh telinga manusia sebagai: nada musik. Getaran frekuensi tinggi dapat diartikan sebagai suara bernada tinggi, getaran frekuensi rendah sebagai suara bernada rendah. Telinga manusia mampu membedakan suara dengan jelas dengan perbedaan satu nada (dalam kisaran hingga 4000 Hz). Meskipun demikian, sejumlah kecil nada digunakan dalam musik. Hal ini dijelaskan dari pertimbangan prinsip harmonik konsonan, semuanya didasarkan pada prinsip oktaf.

Pertimbangkan teori nada musik dengan menggunakan contoh senar yang direntangkan dengan cara tertentu. Senar seperti itu, tergantung pada gaya tegangan, akan "disetel" ke satu frekuensi tertentu. Ketika string ini terkena sesuatu dengan satu kekuatan tertentu, yang akan menyebabkannya bergetar, satu nada suara tertentu akan terus diamati, kita akan mendengar frekuensi tuning yang diinginkan. Bunyi ini disebut nada dasar. Untuk nada utama di bidang musik, frekuensi nada "la" dari oktaf pertama, sama dengan 440 Hz, diterima secara resmi. Namun, sebagian besar alat musik tidak pernah mereproduksi nada dasar murni saja; mereka pasti disertai dengan nada tambahan yang disebut nada tambahan. Di sini tepat untuk mengingat definisi penting dari akustik musik, konsep timbre suara. Warnanada- ini adalah fitur suara musik yang memberikan alat musik dan suara kekhususan suara unik yang dapat dikenali, bahkan ketika membandingkan suara dengan nada dan kenyaringan yang sama. Timbre masing-masing alat musik tergantung pada distribusi energi suara di atas nada pada saat suara itu muncul.

Nada tambahan membentuk warna tertentu dari nada dasar, yang dengannya kita dapat dengan mudah mengidentifikasi dan mengenali instrumen tertentu, serta membedakan suaranya dengan jelas dari instrumen lain. Ada dua jenis nada: harmonik dan non-harmonik. Nada harmonik adalah, menurut definisi, kelipatan dari frekuensi dasar. Sebaliknya, jika nada-nada tersebut bukan kelipatan dan sangat menyimpang dari nilainya, maka nada-nada itu disebut tdk seimbang. Dalam musik, pengoperasian nada non-multiple praktis dikecualikan, oleh karena itu istilah tersebut direduksi menjadi konsep "overtone", yang berarti harmonik. Untuk beberapa instrumen, misalnya piano, nada utama bahkan tidak sempat terbentuk, untuk waktu yang singkat terjadi peningkatan energi suara nada tambahan, dan kemudian terjadi penurunan dengan cepat. Banyak instrumen menciptakan apa yang disebut efek "nada transisi", ketika energi nada tambahan tertentu maksimum pada titik waktu tertentu, biasanya di awal, tetapi kemudian tiba-tiba berubah dan berpindah ke nada lain. Rentang frekuensi setiap instrumen dapat dipertimbangkan secara terpisah dan biasanya dibatasi oleh frekuensi nada dasar yang dapat direproduksi oleh instrumen khusus ini.

Dalam teori suara juga ada yang namanya KEBISINGAN. Kebisingan- ini adalah suara apa pun yang dibuat oleh kombinasi sumber yang tidak konsisten satu sama lain. Setiap orang sangat menyadari kebisingan daun pohon, goyangan angin, dll.

Apa yang menentukan volume suara? Jelas bahwa fenomena seperti itu secara langsung tergantung pada jumlah energi yang dibawa oleh gelombang suara. Untuk menentukan indikator kuantitatif kenyaringan, ada konsep - intensitas suara. Intensitas suara didefinisikan sebagai aliran energi yang melewati beberapa area ruang (misalnya, cm2) per satuan waktu (misalnya, per detik). Dalam percakapan normal, intensitasnya sekitar 9 atau 10 W/cm2. Telinga manusia mampu menangkap suara dengan rentang sensitivitas yang cukup luas, sedangkan kerentanan frekuensi tidak seragam dalam spektrum suara. Jadi rentang frekuensi yang dirasakan paling baik adalah 1000 Hz - 4000 Hz, yang paling banyak mencakup ucapan manusia.

Karena suara sangat bervariasi dalam intensitas, lebih mudah untuk menganggapnya sebagai nilai logaritmik dan mengukurnya dalam desibel (menurut ilmuwan Skotlandia Alexander Graham Bell). Ambang bawah sensitivitas pendengaran telinga manusia adalah 0 dB, atas 120 dB, disebut juga "ambang nyeri". Batas atas sensitivitas juga tidak dirasakan oleh telinga manusia dengan cara yang sama, tetapi tergantung pada frekuensi tertentu. Suara frekuensi rendah harus memiliki intensitas yang jauh lebih besar daripada frekuensi tinggi untuk mendapatkan ambang nyeri. Misalnya, ambang nyeri pada frekuensi rendah 31,5 Hz terjadi pada tingkat intensitas suara 135 dB, ketika pada frekuensi 2000 Hz sensasi nyeri sudah muncul pada 112 dB. Ada juga konsep tekanan suara, yang sebenarnya memperluas penjelasan biasa untuk perambatan gelombang suara di udara. Tekanan suara- ini adalah tekanan berlebih variabel yang terjadi dalam media elastis sebagai akibat dari lewatnya gelombang suara melaluinya.

Sifat gelombang suara

Untuk lebih memahami sistem pembangkitan gelombang suara, bayangkan sebuah speaker klasik yang terletak di dalam tabung berisi udara. Jika pembicara membuat gerakan maju yang tajam, maka udara di sekitar diffuser terkompresi sejenak. Setelah itu, udara akan mengembang, sehingga mendorong daerah udara terkompresi di sepanjang pipa.
Pergerakan gelombang inilah yang selanjutnya akan menjadi suara ketika mencapai organ pendengaran dan “menggairahkan” gendang telinga. Ketika gelombang suara terjadi dalam gas, tekanan dan kepadatan berlebih tercipta, dan partikel bergerak dengan kecepatan konstan. Tentang gelombang suara, penting untuk diingat bahwa zat tidak bergerak bersama gelombang suara, tetapi hanya gangguan sementara massa udara yang terjadi.

Jika kita membayangkan sebuah piston digantung di ruang bebas pada pegas dan membuat gerakan berulang "maju dan mundur", maka osilasi seperti itu akan disebut harmonik atau sinusoidal (jika kita mewakili gelombang dalam bentuk grafik, maka dalam hal ini kita dapatkan gelombang sinus murni dengan pasang surut berulang). Jika kita membayangkan speaker di dalam pipa (seperti pada contoh yang dijelaskan di atas), melakukan osilasi harmonik, maka pada saat speaker bergerak "maju", efek kompresi udara yang sudah diketahui diperoleh, dan ketika speaker bergerak "mundur" , efek kebalikan dari penghalusan diperoleh. Dalam hal ini, gelombang kompresi dan penghalusan bolak-balik akan merambat melalui pipa. Jarak sepanjang pipa antara maxima atau minima (fase) yang berdekatan akan disebut panjang gelombang. Jika partikel berosilasi sejajar dengan arah rambat gelombang, maka gelombang tersebut disebut membujur. Jika getarannya tegak lurus terhadap arah rambat, maka gelombang tersebut disebut melintang. Biasanya, gelombang suara dalam gas dan cairan bersifat longitudinal, sedangkan pada padatan, gelombang dari kedua jenis dapat terjadi. Gelombang transversal pada zat padat timbul karena adanya hambatan terhadap perubahan bentuk. Perbedaan utama antara kedua jenis gelombang ini adalah bahwa gelombang transversal memiliki sifat polarisasi (osilasi terjadi pada bidang tertentu), sedangkan gelombang longitudinal tidak.

Kecepatan suara

Kecepatan suara secara langsung tergantung pada karakteristik media di mana ia merambat. Ini ditentukan (tergantung) oleh dua sifat medium: elastisitas dan kepadatan material. Kecepatan suara dalam padatan, masing-masing, secara langsung tergantung pada jenis bahan dan sifat-sifatnya. Kecepatan dalam media gas hanya bergantung pada satu jenis deformasi media: kompresi-rarefaction. Perubahan tekanan dalam gelombang suara terjadi tanpa pertukaran panas dengan partikel sekitarnya dan disebut adiabatik.
Kecepatan suara dalam gas tergantung terutama pada suhu - meningkat dengan meningkatnya suhu dan menurun dengan menurun. Juga, kecepatan suara dalam media gas tergantung pada ukuran dan massa molekul gas itu sendiri - semakin kecil massa dan ukuran partikel, semakin besar "konduktivitas" gelombang dan semakin besar kecepatan masing-masing.

Dalam media cair dan padat, prinsip propagasi dan kecepatan suara mirip dengan bagaimana gelombang merambat di udara: dengan kompresi-debit. Namun dalam media ini, selain ketergantungan yang sama pada suhu, kepadatan media dan komposisi/strukturnya cukup penting. Semakin rendah massa jenis zat, semakin tinggi kecepatan suara dan sebaliknya. Ketergantungan pada komposisi medium lebih rumit dan ditentukan dalam setiap kasus tertentu, dengan mempertimbangkan lokasi dan interaksi molekul/atom.

Kecepatan suara di udara pada t, °C 20: 343 m/s
Kecepatan suara dalam air suling pada t, °C 20: 1481 m/s
Kecepatan suara dalam baja pada t, °C 20: 5000 m/s

Gelombang berdiri dan interferensi

Ketika seorang pembicara menciptakan gelombang suara di ruang terbatas, efek pantulan gelombang dari batas pasti terjadi. Akibatnya, paling sering efek interferensi- ketika dua atau lebih gelombang suara ditumpangkan satu sama lain. Kasus khusus dari fenomena interferensi adalah pembentukan: 1) Gelombang pemukulan atau 2) Gelombang berdiri. Deburan ombak- ini adalah kasus ketika ada penambahan gelombang dengan frekuensi dan amplitudo yang dekat. Pola terjadinya ketukan: ketika dua gelombang yang sama frekuensinya ditumpangkan satu sama lain. Pada beberapa titik waktu, dengan tumpang tindih seperti itu, puncak amplitudo mungkin bertepatan "dalam fase", dan juga resesi dalam "antifase" mungkin juga bertepatan. Ini adalah bagaimana ketukan suara dicirikan. Penting untuk diingat bahwa, tidak seperti gelombang berdiri, fase kebetulan puncak tidak terjadi secara konstan, tetapi pada beberapa interval waktu. Di telinga, pola ketukan seperti itu cukup jelas berbeda, dan masing-masing terdengar sebagai peningkatan dan penurunan volume secara berkala. Mekanisme terjadinya efek ini sangat sederhana: pada saat kebetulan puncak, volume meningkat, pada saat kebetulan resesi, volume berkurang.

gelombang berdiri muncul dalam kasus superposisi dua gelombang dengan amplitudo, fase dan frekuensi yang sama, ketika ketika gelombang tersebut "bertemu" satu bergerak ke arah depan, dan yang lainnya ke arah yang berlawanan. Di area ruang (di mana gelombang berdiri terbentuk), gambar superposisi dua amplitudo frekuensi muncul, dengan maxima (disebut antinode) dan minima (disebut node). Ketika fenomena ini terjadi, frekuensi, fase dan koefisien atenuasi gelombang di tempat refleksi sangat penting. Tidak seperti gelombang berjalan, tidak ada transfer energi dalam gelombang berdiri karena fakta bahwa gelombang maju dan mundur yang membentuk gelombang ini membawa energi dalam jumlah yang sama baik dalam arah maju maupun berlawanan. Untuk pemahaman visual tentang terjadinya gelombang berdiri, mari kita bayangkan contoh dari akustik rumah. Katakanlah kita memiliki speaker lantai berdiri di beberapa ruang (ruangan) terbatas. Setelah membuat mereka memainkan beberapa lagu dengan banyak bass, mari kita coba mengubah lokasi pendengar di dalam ruangan. Dengan demikian pendengar setelah masuk ke zona minimum (pengurangan) gelombang berdiri akan merasakan efek bass menjadi sangat kecil, dan jika pendengar memasuki zona maksimum (penambahan) frekuensi, maka sebaliknya. efek peningkatan yang signifikan di wilayah bass diperoleh. Dalam hal ini, efeknya diamati di semua oktaf frekuensi dasar. Misalnya, jika frekuensi dasarnya adalah 440 Hz, maka fenomena "penambahan" atau "pengurangan" juga akan diamati pada frekuensi 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, dll.

Fenomena resonansi

Kebanyakan zat padat memiliki frekuensi resonansinya sendiri. Untuk memahami efek ini cukup sederhana pada contoh pipa konvensional, buka hanya di salah satu ujungnya. Mari kita bayangkan situasi di mana speaker terhubung dari ujung pipa yang lain, yang dapat memainkan beberapa frekuensi konstan, juga dapat diubah nanti. Sekarang, sebuah pipa memiliki frekuensi resonansinya sendiri, dalam istilah sederhana, ini adalah frekuensi di mana pipa "beresonansi" atau membuat suaranya sendiri. Jika frekuensi speaker (sebagai hasil penyesuaian) bertepatan dengan frekuensi resonansi pipa, maka akan ada efek peningkatan volume beberapa kali. Ini karena loudspeaker membangkitkan getaran kolom udara di dalam pipa dengan amplitudo yang signifikan hingga "frekuensi resonansi" yang sama ditemukan dan efek tambahan terjadi. Fenomena yang dihasilkan dapat digambarkan sebagai berikut: pipa dalam contoh ini "membantu" pembicara dengan beresonansi pada frekuensi tertentu, upaya mereka bertambah dan "mencurahkan" menjadi efek keras yang terdengar. Pada contoh alat musik, fenomena ini mudah dilacak, karena desainnya mayoritas mengandung unsur yang disebut resonator. Tidak sulit menebak apa yang berfungsi untuk memperkuat frekuensi atau nada musik tertentu. Contoh: badan gitar dengan resonator berbentuk lubang, dicocokkan dengan volume; Desain pipa pada flute (dan semua pipa pada umumnya); Badan gendang berbentuk silinder, yang dengan sendirinya merupakan resonator dengan frekuensi tertentu.

Spektrum frekuensi suara dan respons frekuensi

Karena dalam praktiknya praktis tidak ada gelombang dengan frekuensi yang sama, menjadi perlu untuk menguraikan seluruh spektrum suara dari rentang yang dapat didengar menjadi nada tambahan atau harmonik. Untuk tujuan ini, ada grafik yang menunjukkan ketergantungan energi relatif getaran suara pada frekuensi. Grafik seperti ini disebut grafik spektrum frekuensi suara. Spektrum frekuensi suara Ada dua jenis: diskrit dan kontinu. Plot spektrum diskrit menampilkan frekuensi secara individual, dipisahkan oleh ruang kosong. Dalam spektrum kontinu, semua frekuensi suara hadir sekaligus.
Dalam hal musik atau akustik, jadwal yang biasa paling sering digunakan. Karakteristik Frekuensi Puncak(disingkat "AFC"). Grafik ini menunjukkan ketergantungan amplitudo getaran suara pada frekuensi di seluruh spektrum frekuensi (20 Hz - 20 kHz). Melihat grafik seperti itu, mudah untuk dipahami, misalnya, kekuatan atau kelemahan sistem speaker atau speaker tertentu secara keseluruhan, area pengembalian energi terkuat, penurunan dan kenaikan frekuensi, redaman, serta melacak kecuraman. dari penurunan.

Perambatan gelombang suara, fase dan antifase

Proses perambatan gelombang suara terjadi ke segala arah dari sumbernya. Contoh paling sederhana untuk memahami fenomena ini: kerikil yang dilemparkan ke dalam air.
Dari tempat batu itu jatuh, gelombang mulai menyebar di permukaan air ke segala arah. Namun, mari kita bayangkan situasi menggunakan speaker dalam volume tertentu, katakanlah sebuah kotak tertutup, yang terhubung ke amplifier dan memainkan semacam sinyal musik. Sangat mudah untuk memperhatikan (terutama jika Anda memberikan sinyal frekuensi rendah yang kuat, seperti bass drum), bahwa speaker membuat gerakan cepat "maju", dan kemudian gerakan cepat yang sama "mundur". Masih harus dipahami bahwa ketika pembicara bergerak maju, ia memancarkan gelombang suara, yang kita dengar sesudahnya. Tapi apa yang terjadi ketika speaker bergerak mundur? Dan secara paradoks, hal yang sama terjadi, pembicara mengeluarkan suara yang sama, hanya saja suara itu menyebar dalam contoh kita sepenuhnya di dalam volume kotak, tanpa melampauinya (kotak tertutup). Secara umum, dalam contoh di atas, seseorang dapat mengamati cukup banyak fenomena fisik yang menarik, yang paling signifikan adalah konsep fase.

Gelombang suara yang oleh pembicara, dalam volume, memancar ke arah pendengar - adalah "dalam fase". Gelombang balik, yang masuk ke volume kotak, akan menjadi antifase. Tetap hanya untuk memahami apa arti konsep-konsep ini? Fase sinyal- ini adalah tingkat tekanan suara pada waktu saat ini di beberapa titik di ruang angkasa. Fase ini paling mudah dipahami dengan contoh pemutaran materi musik oleh sepasang speaker rumah berdiri di lantai stereo konvensional. Mari kita bayangkan bahwa dua speaker berdiri di lantai seperti itu dipasang di ruangan tertentu dan bermain. Kedua speaker dalam hal ini mereproduksi sinyal tekanan suara variabel sinkron, terlebih lagi, tekanan suara dari satu speaker ditambahkan ke tekanan suara dari speaker lainnya. Efek serupa terjadi karena sinkronisme reproduksi sinyal speaker kiri dan kanan, masing-masing, dengan kata lain, puncak dan lembah gelombang yang dipancarkan oleh speaker kiri dan kanan bertepatan.

Sekarang mari kita bayangkan bahwa tekanan suara masih berubah dengan cara yang sama (tidak berubah), tetapi sekarang mereka saling berlawanan. Hal ini dapat terjadi jika Anda menyambungkan salah satu dari dua speaker dalam polaritas terbalik (kabel "+" dari amplifier ke terminal "-" pada sistem speaker, dan kabel "-" dari amplifier ke terminal "+" speaker sistem). Dalam hal ini, sinyal yang berlawanan arah akan menyebabkan perbedaan tekanan, yang dapat direpresentasikan sebagai angka sebagai berikut: speaker kiri akan membuat tekanan "1 Pa" dan speaker kanan akan membuat tekanan "minus 1 Pa". . Akibatnya, total volume suara pada posisi pendengar akan sama dengan nol. Fenomena ini disebut antifase. Jika kita perhatikan contoh ini secara lebih rinci untuk pemahaman, ternyata dua speaker yang bermain "dalam fase" menciptakan area kompresi dan penghalusan udara yang sama, yang sebenarnya saling membantu. Dalam kasus antifase ideal, area pemadatan ruang udara yang dibuat oleh satu speaker akan disertai dengan area penghalusan ruang udara yang dibuat oleh speaker kedua. Ini kira-kira seperti fenomena redaman gelombang yang saling sinkron. Benar, dalam praktiknya, volumenya tidak turun ke nol, dan kita akan mendengar suara yang sangat terdistorsi dan dilemahkan.

Dalam cara yang paling mudah diakses, fenomena ini dapat digambarkan sebagai berikut: dua sinyal dengan osilasi (frekuensi) yang sama, tetapi bergeser dalam waktu. Mengingat hal ini, akan lebih mudah untuk menggambarkan fenomena perpindahan ini dengan menggunakan contoh jam bulat biasa. Mari kita bayangkan bahwa beberapa jam bundar yang identik tergantung di dinding. Ketika jarum detik jam tangan ini berjalan sinkron, 30 detik di satu jam dan 30 detik di jam lainnya, maka ini adalah contoh sinyal yang sefase. Jika jarum detik berjalan dengan shift, tetapi kecepatannya masih sama, misalnya, 30 detik di satu arloji dan 24 detik di arloji lainnya, maka ini adalah contoh klasik pergeseran fase (shift). Dengan cara yang sama, fase diukur dalam derajat, dalam lingkaran virtual. Dalam hal ini, ketika sinyal digeser relatif satu sama lain sebesar 180 derajat (setengah periode), antifase klasik diperoleh. Seringkali dalam praktiknya, ada pergeseran fase kecil, yang juga dapat ditentukan dalam derajat dan berhasil dihilangkan.

Gelombangnya datar dan bulat. Muka gelombang datar merambat hanya dalam satu arah dan jarang ditemui dalam praktik. Muka gelombang berbentuk bola adalah jenis gelombang sederhana yang memancar dari satu titik dan merambat ke segala arah. Gelombang suara memiliki sifat difraksi, yaitu kemampuan untuk menghindari rintangan dan objek. Derajat selubung tergantung pada rasio panjang gelombang suara dengan dimensi rintangan atau lubang. Difraksi juga terjadi ketika ada hambatan di jalur suara. Dalam hal ini, dua skenario dimungkinkan: 1) Jika dimensi penghalang jauh lebih besar daripada panjang gelombang, maka suara dipantulkan atau diserap (tergantung pada tingkat penyerapan bahan, ketebalan penghalang, dll. ), dan zona "bayangan akustik" terbentuk di belakang penghalang . 2) Jika dimensi penghalang sebanding dengan panjang gelombang atau bahkan kurang dari itu, maka suara difraksi sampai batas tertentu ke segala arah. Jika gelombang suara, ketika bergerak dalam satu media, menabrak antarmuka dengan media lain (misalnya, media udara dengan media padat), maka tiga skenario mungkin muncul: 1) gelombang akan dipantulkan dari antarmuka 2) gelombang dapat merambat ke medium lain tanpa mengubah arah 3) gelombang dapat merambat ke medium lain dengan perubahan arah pada batasnya, ini disebut "pembiasan gelombang".

Rasio kelebihan tekanan gelombang suara dengan kecepatan volumetrik osilasi disebut impedansi gelombang. Dengan kata sederhana, hambatan gelombang medium bisa disebut kemampuan menyerap gelombang suara atau "menolak" mereka. Koefisien refleksi dan transmisi secara langsung tergantung pada rasio impedansi gelombang dari dua media. Tahanan gelombang dalam media gas jauh lebih rendah daripada di air atau padatan. Oleh karena itu, jika gelombang suara di udara terjadi pada benda padat atau di permukaan air yang dalam, maka suara tersebut dipantulkan dari permukaan atau diserap sebagian besar. Itu tergantung pada ketebalan permukaan (air atau padat) di mana gelombang suara yang diinginkan jatuh. Dengan ketebalan medium padat atau cair yang rendah, gelombang suara hampir sepenuhnya "lewat", dan sebaliknya, dengan ketebalan medium yang besar, gelombang lebih sering dipantulkan. Dalam kasus pemantulan gelombang suara, proses ini terjadi menurut hukum fisika yang terkenal: "Sudut datang sama dengan sudut pantul." Dalam hal ini, ketika gelombang dari medium dengan kerapatan lebih rendah menabrak batas dengan medium dengan kerapatan lebih tinggi, fenomena itu terjadi pembiasan. Ini terdiri dari membengkokkan (membiaskan) gelombang suara setelah "bertemu" dengan rintangan, dan harus disertai dengan perubahan kecepatan. Pembiasan juga bergantung pada suhu medium tempat pemantulan terjadi.

Dalam proses perambatan gelombang suara di ruang angkasa, intensitasnya pasti berkurang, bisa dikatakan pelemahan gelombang dan melemahnya suara. Dalam praktiknya, cukup sederhana untuk menemukan efek seperti itu: misalnya, jika dua orang berdiri di lapangan pada jarak yang dekat (satu meter atau lebih dekat) dan mulai mengatakan sesuatu satu sama lain. Jika Anda kemudian meningkatkan jarak antara orang-orang (jika mereka mulai menjauh satu sama lain), tingkat volume percakapan yang sama akan menjadi semakin tidak terdengar. Contoh serupa dengan jelas menunjukkan fenomena pengurangan intensitas gelombang suara. Mengapa ini terjadi? Alasan untuk ini adalah berbagai proses perpindahan panas, interaksi molekul dan gesekan internal gelombang suara. Paling sering dalam praktiknya, konversi energi suara menjadi energi panas terjadi. Proses seperti itu pasti muncul di salah satu dari 3 media propagasi suara dan dapat dicirikan sebagai: penyerapan gelombang suara.

Intensitas dan derajat penyerapan gelombang suara tergantung pada banyak faktor, seperti tekanan dan suhu medium. Juga, penyerapan tergantung pada frekuensi spesifik suara. Ketika gelombang suara merambat dalam cairan atau gas, ada efek gesekan antara partikel yang berbeda, yang disebut viskositas. Akibat gesekan ini pada tingkat molekuler, terjadi proses transformasi gelombang dari suara menjadi termal. Dengan kata lain, semakin tinggi konduktivitas termal medium, semakin rendah tingkat penyerapan gelombang. Penyerapan suara di media gas juga tergantung pada tekanan (tekanan atmosfer berubah dengan meningkatnya ketinggian relatif terhadap permukaan laut). Adapun ketergantungan derajat penyerapan pada frekuensi suara, maka dengan memperhitungkan ketergantungan viskositas dan konduktivitas termal di atas, penyerapan suara semakin tinggi, semakin tinggi frekuensinya. Misalnya, pada suhu dan tekanan normal, di udara, penyerapan gelombang dengan frekuensi 5000 Hz adalah 3 dB / km, dan penyerapan gelombang dengan frekuensi 50.000 Hz sudah menjadi 300 dB / m.

Dalam media padat, semua ketergantungan di atas (konduktivitas termal dan viskositas) dipertahankan, tetapi beberapa kondisi ditambahkan ke dalamnya. Mereka terkait dengan struktur molekul bahan padat, yang bisa berbeda, dengan ketidakhomogenannya sendiri. Tergantung pada struktur molekul padat internal ini, penyerapan gelombang suara dalam hal ini dapat berbeda, dan tergantung pada jenis bahan tertentu. Ketika suara melewati benda padat, gelombang mengalami serangkaian transformasi dan distorsi, yang paling sering menyebabkan hamburan dan penyerapan energi suara. Pada tingkat molekuler, efek dislokasi dapat terjadi, ketika gelombang suara menyebabkan perpindahan bidang atom, yang kemudian kembali ke posisi semula. Atau, pergerakan dislokasi menyebabkan tumbukan dengan dislokasi yang tegak lurus terhadapnya atau cacat pada struktur kristal, yang menyebabkan perlambatannya dan, sebagai akibatnya, beberapa penyerapan gelombang suara. Namun, gelombang suara juga dapat beresonansi dengan cacat ini, yang akan menyebabkan distorsi gelombang aslinya. Energi gelombang suara pada saat interaksi dengan unsur-unsur struktur molekul material dihamburkan sebagai akibat dari proses gesekan internal.

Dalam saya akan mencoba menganalisis fitur persepsi pendengaran manusia dan beberapa seluk-beluk dan fitur perambatan suara.

Guntur, musik, suara ombak, ucapan manusia, dan segala sesuatu yang kita dengar adalah suara. Apa itu "suara"?

Sumber gambar: pixabay.com

Faktanya, segala sesuatu yang biasa kita anggap sebagai suara hanyalah salah satu dari jenis getaran (udara) yang dapat ditangkap oleh otak dan organ kita.

Apa sifat suara?

Semua suara yang disebarkan di udara adalah getaran gelombang suara. Itu muncul melalui getaran suatu objek dan menyimpang dari sumbernya ke segala arah. Objek berosilasi menekan molekul di lingkungan dan kemudian menciptakan atmosfer yang dijernihkan, menyebabkan molekul saling tolak semakin jauh. Dengan demikian, perubahan tekanan udara merambat menjauh dari objek, molekul itu sendiri tetap pada posisi yang sama untuk dirinya sendiri.

Dampak gelombang suara pada gendang telinga. Sumber gambar: prd.go.th

Saat gelombang suara merambat melalui ruang, ia memantul dari objek di jalurnya, menciptakan perubahan di udara sekitarnya. Ketika perubahan ini mencapai telinga Anda dan mempengaruhi gendang telinga, ujung saraf mengirim sinyal ke otak, dan Anda merasakan getaran ini sebagai suara.

Karakteristik utama dari gelombang suara

Bentuk paling sederhana dari gelombang suara adalah gelombang sinus. Gelombang sinus murni jarang ditemukan di alam, tetapi dengan mereka Anda harus mulai mempelajari fisika suara, karena suara apa pun dapat diuraikan menjadi kombinasi gelombang sinus.

Gelombang sinus dengan jelas menunjukkan tiga kriteria fisik dasar suara - frekuensi, amplitudo dan fase.

Frekuensi

Semakin rendah frekuensi osilasi, semakin rendah suaranya.Sumber Gambar: ReasonGuide.Ru

Frekuensi adalah nilai yang mencirikan jumlah osilasi per detik. Ini diukur dalam jumlah periode osilasi atau dalam hertz (Hz). Telinga manusia dapat merasakan suara dalam kisaran dari 20 Hz (frekuensi rendah) hingga 20 kHz (frekuensi tinggi). Suara di atas kisaran ini disebut ultrasound, dan di bawah - infrasonik, dan tidak dirasakan oleh organ pendengaran manusia.

Amplitudo

Semakin besar amplitudo gelombang suara, semakin keras suara tersebut.

Konsep amplitudo (atau intensitas) gelombang suara mengacu pada kekuatan suara, yang dirasakan oleh organ pendengaran manusia sebagai volume atau kenyaringan suara. Orang dapat merasakan rentang volume suara yang cukup luas: dari keran yang menetes di apartemen yang tenang hingga musik yang diputar di konser. Kenyaringan diukur menggunakan fonometer (indikator dalam desibel), yang menggunakan skala logaritmik untuk membuat pengukuran lebih nyaman.

Fase gelombang suara

Fase gelombang suara. Sumber gambar: Muz-Flame.ru

Digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat dua gelombang suara. Jika dua gelombang memiliki amplitudo dan frekuensi yang sama, maka kedua gelombang bunyi tersebut dikatakan sefasa. Fase diukur dari 0 hingga 360, di mana 0 adalah nilai yang menunjukkan bahwa kedua gelombang suara sinkron (sefase) dan 180 adalah nilai yang menunjukkan gelombang berlawanan satu sama lain (di luar fase). Ketika dua gelombang suara berada dalam fase, dua suara tumpang tindih dan sinyal saling memperkuat. Ketika dua sinyal yang tidak cocok dalam amplitudo digabungkan, sinyal ditekan karena perbedaan tekanan, yang mengarah ke hasil nol, yaitu suara menghilang. Fenomena ini dikenal sebagai "penekanan fase".

Saat menggabungkan dua sinyal audio yang identik - penekanan fase dapat menjadi masalah serius, serta gangguan besar adalah kombinasi gelombang suara asli dengan gelombang yang dipantulkan dari permukaan di ruang akustik. Misalnya, ketika saluran kiri dan kanan mixer stereo digabungkan untuk menghasilkan rekaman yang harmonis, sinyal mungkin mengalami pembatalan fase.

Apa itu desibel?

Desibel mengukur tingkat tekanan suara atau tegangan listrik. Ini adalah satuan yang menunjukkan perbandingan perbandingan dua besaran yang berbeda satu sama lain. Bel (dinamai setelah ilmuwan Amerika Alexander Bell) adalah logaritma desimal yang mencerminkan rasio dua sinyal yang berbeda satu sama lain. Ini berarti bahwa untuk setiap bela berturut-turut pada skala, sinyal yang diterima sepuluh kali lebih kuat. Misalnya, tekanan suara dari suara yang keras miliaran kali lebih tinggi daripada tekanan suara yang tenang. Untuk menampilkan nilai sebesar itu, mereka mulai menggunakan nilai relatif desibel (dB) - sedangkan 1.000.000.000 adalah 109, atau sederhananya 9. Penerapan nilai ini oleh fisikawan akustik memungkinkan untuk bekerja dengan bilangan besar dengan lebih nyaman .

Skala volume untuk berbagai suara. Sumber gambar: Nauet.ru

Dalam praktiknya, ternyata bel adalah satuan yang terlalu besar untuk mengukur tingkat suara, sehingga desibel, yang merupakan sepersepuluh dari bel, telah digunakan sebagai gantinya. Tidak dapat dikatakan bahwa menggunakan desibel alih-alih bel sama dengan menggunakan, katakanlah, sentimeter alih-alih meter untuk menunjukkan ukuran sepatu, bel dan desibel adalah nilai relatif.

Dari penjelasan di atas, jelas bahwa tingkat suara biasanya diukur dalam desibel. Beberapa standar tingkat suara telah digunakan dalam akustik selama bertahun-tahun, dari saat penemuan telepon, hingga hari ini. Sebagian besar standar ini sulit diterapkan dalam kaitannya dengan peralatan modern, mereka hanya digunakan untuk peralatan yang sudah usang. Saat ini, peralatan di studio rekaman dan penyiaran menggunakan unit seperti dBu (desibel relatif terhadap level 0,775 V), dan pada peralatan rumah tangga - dBV (desibel, diukur relatif terhadap level 1 V). Peralatan audio digital menggunakan dBFS (Decibel Full Scale) untuk mengukur kekuatan suara.

dBm– “m” adalah singkatan dari miliwatt (mW), yang merupakan satuan ukuran yang digunakan untuk mewakili daya listrik. Daya harus dibedakan dari tegangan listrik, meskipun kedua konsep tersebut saling berkaitan erat. Unit pengukuran dBm mulai digunakan pada awal pengenalan komunikasi telepon, hari ini juga digunakan dalam peralatan profesional.

dBu- dalam hal ini, tegangan diukur (bukan daya) relatif terhadap level referensi nol, 0,75 volt dianggap sebagai level referensi. Dalam aplikasi audio profesional modern, dBu telah digantikan oleh dBm. Sebagai unit ukuran di bidang teknik audio, lebih nyaman menggunakan dBu di masa lalu, ketika lebih penting untuk mempertimbangkan daya listrik, daripada tegangannya, untuk menilai level sinyal.

dBV- unit pengukuran ini juga didasarkan pada referensi level nol (seperti dalam kasus dBu), namun, 1 V diambil sebagai level referensi, yang lebih nyaman daripada angka 0,775 V. Unit pengukuran suara ini sering digunakan untuk peralatan audio rumah tangga dan semi-profesional.

dBFS- Perkiraan level sinyal ini banyak digunakan dalam audio digital dan sangat berbeda dari unit pengukuran di atas. FS (skala penuh) adalah skala penuh, yang digunakan karena, tidak seperti audio analog, yang memiliki tegangan optimal, seluruh rentang nilai digital sama-sama dapat diterima saat bekerja dengan sinyal digital. 0 dBFS adalah tingkat audio digital maksimum yang dapat direkam tanpa distorsi. Standar pengukuran analog seperti dBu dan dBV tidak memiliki ruang kepala lebih dari 0 dBFS.

Jika Anda menyukai artikel menempatkan seperti dan berlangganan saluran POP ILMIAH . Tetap bersama kami, teman-teman! Banyak hal menarik di depan!

Bunyi adalah getaran mekanis yang merambat dalam media bahan elastis terutama dalam bentuk gelombang longitudinal.

Dalam ruang hampa, suara tidak merambat, karena transmisi suara membutuhkan media material dan kontak mekanis antara partikel media material.

Bunyi merambat dalam medium dalam bentuk gelombang bunyi. Gelombang suara adalah getaran mekanis yang ditransmisikan dalam medium dengan bantuan partikel bersyaratnya. Di bawah partikel kondisional lingkungan, pahami volume mikronya.

Karakteristik fisik utama dari gelombang akustik:

1. Frekuensi.

Frekuensi gelombang suara adalah besaran sama dengan jumlah getaran penuh per satuan waktu. Ditunjukkan dengan simbol v (telanjang) dan diukur dalam hertz. 1 Hz \u003d 1 hitungan / detik \u003d [ s -1 ].

Skala getaran suara dibagi menjadi interval frekuensi berikut:

infrasonik (dari 0 hingga 16 Hz);

suara yang dapat didengar (dari 16 hingga 16.000 Hz);

Ultrasonografi (lebih dari 16.000 Hz).

Berkaitan erat dengan frekuensi gelombang suara adalah timbal balik, periode gelombang suara. Periode gelombang suara adalah waktu satu getaran lengkap partikel medium. Dilambangkan T dan diukur dalam detik [s].

Menurut arah getaran partikel medium yang membawa gelombang suara, gelombang suara dibagi menjadi:

· memanjang;

melintang.

Untuk gelombang longitudinal, arah osilasi partikel medium bertepatan dengan arah rambat gelombang suara dalam medium (Gbr. 1).

Untuk gelombang transversal, arah getaran partikel medium tegak lurus terhadap arah rambat gelombang suara (Gbr. 2).

Beras. 1 Gambar. 2

Gelombang longitudinal merambat dalam gas, cairan dan padatan. Transversal - hanya dalam padatan.

3. Bentuk getaran.

Berdasarkan bentuk getarannya, gelombang bunyi dibedakan menjadi:

· gelombang sederhana;

gelombang kompleks.

Grafik gelombang sederhana adalah gelombang sinus.

Grafik gelombang kompleks adalah kurva periodik non-sinusoidal apa pun .

4. Panjang gelombang.

Panjang gelombang - besarnya, sama dengan jarak di mana gelombang suara merambat dalam waktu yang sama dengan satu periode. Ini ditunjuk (lambda) dan diukur dalam meter (m), sentimeter (cm), milimeter (mm), mikrometer (µm).

Panjang gelombang tergantung pada media di mana suara merambat.

5. Kecepatan gelombang suara.

kecepatan gelombang suara adalah kecepatan rambat bunyi dalam medium dengan sumber bunyi diam. Dilambangkan dengan simbol v, dihitung dengan rumus:

Cepat rambat gelombang bunyi bergantung pada jenis medium dan suhu. Kecepatan suara tertinggi dalam benda elastis padat, kurang - dalam cairan, dan terkecil - dalam gas.

udara, tekanan atmosfer normal, suhu - 20 derajat, v = 342 m/s;

air, suhu 15-20 derajat, v = 1500 m/s;

logam, v = 5000-10000 m/s.

Kecepatan suara di udara meningkat sekitar 0,6 m/s dengan peningkatan suhu sebesar 10 derajat.