Che si tratti di onde sonore. Perché appare un'onda sonora? Scandaglio sonoro delle profondità

Il suono è un'onda sonora che provoca vibrazioni di minuscole particelle di aria, altri gas e mezzi liquidi e solidi. Il suono può sorgere solo dove c'è una sostanza, indipendentemente dallo stato di aggregazione in cui si trova. In condizioni di vuoto, dove non è presente il mezzo, il suono non si propaga, perché non esistono particelle che fungano da distributori delle onde sonore. Ad esempio, nello spazio. Il suono può essere modificato, alterato, trasformandosi in altre forme di energia. Pertanto, il suono convertito in onde radio o energia elettrica può essere trasmesso a distanza e registrato su supporti di informazione.

Onda sonora

I movimenti di oggetti e corpi provocano quasi sempre fluttuazioni nell'ambiente. Non importa se si tratta di acqua o aria. Durante questo processo, anche le particelle del mezzo a cui vengono trasmesse le vibrazioni del corpo iniziano a vibrare. Si formano le onde sonore. Inoltre, i movimenti vengono eseguiti in avanti e all'indietro, sostituendosi progressivamente l'uno con l'altro. Pertanto, l'onda sonora è longitudinale. Non c'è mai alcun movimento laterale su e giù in esso.

Caratteristiche delle onde sonore

Come ogni fenomeno fisico, hanno le proprie quantità, con l'aiuto delle quali è possibile descrivere le proprietà. Le caratteristiche principali di un'onda sonora sono la sua frequenza e ampiezza. Il primo valore mostra quante onde si formano al secondo. Il secondo determina la forza dell'onda. I suoni a bassa frequenza hanno valori di bassa frequenza e viceversa. La frequenza del suono viene misurata in Hertz e se supera i 20.000 Hz si verificano gli ultrasuoni. Ci sono molti esempi di suoni a bassa e alta frequenza nella natura e nel mondo che ci circonda. Il cinguettio di un usignolo, il rombo del tuono, il ruggito di un fiume di montagna e altri sono tutte frequenze sonore diverse. L'ampiezza dell'onda dipende direttamente da quanto è forte il suono. Il volume, a sua volta, diminuisce con la distanza dalla sorgente sonora. Di conseguenza, quanto più l’onda è lontana dall’epicentro, tanto minore è l’ampiezza. In altre parole, l'ampiezza di un'onda sonora diminuisce con la distanza dalla sorgente sonora.

Velocità del suono

Questo indicatore di un'onda sonora dipende direttamente dalla natura del mezzo in cui si propaga. Sia l'umidità che la temperatura dell'aria giocano un ruolo significativo qui. In condizioni meteorologiche medie, la velocità del suono è di circa 340 metri al secondo. In fisica esiste la velocità supersonica, che è sempre maggiore della velocità del suono. Questa è la velocità con cui viaggiano le onde sonore quando un aereo si muove. L'aereo si muove a velocità supersonica e supera persino le onde sonore che crea. A causa del graduale aumento della pressione dietro l'aereo, si forma un'onda d'urto sonora. L'unità di misura di questa velocità è interessante e pochi la conoscono. Si chiama Mach. Mach 1 è uguale alla velocità del suono. Se un'onda viaggia a Mach 2, viaggia due volte più velocemente della velocità del suono.

Rumori

C'è un rumore costante nella vita quotidiana umana. Il livello di rumore è misurato in decibel. Il movimento delle automobili, il vento, il fruscio delle foglie, l'intreccio delle voci delle persone e altri rumori sonori sono i nostri compagni quotidiani. Ma l'analizzatore uditivo umano ha la capacità di abituarsi a tale rumore. Tuttavia, ci sono anche fenomeni che nemmeno le capacità adattative dell'orecchio umano possono affrontare. Ad esempio, un rumore superiore a 120 dB può causare dolore. L'animale più rumoroso è la balenottera azzurra. Quando emette suoni, può essere udito a oltre 800 chilometri di distanza.

Eco

Come si verifica un'eco? Qui è tutto molto semplice. Un'onda sonora ha la capacità di essere riflessa da diverse superfici: dall'acqua, da una roccia, dalle pareti di una stanza vuota. Quest'onda ritorna verso di noi, quindi sentiamo il suono secondario. Non è chiaro come quello originale perché parte dell'energia nell'onda sonora viene dissipata mentre viaggia verso l'ostacolo.

Ecolocalizzazione

La riflessione del suono viene utilizzata per vari scopi pratici. Ad esempio, l'ecolocalizzazione. Si basa sul fatto che con l'aiuto delle onde ultrasoniche è possibile determinare la distanza dall'oggetto da cui queste onde vengono riflesse. I calcoli vengono effettuati misurando il tempo impiegato dagli ultrasuoni per raggiungere una posizione e tornare. Molti animali hanno la capacità di ecolocalizzazione. Ad esempio, pipistrelli e delfini lo usano per cercare cibo. L'ecolocalizzazione ha trovato un'altra applicazione in medicina. Durante gli esami ecografici si forma un’immagine degli organi interni di una persona. La base di questo metodo è che gli ultrasuoni, entrando in un mezzo diverso dall'aria, ritornano indietro, formando così un'immagine.

Onde sonore nella musica

Perché gli strumenti musicali producono determinati suoni? Strimpellate di chitarra, strimpellate di pianoforte, toni bassi di tamburi e trombe, l'affascinante voce sottile di un flauto. Tutti questi e molti altri suoni nascono dalle vibrazioni dell'aria o, in altre parole, dalla comparsa delle onde sonore. Ma perché il suono degli strumenti musicali è così diverso? Si scopre che ciò dipende da diversi fattori. Il primo è la forma dello strumento, il secondo è il materiale con cui è realizzato.

Diamo un'occhiata a questo utilizzando gli strumenti a corda come esempio. Diventano una fonte di suono quando le corde vengono toccate. Di conseguenza, iniziano a vibrare e a inviare suoni diversi nell’ambiente. Il suono grave di qualsiasi strumento a corda è dovuto al maggiore spessore e lunghezza della corda, nonché alla debolezza della sua tensione. E viceversa, più la corda è tesa, più è sottile e corta, più alto è il suono ottenuto come risultato del gioco.

Azione del microfono

Si basa sulla conversione dell'energia delle onde sonore in energia elettrica. In questo caso, l'intensità della corrente e la natura del suono dipendono direttamente. All'interno di ogni microfono c'è una sottile piastra di metallo. Quando esposto al suono, inizia a eseguire movimenti oscillatori. Anche la spirale a cui è collegata la piastra vibra, generando corrente elettrica. Perché appare? Questo perché il microfono è dotato anche di magneti incorporati. Quando la spirale oscilla tra i suoi poli, viene generata una corrente elettrica che percorre la spirale e poi arriva alla colonna sonora (altoparlante) o all'apparecchiatura per la registrazione su un supporto informativo (cassetta, disco, computer). A proposito, il microfono del telefono ha una struttura simile. Ma come funzionano i microfoni su rete fissa e mobile? Per loro la fase iniziale è la stessa: il suono della voce umana trasmette le sue vibrazioni alla piastra del microfono, poi tutto segue lo scenario sopra descritto: una spirale che, muovendosi, chiude due poli, si crea una corrente. Qual è il prossimo? Con un telefono fisso tutto è più o meno chiaro: proprio come in un microfono, il suono, convertito in corrente elettrica, scorre attraverso i fili. Ma che dire di un cellulare o, ad esempio, di un walkie-talkie? In questi casi, il suono viene convertito in energia di onde radio e colpisce il satellite. È tutto.

Fenomeno di risonanza

A volte si creano condizioni in cui l'ampiezza delle vibrazioni del corpo fisico aumenta bruscamente. Ciò si verifica a causa della convergenza dei valori della frequenza delle oscillazioni forzate e della frequenza naturale delle oscillazioni dell'oggetto (corpo). La risonanza può essere sia benefica che dannosa. Ad esempio, per far uscire un'auto da una buca, viene avviata e spinta avanti e indietro per provocare risonanza e dare inerzia all'auto. Ma ci sono stati anche casi di conseguenze negative della risonanza. Ad esempio, a San Pietroburgo, circa cento anni fa, un ponte crollò sotto i soldati che marciavano all’unisono.

Questa lezione tratta l'argomento "Onde sonore". In questa lezione continueremo a studiare l'acustica. Innanzitutto, ripetiamo la definizione di onde sonore, quindi consideriamo le loro gamme di frequenza e familiarizziamo con il concetto di onde ultrasoniche e infrasoniche. Discuteremo anche le proprietà delle onde sonore nei diversi media e impareremo quali sono le loro caratteristiche. .

Onde sonore - si tratta di vibrazioni meccaniche che, diffondendosi e interagendo con l'organo dell'udito, vengono percepite da una persona (Fig. 1).

Riso. 1. Onda sonora

La branca della fisica che si occupa di queste onde si chiama acustica. La professione delle persone che vengono comunemente chiamate "ascoltatori" è l'acustica. Un'onda sonora è un'onda che si propaga in un mezzo elastico, è un'onda longitudinale e quando si propaga in un mezzo elastico si alternano compressione e scarica. Viene trasmesso nel tempo a distanza (Fig. 2).

Riso. 2. Propagazione delle onde sonore

Le onde sonore comprendono vibrazioni che si verificano con una frequenza compresa tra 20 e 20.000 Hz. Per queste frequenze le lunghezze d'onda corrispondenti sono 17 m (per 20 Hz) e 17 mm (per 20.000 Hz). Questa gamma sarà chiamata suono udibile. Queste lunghezze d'onda sono date per l'aria, la cui velocità del suono è pari a .

Ci sono anche gamme di cui si occupano gli acustici: infrasonici e ultrasonici. Gli infrasonici sono quelli che hanno una frequenza inferiore a 20 Hz. E quelli ultrasonici sono quelli che hanno una frequenza superiore a 20.000 Hz (Fig. 3).

Riso. 3. Gamme delle onde sonore

Ogni persona istruita dovrebbe avere familiarità con la gamma di frequenza delle onde sonore e sapere che se fa un'ecografia, l'immagine sullo schermo del computer verrà costruita con una frequenza superiore a 20.000 Hz.

Ultrasuoni – Si tratta di onde meccaniche simili alle onde sonore, ma con una frequenza da 20 kHz a un miliardo di hertz.

Vengono chiamate onde con una frequenza superiore a un miliardo di hertz ipersuono.

Gli ultrasuoni vengono utilizzati per rilevare difetti nelle parti fuse. Un flusso di brevi segnali ultrasonici viene diretto alla parte esaminata. Nei punti in cui non sono presenti difetti, i segnali attraversano il componente senza essere registrati dal ricevitore.

Se nella parte è presente una crepa, una cavità d'aria o altre disomogeneità, il segnale ultrasonico viene riflesso da essa e, ritornando, entra nel ricevitore. Questo metodo si chiama rilevamento difetti ad ultrasuoni.

Altri esempi di applicazioni degli ultrasuoni sono le macchine ad ultrasuoni, le macchine ad ultrasuoni, l'ultrasuonoterapia.

Infrasuoni – onde meccaniche simili alle onde sonore, ma con frequenza inferiore a 20 Hz. Non vengono percepiti dall'orecchio umano.

Le fonti naturali di onde infrasoniche sono tempeste, tsunami, terremoti, uragani, eruzioni vulcaniche e temporali.

Anche gli infrasuoni sono un'onda importante che viene utilizzata per far vibrare la superficie (ad esempio, per distruggere alcuni oggetti di grandi dimensioni). Lanciamo infrasuoni nel terreno e il terreno si frantuma. Dove viene utilizzato? Ad esempio, nelle miniere di diamanti, dove prendono il minerale che contiene componenti del diamante e lo frantumano in piccole particelle per trovare queste inclusioni di diamante (Fig. 4).

Riso. 4. Applicazione degli infrasuoni

La velocità del suono dipende dalle condizioni ambientali e dalla temperatura (Fig. 5).

Riso. 5. Velocità di propagazione delle onde sonore in vari media

Nota: nell'aria la velocità del suono a è uguale a , mentre a , la velocità aumenta di . Se sei un ricercatore, questa conoscenza potrebbe esserti utile. Potresti anche inventare una sorta di sensore di temperatura che registrerà le differenze di temperatura modificando la velocità del suono nel mezzo. Sappiamo già che più denso è il mezzo, più grave è l'interazione tra le particelle del mezzo, più velocemente si propaga l'onda. Nell'ultimo paragrafo ne abbiamo parlato utilizzando l'esempio dell'aria secca e dell'aria umida. Per l'acqua la velocità di propagazione del suono è . Se crei un'onda sonora (bussa su un diapason), la velocità della sua propagazione nell'acqua sarà 4 volte maggiore che nell'aria. Via acqua, le informazioni arriveranno 4 volte più velocemente che via aerea. E nell’acciaio è ancora più veloce: (Fig. 6).

Riso. 6. Velocità di propagazione delle onde sonore

Sai dai poemi epici usati da Ilya Muromets (e da tutti gli eroi, dalla gente comune russa e dai ragazzi dell'RVS di Gaidar) hanno usato un metodo molto interessante per rilevare un oggetto che si sta avvicinando, ma è ancora lontano. Il suono che fa quando si muove non è ancora udibile. Ilya Muromets, con l'orecchio a terra, può sentirla. Perché? Perché il suono viene trasmesso su un terreno solido a una velocità maggiore, il che significa che raggiungerà l'orecchio di Ilya Muromets più velocemente e lui sarà in grado di prepararsi ad affrontare il nemico.

Le onde sonore più interessanti sono i suoni e i rumori musicali. Quali oggetti possono creare onde sonore? Se prendiamo una sorgente d'onda e un mezzo elastico, se facciamo vibrare armoniosamente la sorgente sonora, allora avremo una meravigliosa onda sonora, che verrà chiamata suono musicale. Queste sorgenti di onde sonore possono essere, ad esempio, le corde di una chitarra o di un pianoforte. Potrebbe trattarsi di un'onda sonora creata nell'intercapedine d'aria di una canna (organo o canna). Dalle lezioni di musica conosci le note: do, re, mi, fa, sol, la, si. In acustica si chiamano toni (Fig. 7).

Riso. 7. Toni musicali

Tutti gli oggetti che possono produrre toni avranno delle caratteristiche. Come sono differenti? Differiscono in lunghezza d'onda e frequenza. Se queste onde sonore non sono create da corpi che suonano armoniosamente o non sono collegate in una sorta di pezzo orchestrale comune, allora una tale quantità di suoni verrà chiamata rumore.

Rumore– oscillazioni casuali di varia natura fisica, caratterizzate dalla complessità della loro struttura temporale e spettrale. Il concetto di rumore è sia domestico che fisico, sono molto simili e quindi lo introduciamo come un importante oggetto di considerazione separato.

Passiamo alle stime quantitative delle onde sonore. Quali sono le caratteristiche delle onde sonore musicali? Queste caratteristiche si applicano esclusivamente alle vibrazioni sonore armoniche. COSÌ, volume del suono. Come viene determinato il volume del suono? Consideriamo la propagazione di un'onda sonora nel tempo o le oscillazioni della sorgente dell'onda sonora (Fig. 8).

Riso. 8. Volume del suono

Allo stesso tempo, se non aggiungiamo molto suono al sistema (ad esempio, premiamo leggermente un tasto del pianoforte), il suono sarà silenzioso. Se alziamo ad alta voce la mano in alto, produciamo questo suono premendo il tasto, otteniamo un suono forte. Da cosa dipende questo? Un suono basso ha un'ampiezza di vibrazione inferiore rispetto a un suono forte.

La prossima caratteristica importante del suono musicale e di qualsiasi altro suono è altezza. Da cosa dipende l'altezza del suono? L'altezza dipende dalla frequenza. Possiamo far oscillare la sorgente frequentemente, oppure possiamo farla oscillare non molto velocemente (eseguire cioè meno oscillazioni nell'unità di tempo). Consideriamo lo spostamento temporale di un suono alto e basso della stessa ampiezza (Fig. 9).

Riso. 9. Intonazione

Si può trarre una conclusione interessante. Se una persona canta con una voce di basso, la sua fonte sonora (le corde vocali) vibra molte volte più lentamente di quella di una persona che canta da soprano. Nel secondo caso le corde vocali vibrano più spesso, e quindi provocano più spesso sacche di compressione e di scarica nella propagazione dell'onda.

C'è un'altra caratteristica interessante delle onde sonore che i fisici non studiano. Questo timbro. Conosci e distingui facilmente lo stesso brano musicale eseguito su una balalaika o un violoncello. In cosa differiscono questi suoni o questa performance? All'inizio dell'esperimento, abbiamo chiesto alle persone che producono suoni di realizzarli approssimativamente della stessa ampiezza, in modo che il volume del suono fosse lo stesso. È come nel caso di un'orchestra: se non c'è bisogno di evidenziare nessuno strumento, tutti suonano più o meno allo stesso modo, con la stessa forza. Quindi il timbro della balalaika e del violoncello è diverso. Se dovessimo ricavare il suono prodotto da uno strumento da un altro utilizzando dei diagrammi, sarebbero gli stessi. Ma puoi facilmente distinguere questi strumenti dal loro suono.

Un altro esempio dell'importanza del timbro. Immagina due cantanti che si diplomano alla stessa università di musica con gli stessi insegnanti. Hanno studiato altrettanto bene, con il massimo dei voti. Per qualche ragione, uno diventa un artista eccezionale, mentre l'altro è insoddisfatto della sua carriera per tutta la vita. Questo, infatti, è determinato esclusivamente dal loro strumento, che provoca vibrazioni vocali nell'ambiente, cioè le loro voci differiscono nel timbro.

Bibliografia

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2. Portale Internet “msk.edu.ua” ()
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Compiti a casa

1. Come viaggia il suono? Quale potrebbe essere la fonte del suono?
2. Il suono può viaggiare nello spazio?
3. Ogni onda che raggiunge l’organo uditivo di una persona viene da lui percepita?

18 febbraio 2016

Il mondo dell'intrattenimento domestico è piuttosto vario e può comprendere: guardare film su un buon sistema home theater; gameplay emozionante ed emozionante o ascoltando musica. Di norma, ognuno trova qualcosa di proprio in quest'area o combina tutto in una volta. Ma qualunque siano gli obiettivi di una persona nell'organizzare il proprio tempo libero e qualunque estremo raggiunga, tutti questi collegamenti sono saldamente collegati da una parola semplice e comprensibile: "suono". In effetti, in tutti i casi sopra menzionati, saremo guidati per mano dal suono. Ma questa domanda non è così semplice e banale, soprattutto nei casi in cui si desidera ottenere un suono di alta qualità in una stanza o in qualsiasi altra condizione. Per fare questo, non sempre è necessario acquistare costosi componenti hi-fi o hi-end (anche se sarà molto utile), ma è sufficiente una buona conoscenza della teoria fisica, che può eliminare gran parte dei problemi che si presentano a chiunque. che si propone di ottenere una recitazione vocale di alta qualità.

Successivamente verrà considerata la teoria del suono e dell'acustica dal punto di vista della fisica. In questo caso, cercherò di renderlo il più accessibile possibile alla comprensione di chiunque, forse, è lontano dal conoscere leggi o formule fisiche, ma sogna comunque con passione di realizzare il sogno di creare un sistema acustico perfetto. Non ho la presunzione di dire che per ottenere buoni risultati in questo ambito a casa (o in macchina, per esempio), sia necessario conoscere a fondo queste teorie, ma comprenderne le basi ti permetterà di evitare molti errori stupidi e assurdi. e ti consentirà anche di ottenere il massimo effetto sonoro dal sistema a qualsiasi livello.

Teoria generale del suono e terminologia musicale

Che cos'è suono? Questa è la sensazione che percepisce l'organo uditivo "orecchio"(il fenomeno stesso esiste senza la partecipazione dell '"orecchio" al processo, ma questo è più facile da capire), che si verifica quando il timpano viene eccitato da un'onda sonora. L'orecchio in questo caso funge da “ricevitore” di onde sonore di varie frequenze.
Onda sonora si tratta essenzialmente di una serie sequenziale di compattazioni e scarichi del mezzo (molto spesso l'aria in condizioni normali) di varie frequenze. La natura delle onde sonore è oscillatoria, causata e prodotta dalla vibrazione di qualsiasi corpo. La comparsa e la propagazione di un'onda sonora classica è possibile in tre mezzi elastici: gassoso, liquido e solido. Quando un'onda sonora si verifica in uno di questi tipi di spazio, si verificano inevitabilmente alcuni cambiamenti nel mezzo stesso, ad esempio un cambiamento nella densità o pressione dell'aria, il movimento delle particelle della massa d'aria, ecc.

Poiché un'onda sonora ha una natura oscillatoria, ha una caratteristica come la frequenza. Frequenza misurato in hertz (in onore del fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz), e denota il numero di oscillazioni in un periodo di tempo pari a un secondo. Quelli. ad esempio, una frequenza di 20 Hz indica un ciclo di 20 oscillazioni in un secondo. Il concetto soggettivo della sua altezza dipende anche dalla frequenza del suono. Più vibrazioni sonore si verificano al secondo, più “alto” appare il suono. Un'onda sonora ha anche un'altra caratteristica importante, che ha un nome: lunghezza d'onda. Lunghezza d'onda Si è soliti considerare la distanza che percorre un suono di una certa frequenza in un periodo pari ad un secondo. Ad esempio, la lunghezza d'onda del suono più basso nella gamma udibile dall'uomo a 20 Hz è di 16,5 metri e la lunghezza d'onda del suono più alto a 20.000 Hz è di 1,7 centimetri.

L'orecchio umano è progettato in modo tale da poter percepire le onde solo in un intervallo limitato, circa 20 Hz - 20.000 Hz (a seconda delle caratteristiche di una determinata persona, alcuni sono in grado di sentire un po' di più, altri di meno). . Ciò non significa quindi che non esistano suoni al di sotto o al di sopra di queste frequenze, semplicemente non vengono percepiti dall'orecchio umano, andando oltre la gamma udibile. Viene chiamato il suono al di sopra della gamma udibile ultrasuoni, viene chiamato il suono al di sotto della gamma udibile infrasuoni. Alcuni animali sono in grado di percepire gli ultra e gli infrasuoni, alcuni addirittura sfruttano questa gamma per orientarsi nello spazio (pipistrelli, delfini). Se il suono passa attraverso un mezzo che non è in contatto diretto con l'organo uditivo umano, tale suono potrebbe non essere udito o successivamente risultare notevolmente attenuato.

Nella terminologia musicale del suono ci sono designazioni importanti come ottava, tono e sovratono del suono. Ottava indica un intervallo in cui il rapporto di frequenza tra i suoni è 1 a 2. Un'ottava è solitamente molto distinguibile a orecchio, mentre i suoni all'interno di questo intervallo possono essere molto simili tra loro. Un'ottava può anche essere definita un suono che vibra il doppio di un altro suono nello stesso periodo di tempo. Ad esempio, la frequenza di 800 Hz non è altro che un'ottava più alta di 400 Hz, e la frequenza di 400 Hz a sua volta è l'ottava successiva del suono con una frequenza di 200 Hz. L'ottava, a sua volta, è composta da toni e sovratoni. L'orecchio umano percepisce le vibrazioni variabili in un'onda sonora armonica della stessa frequenza tono musicale. Le vibrazioni ad alta frequenza possono essere interpretate come suoni acuti, mentre le vibrazioni a bassa frequenza possono essere interpretate come suoni gravi. L'orecchio umano è in grado di distinguere chiaramente i suoni con una differenza di un tono (nell'intervallo fino a 4000 Hz). Nonostante ciò, la musica utilizza un numero estremamente ridotto di toni. Ciò si spiega con considerazioni sul principio della consonanza armonica; tutto si basa sul principio delle ottave.

Consideriamo la teoria dei toni musicali usando l'esempio di una corda tesa in un certo modo. Tale corda, a seconda della forza di tensione, sarà “sintonizzata” su una frequenza specifica. Quando questa corda è esposta a qualcosa con una forza specifica, che la fa vibrare, verrà osservato costantemente uno specifico tono di suono e sentiremo la frequenza di accordatura desiderata. Questo suono è chiamato tono fondamentale. La frequenza della nota “LA” della prima ottava è ufficialmente accettata come tono fondamentale in campo musicale, pari a 440 Hz. Tuttavia, la maggior parte degli strumenti musicali non riproducono mai da soli i toni fondamentali puri; sono inevitabilmente accompagnati da sovratoni chiamati sovratoni. Qui è opportuno richiamare un'importante definizione dell'acustica musicale, il concetto di timbro sonoro. Timbro- questa è una caratteristica dei suoni musicali che conferisce agli strumenti musicali e alle voci la loro specificità sonora unica e riconoscibile, anche quando si confrontano suoni della stessa altezza e volume. Il timbro di ogni strumento musicale dipende dalla distribuzione dell'energia sonora tra gli armonici nel momento in cui appare il suono.

Gli armonici formano una colorazione specifica del tono fondamentale, grazie alla quale possiamo facilmente identificare e riconoscere uno strumento specifico, nonché distinguere chiaramente il suo suono da un altro strumento. Esistono due tipi di sovratoni: armonici e non armonici. Sovratoni armonici per definizione sono multipli della frequenza fondamentale. Al contrario, se gli armonici non sono multipli e si discostano notevolmente dai valori, vengono chiamati non armonico. In musica l'operare con più sovratoni è praticamente escluso, per cui il termine si riduce al concetto di “sovratono”, che significa armonico. In alcuni strumenti, come il pianoforte, la nota fondamentale non ha nemmeno il tempo di formarsi; in breve tempo l'energia sonora degli armonici aumenta, per poi diminuire altrettanto rapidamente. Molti strumenti creano quello che viene chiamato effetto di "tono di transizione", in cui l'energia di alcuni armonici è massima in un certo momento, di solito all'inizio, ma poi cambia bruscamente e si sposta su altri armonici. La gamma di frequenze di ciascuno strumento può essere considerata separatamente ed è solitamente limitata alle frequenze fondamentali che quel particolare strumento è in grado di produrre.

Nella teoria del suono esiste anche un concetto come RUMORE. Rumore- si tratta di qualsiasi suono creato da una combinazione di fonti incoerenti tra loro. Tutti conoscono il suono delle foglie degli alberi che ondeggiano al vento, ecc.

Cosa determina il volume del suono? Ovviamente tale fenomeno dipende direttamente dalla quantità di energia trasferita dall'onda sonora. Per determinare gli indicatori quantitativi del volume, esiste un concetto: l'intensità del suono. Intensità del suonoè definito come il flusso di energia che passa attraverso un'area dello spazio (ad esempio cm2) per unità di tempo (ad esempio al secondo). Durante una normale conversazione l'intensità è di circa 9 o 10 W/cm2. L'orecchio umano è in grado di percepire i suoni in un intervallo di sensibilità abbastanza ampio, mentre la sensibilità delle frequenze è eterogenea all'interno dello spettro sonoro. In questo modo viene percepita meglio la gamma di frequenze compresa tra 1000 Hz e 4000 Hz, che copre maggiormente il parlato umano.

Poiché i suoni variano così tanto in intensità, è più conveniente pensarli come una quantità logaritmica e misurarli in decibel (dal nome dello scienziato scozzese Alexander Graham Bell). La soglia inferiore della sensibilità uditiva dell'orecchio umano è 0 dB, quella superiore è 120 dB, chiamata anche “soglia del dolore”. Anche il limite superiore di sensibilità non viene percepito allo stesso modo dall'orecchio umano, ma dipende dalla frequenza specifica. I suoni a bassa frequenza devono avere un’intensità molto maggiore rispetto ai suoni ad alta frequenza per attivare la soglia del dolore. Ad esempio, la soglia del dolore a bassa frequenza di 31,5 Hz si verifica ad un livello di intensità sonora di 135 dB, mentre ad una frequenza di 2000 Hz la sensazione di dolore apparirà a 112 dB. Esiste anche il concetto di pressione sonora, che di fatto amplia la consueta spiegazione della propagazione di un'onda sonora nell'aria. Pressione sonora- si tratta di una sovrappressione variabile che si forma in un mezzo elastico a seguito del passaggio di un'onda sonora attraverso di esso.

Natura ondulatoria del suono

Per comprendere meglio il sistema di generazione delle onde sonore, immagina un classico altoparlante situato in un tubo pieno d'aria. Se l'altoparlante fa un brusco movimento in avanti, l'aria nelle immediate vicinanze del diffusore viene momentaneamente compressa. L'aria si espanderà quindi, spingendo la zona dell'aria compressa lungo il tubo.
Questo movimento ondulatorio diventerà successivamente suono quando raggiungerà l'organo uditivo ed “ecciterà” il timpano. Quando si verifica un'onda sonora in un gas, si creano una pressione eccessiva e una densità eccessiva e le particelle si muovono a velocità costante. Per quanto riguarda le onde sonore, è importante ricordare il fatto che la sostanza non si muove insieme all'onda sonora, ma si verifica solo un disturbo temporaneo delle masse d'aria.

Se immaginiamo un pistone sospeso nello spazio libero su una molla e che esegue movimenti ripetuti “avanti e indietro”, allora tali oscillazioni saranno chiamate armoniche o sinusoidali (se immaginiamo l'onda come un grafico, in questo caso otterremo un puro sinusoide con ripetute diminuzioni e aumenti). Se immaginiamo un altoparlante in un tubo (come nell'esempio sopra descritto) che esegue oscillazioni armoniche, allora nel momento in cui l'altoparlante si muove “in avanti” si ottiene il noto effetto della compressione dell'aria, e quando l'altoparlante si muove “indietro” il si verifica l'effetto opposto di rarefazione. In questo caso, un'onda di compressione e rarefazione alternata si propagherà attraverso il tubo. Verrà chiamata la distanza lungo il tubo tra massimi o minimi (fasi) adiacenti lunghezza d'onda. Se le particelle oscillano parallelamente alla direzione di propagazione dell'onda, allora si chiama onda longitudinale. Se oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione, si chiama onda trasversale. Tipicamente, le onde sonore nei gas e nei liquidi sono longitudinali, ma nei solidi possono verificarsi onde di entrambi i tipi. Le onde trasversali nei solidi nascono a causa della resistenza al cambiamento di forma. La differenza principale tra questi due tipi di onde è che l'onda trasversale ha la proprietà di polarizzazione (le oscillazioni si verificano su un determinato piano), mentre l'onda longitudinale no.

Velocità del suono

La velocità del suono dipende direttamente dalle caratteristiche del mezzo in cui si propaga. È determinato (dipendente) da due proprietà del mezzo: elasticità e densità del materiale. La velocità del suono nei solidi dipende direttamente dal tipo di materiale e dalle sue proprietà. La velocità nei mezzi gassosi dipende da un solo tipo di deformazione del mezzo: compressione-rarefazione. La variazione di pressione in un'onda sonora avviene senza scambio di calore con le particelle circostanti ed è chiamata adiabatica.
La velocità del suono in un gas dipende principalmente dalla temperatura: aumenta all'aumentare della temperatura e diminuisce al diminuire della temperatura. Inoltre, la velocità del suono in un mezzo gassoso dipende dalla dimensione e dalla massa delle molecole di gas stesse: minore è la massa e la dimensione delle particelle, maggiore è la "conduttività" dell'onda e, di conseguenza, maggiore è la velocità.

Nei mezzi liquidi e solidi il principio di propagazione e la velocità del suono sono simili a come si propaga un'onda nell'aria: per compressione-scarica. Ma in questi ambienti, oltre alla stessa dipendenza dalla temperatura, sono molto importanti anche la densità del mezzo e la sua composizione/struttura. Minore è la densità della sostanza, maggiore è la velocità del suono e viceversa. La dipendenza dalla composizione del mezzo è più complessa e viene determinata caso per caso, tenendo conto della posizione e dell'interazione delle molecole/atomi.

Velocità del suono nell'aria a t,°C 20: 343 m/s
Velocità del suono in acqua distillata a t,°C 20: 1481 m/s
Velocità del suono nell'acciaio a t,°C 20: 5000 m/s

Onde stazionarie e interferenze

Quando un altoparlante crea onde sonore in uno spazio ristretto, si verifica inevitabilmente l'effetto delle onde riflesse dai confini. Di conseguenza, ciò si verifica molto spesso effetto di interferenza- quando due o più onde sonore si sovrappongono. Casi particolari di fenomeni di interferenza sono la formazione di: 1) Onde battenti oppure 2) Onde stazionarie. Battiti delle onde- questo è il caso in cui si verifica l'aggiunta di onde con frequenze e ampiezze simili. L'immagine del verificarsi dei battiti: quando due onde di frequenze simili si sovrappongono. Ad un certo punto nel tempo, con tale sovrapposizione, i picchi di ampiezza possono coincidere “in fase” e i declini possono anche coincidere in “antifase”. Ecco come sono caratterizzati i ritmi sonori. È importante ricordare che, a differenza delle onde stazionarie, le coincidenze di fase dei picchi non si verificano costantemente, ma a determinati intervalli di tempo. All'orecchio, questo schema di battiti si distingue abbastanza chiaramente e viene udito rispettivamente come un aumento e una diminuzione periodici del volume. Il meccanismo con cui si verifica questo effetto è estremamente semplice: quando i picchi coincidono il volume aumenta, mentre quando coincidono le valli il volume diminuisce.

Onde stazionarie si verificano nel caso di sovrapposizione di due onde della stessa ampiezza, fase e frequenza, quando tali onde “si incontrano” una si muove in direzione avanti e l'altra in direzione opposta. Nell'area dello spazio (dove si è formata l'onda stazionaria), appare un'immagine della sovrapposizione di due ampiezze di frequenza, con massimi alternati (i cosiddetti antinodi) e minimi (i cosiddetti nodi). Quando si verifica questo fenomeno, la frequenza, la fase e il coefficiente di attenuazione dell'onda nel luogo di riflessione sono estremamente importanti. A differenza delle onde viaggianti, in un'onda stazionaria non vi è alcun trasferimento di energia poiché le onde in avanti e all'indietro che formano quest'onda trasferiscono energia in quantità uguali sia nella direzione in avanti che in quella opposta. Per comprendere chiaramente il verificarsi di un’onda stazionaria, immaginiamo un esempio tratto dall’acustica domestica. Diciamo che abbiamo sistemi di altoparlanti da pavimento in uno spazio limitato (stanza). Facendoli suonare qualcosa con molti bassi, proviamo a cambiare la posizione dell'ascoltatore nella stanza. Pertanto, un ascoltatore che si trova nella zona di minimo (sottrazione) di un'onda stazionaria sentirà l'effetto che ci sono pochissimi bassi, e se l'ascoltatore si trova in una zona di massimo (addizione) di frequenze, allora il contrario si ottiene l'effetto di un aumento significativo della regione dei bassi. In questo caso, l'effetto si osserva in tutte le ottave della frequenza base. Ad esempio, se la frequenza di base è 440 Hz, il fenomeno di “addizione” o “sottrazione” si osserverà anche alle frequenze di 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, ecc.

Fenomeno di risonanza

La maggior parte dei solidi ha una frequenza di risonanza naturale. È abbastanza facile comprendere questo effetto usando l'esempio di un tubo normale, aperto solo ad un'estremità. Immaginiamo una situazione in cui all'altra estremità del tubo è collegato un altoparlante che può riprodurre una frequenza costante, che può anche essere modificata successivamente. Quindi, il tubo ha una propria frequenza di risonanza, in termini semplici: questa è la frequenza alla quale il tubo "risuona" o emette il proprio suono. Se la frequenza dell'altoparlante (come risultato della regolazione) coincide con la frequenza di risonanza del tubo, si verificherà l'effetto di aumentare il volume più volte. Ciò accade perché l'altoparlante eccita le vibrazioni della colonna d'aria nel tubo con un'ampiezza significativa fino a quando non viene ritrovata la stessa “frequenza di risonanza” e si verifica l'effetto di addizione. Il fenomeno risultante può essere descritto come segue: il tubo in questo esempio “aiuta” l'oratore risuonando a una frequenza specifica, i loro sforzi si sommano e “si traducono” in un effetto forte udibile. Usando l'esempio degli strumenti musicali, questo fenomeno può essere facilmente osservato, poiché la struttura della maggior parte degli strumenti contiene elementi chiamati risonatori. Non è difficile indovinare a cosa serve lo scopo di potenziare una determinata frequenza o tono musicale. Ad esempio: il corpo di una chitarra con un risonatore a forma di foro accoppiato al volume; Il design del tubo flauto (e di tutti i tubi in generale); La forma cilindrica del corpo del tamburo, che a sua volta è un risonatore di una certa frequenza.

Spettro di frequenza del suono e risposta in frequenza

Poiché in pratica non esistono praticamente onde della stessa frequenza, diventa necessario scomporre l'intero spettro sonoro della gamma udibile in sovratoni o armoniche. A questo scopo esistono grafici che mostrano la dipendenza dell'energia relativa delle vibrazioni sonore dalla frequenza. Questo grafico è chiamato grafico dello spettro di frequenza del suono. Spettro di frequenza del suono Ne esistono due tipi: discreti e continui. Un grafico dello spettro discreto mostra le singole frequenze separate da spazi vuoti. Lo spettro continuo contiene tutte le frequenze sonore contemporaneamente.
Nel caso della musica o dell'acustica, viene spesso utilizzato il grafico normale Caratteristiche di ampiezza-frequenza(abbreviato in "AFC"). Questo grafico mostra la dipendenza dell'ampiezza delle vibrazioni sonore dalla frequenza nell'intero spettro di frequenze (20 Hz - 20 kHz). Osservando un grafico di questo tipo, è facile capire, ad esempio, i punti di forza o di debolezza di un particolare altoparlante o sistema acustico nel suo insieme, le aree più forti di produzione di energia, cali e aumenti di frequenza, attenuazione e anche tracciare la pendenza del declino.

Propagazione delle onde sonore, fase e antifase

Il processo di propagazione delle onde sonore avviene in tutte le direzioni dalla sorgente. L'esempio più semplice per comprendere questo fenomeno è un sasso gettato nell'acqua.
Dal punto in cui è caduta la pietra, le onde iniziano a diffondersi sulla superficie dell'acqua in tutte le direzioni. Tuttavia, immaginiamo una situazione in cui si utilizza un altoparlante a un certo volume, ad esempio una scatola chiusa, collegata a un amplificatore e che riproduce una sorta di segnale musicale. È facile notare (soprattutto se si applica un potente segnale a bassa frequenza, ad esempio una grancassa) che l'altoparlante fa un rapido movimento “in avanti”, e poi lo stesso rapido movimento “all'indietro”. Ciò che resta da capire è che quando l'altoparlante avanza, emette un'onda sonora che sentiremo successivamente. Ma cosa succede quando l’oratore si sposta all’indietro? E paradossalmente accade la stessa cosa, l'altoparlante emette lo stesso suono, solo che nel nostro esempio si propaga interamente all'interno del volume della scatola, senza oltrepassarne i limiti (la scatola è chiusa). In generale, nell'esempio sopra si possono osservare molti fenomeni fisici interessanti, il più significativo dei quali è il concetto di fase.

L'onda sonora che l'altoparlante, trovandosi nel volume, emette in direzione dell'ascoltatore è “in fase”. L'onda inversa, che entra nel volume della scatola, sarà corrispondentemente antifase. Resta solo da capire cosa significano questi concetti? Fase del segnale– questo è il livello di pressione sonora in un determinato momento nello spazio. Il modo più semplice per comprendere la fase è mediante l'esempio della riproduzione di materiale musicale da parte di una coppia stereo convenzionale di sistemi di altoparlanti domestici da pavimento. Immaginiamo che due di questi altoparlanti da pavimento siano installati in una determinata stanza e suonino. In questo caso, entrambi i sistemi acustici riproducono un segnale sincrono di pressione sonora variabile e la pressione sonora di un altoparlante viene aggiunta alla pressione sonora dell'altro altoparlante. Un effetto simile si verifica a causa della sincronicità della riproduzione del segnale rispettivamente dagli altoparlanti sinistro e destro, in altre parole, i picchi e le valli delle onde emesse dagli altoparlanti sinistro e destro coincidono.

Ora immaginiamo che le pressioni sonore cambino ancora allo stesso modo (non abbiano subito cambiamenti), ma solo ora sono opposte tra loro. Ciò può accadere se si collega un sistema di altoparlanti su due con polarità inversa (cavo "+" dall'amplificatore al terminale "-" del sistema di altoparlanti e cavo "-" dall'amplificatore al terminale "+" del sistema di altoparlanti). In questo caso, il segnale opposto causerà una differenza di pressione, che può essere rappresentata in numeri come segue: l'altoparlante sinistro creerà una pressione di “1 Pa” e l'altoparlante destro creerà una pressione di “meno 1 Pa”. Di conseguenza, il volume audio totale nella posizione dell'ascoltatore sarà pari a zero. Questo fenomeno è chiamato antifase. Se osserviamo l'esempio più in dettaglio per capirlo, si scopre che due altoparlanti che suonano "in fase" creano identiche aree di compattazione e rarefazione dell'aria, aiutandosi così a vicenda. Nel caso di un'antifase idealizzata, l'area di spazio d'aria compressa creata da un altoparlante sarà accompagnata da un'area di spazio d'aria rarefatta creata dal secondo altoparlante. Ciò assomiglia approssimativamente al fenomeno della mutua cancellazione sincrona delle onde. È vero, in pratica il volume non scende a zero e sentiremo un suono molto distorto e indebolito.

Il modo più accessibile per descrivere questo fenomeno è il seguente: due segnali con le stesse oscillazioni (frequenza), ma spostati nel tempo. In considerazione di ciò, è più conveniente immaginare questi fenomeni di spostamento usando l'esempio di un normale orologio rotondo. Immaginiamo che ci siano diversi orologi rotondi identici appesi al muro. Quando le lancette dei secondi di questo orologio funzionano in modo sincrono, su un orologio 30 secondi e sull'altro 30, allora questo è un esempio di segnale che è in fase. Se le lancette dei secondi si muovono con uno spostamento, ma la velocità è sempre la stessa, ad esempio, su un orologio è di 30 secondi e su un altro è di 24 secondi, allora questo è un classico esempio di sfasamento. Allo stesso modo, la fase si misura in gradi, all'interno di un cerchio virtuale. In questo caso, quando i segnali vengono spostati l'uno rispetto all'altro di 180 gradi (mezzo periodo), si ottiene l'antifase classica. Spesso nella pratica si verificano piccoli spostamenti di fase, che possono essere determinati anche in gradi ed eliminati con successo.

Le onde sono piane e sferiche. Un fronte d’onda piano si propaga in una sola direzione e nella pratica lo si incontra raramente. Un fronte d'onda sferico è un tipo semplice di onda che ha origine da un singolo punto e viaggia in tutte le direzioni. Le onde sonore hanno la proprietà diffrazione, cioè. capacità di aggirare ostacoli e oggetti. Il grado di flessione dipende dal rapporto tra la lunghezza d'onda del suono e la dimensione dell'ostacolo o del foro. La diffrazione si verifica anche quando c'è qualche ostacolo nel percorso del suono. In questo caso sono possibili due scenari: 1) Se la dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda, allora il suono viene riflesso o assorbito (a seconda del grado di assorbimento del materiale, dello spessore dell'ostacolo, ecc. ), e dietro l'ostacolo si forma una “zona d'ombra acustica”. 2) Se la dimensione dell'ostacolo è paragonabile alla lunghezza d'onda o addirittura inferiore ad essa, il suono si diffrange in una certa misura in tutte le direzioni. Se un'onda sonora, mentre si muove in un mezzo, colpisce l'interfaccia con un altro mezzo (ad esempio, un mezzo aereo con un mezzo solido), allora possono verificarsi tre scenari: 1) l'onda verrà riflessa dall'interfaccia 2) l'onda può passare in un altro mezzo senza cambiare direzione 3) un'onda può passare in un altro mezzo con un cambio di direzione al confine, questo è chiamato “rifrazione dell'onda”.

Il rapporto tra la sovrappressione di un'onda sonora e la velocità volumetrica oscillatoria è chiamato resistenza dell'onda. In parole semplici, impedenza d'onda del mezzo può essere definita la capacità di assorbire le onde sonore o di “resistere” ad esse. I coefficienti di riflessione e trasmissione dipendono direttamente dal rapporto tra le impedenze d'onda dei due mezzi. La resistenza alle onde in un mezzo gassoso è molto inferiore rispetto all'acqua o ai solidi. Pertanto, se un'onda sonora nell'aria colpisce un oggetto solido o la superficie dell'acqua profonda, il suono viene riflesso dalla superficie o assorbito in larga misura. Ciò dipende dallo spessore della superficie (acqua o solido) su cui cade l'onda sonora desiderata. Quando lo spessore di un mezzo solido o liquido è basso, le onde sonore “passano” quasi completamente e viceversa, quando lo spessore del mezzo è grande, le onde vengono riflesse più spesso. Nel caso della riflessione delle onde sonore, questo processo avviene secondo una nota legge fisica: “L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione”. In questo caso, quando un'onda proveniente da un mezzo a densità minore colpisce il confine con un mezzo a densità maggiore, si verifica il fenomeno rifrazione. Consiste nella flessione (rifrazione) di un'onda sonora dopo aver “incontrato” un ostacolo ed è necessariamente accompagnata da un cambiamento di velocità. La rifrazione dipende anche dalla temperatura del mezzo in cui avviene la riflessione.

Nel processo di propagazione delle onde sonore nello spazio, la loro intensità inevitabilmente diminuisce; possiamo dire che le onde si attenuano e il suono si indebolisce. In pratica, riscontrare un effetto simile è abbastanza semplice: ad esempio, se due persone si trovano in un campo a una certa distanza (un metro o più vicino) e iniziano a dirsi qualcosa. Se successivamente aumenti la distanza tra le persone (se iniziano ad allontanarsi l'una dall'altra), lo stesso livello di volume della conversazione diventerà sempre meno udibile. Questo esempio dimostra chiaramente il fenomeno della diminuzione dell'intensità delle onde sonore. Perché sta succedendo? La ragione di ciò sono vari processi di scambio termico, interazione molecolare e attrito interno delle onde sonore. Molto spesso, nella pratica, l'energia sonora viene convertita in energia termica. Tali processi si verificano inevitabilmente in uno qualsiasi dei 3 mezzi di propagazione del suono e possono essere caratterizzati come assorbimento delle onde sonore.

L'intensità e il grado di assorbimento delle onde sonore dipendono da molti fattori, come la pressione e la temperatura del mezzo. L'assorbimento dipende anche dalla specifica frequenza del suono. Quando un'onda sonora si propaga attraverso liquidi o gas, si verifica un effetto di attrito tra diverse particelle, chiamato viscosità. Come risultato di questo attrito a livello molecolare, avviene il processo di conversione di un'onda dal suono al calore. In altre parole, maggiore è la conduttività termica del mezzo, minore è il grado di assorbimento delle onde. L'assorbimento acustico nei mezzi gassosi dipende anche dalla pressione (la pressione atmosferica cambia con l'aumentare dell'altitudine rispetto al livello del mare). Per quanto riguarda la dipendenza del grado di assorbimento dalla frequenza del suono, tenendo conto delle suddette dipendenze della viscosità e della conduttività termica, maggiore è la frequenza del suono, maggiore è l'assorbimento del suono. Ad esempio, a temperatura e pressione normali nell'aria, l'assorbimento di un'onda con una frequenza di 5.000 Hz è di 3 dB/km, e l'assorbimento di un'onda con una frequenza di 50.000 Hz sarà di 300 dB/m.

Nei mezzi solidi, tutte le dipendenze di cui sopra (conduttività termica e viscosità) vengono preservate, ma a queste vengono aggiunte molte altre condizioni. Sono associati alla struttura molecolare dei materiali solidi, che può essere diversa, con le proprie disomogeneità. A seconda di questa struttura molecolare solida interna, l'assorbimento delle onde sonore in questo caso può essere diverso e dipende dal tipo di materiale specifico. Quando il suono attraversa un corpo solido, l'onda subisce una serie di trasformazioni e distorsioni, che molto spesso portano alla dispersione e all'assorbimento dell'energia sonora. A livello molecolare, un effetto di dislocazione può verificarsi quando un'onda sonora provoca uno spostamento dei piani atomici, che poi ritornano nella loro posizione originale. Oppure, il movimento delle dislocazioni porta ad una collisione con dislocazioni perpendicolari ad esse o difetti nella struttura cristallina, che provoca la loro inibizione e, di conseguenza, un certo assorbimento dell'onda sonora. Tuttavia, l'onda sonora può anche risuonare con questi difetti, il che porterà alla distorsione dell'onda originale. L'energia dell'onda sonora al momento dell'interazione con gli elementi della struttura molecolare del materiale viene dissipata a seguito di processi di attrito interno.

In questo articolo cercherò di analizzare le caratteristiche della percezione uditiva umana e alcune sottigliezze e caratteristiche della propagazione del suono.

I tuoni, la musica, il rumore delle onde, il linguaggio umano e tutto ciò che sentiamo è suono. Cos'è il "suono"?

Fonte immagine: pixabay.com

Tutto ciò che siamo abituati a considerare suono, infatti, è solo uno dei tipi di vibrazioni (aria) che il nostro cervello e i nostri organi possono percepire.

Qual è la natura del suono

Tutti i suoni propagati nell'aria sono vibrazioni di un'onda sonora. Sorge attraverso la vibrazione di un oggetto e diverge dalla sua fonte in tutte le direzioni. L'oggetto vibrante comprime le molecole nell'ambiente e quindi crea un'atmosfera rarefatta, facendo sì che le molecole si respingano sempre di più. Pertanto, i cambiamenti nella pressione dell'aria si propagano lontano dall'oggetto, le molecole stesse rimangono nella loro posizione invariata.

L'effetto delle onde sonore sul timpano. Fonte immagine: prd.go.th

Quando un'onda sonora viaggia attraverso lo spazio, si riflette sugli oggetti sul suo percorso, creando cambiamenti nell'aria circostante. Quando questi cambiamenti raggiungono l'orecchio e colpiscono il timpano, le terminazioni nervose inviano un segnale al cervello e tu percepisci queste vibrazioni come suoni.

Caratteristiche fondamentali di un'onda sonora

La forma più semplice dell'onda sonora è un'onda sinusoidale. Le onde sinusoidali nella loro forma pura si trovano raramente in natura, ma è da loro che si dovrebbe iniziare a studiare la fisica del suono, poiché qualsiasi suono può essere scomposto in una combinazione di onde sinusoidali.

Un'onda sinusoidale dimostra chiaramente i tre principali criteri fisici del suono: frequenza, ampiezza e fase.

Frequenza

Più bassa è la frequenza di vibrazione, più basso è il suono, Fonte immagine: ReasonGuide.Ru

La frequenza è una quantità che caratterizza il numero di vibrazioni al secondo. Si misura in numero di periodi di oscillazione o in hertz (Hz). L'orecchio umano può percepire il suono nella gamma da 20 Hz (basse frequenze) a 20 KHz (alte frequenze). I suoni al di sopra di questo intervallo sono chiamati ultrasuoni e al di sotto - infrasuoni e non sono percepiti dall'udito umano.

Ampiezza

Maggiore è l'ampiezza dell'onda sonora, più forte è il suono.

Il concetto di ampiezza (o intensità) di un'onda sonora si riferisce alla forza del suono, che l'udito umano percepisce come volume o intensità del suono. Le persone possono percepire una gamma abbastanza ampia di volumi sonori: da un rubinetto che gocciola in un appartamento tranquillo alla musica suonata ad un concerto. Per misurare il volume vengono utilizzati fonometri (misurati in decibel), che utilizzano una scala logaritmica per rendere le misurazioni più convenienti.

Fase dell'onda sonora

Fasi di un'onda sonora. Fonte immagine: Muz-Flame.ru

Utilizzato per descrivere le proprietà di due onde sonore. Se due onde hanno la stessa ampiezza e frequenza, allora le due onde sonore si dicono in fase. La fase viene misurata da 0 a 360, dove 0 è un valore che indica che le due onde sonore sono sincrone (in fase) e 180 è un valore che indica che le onde sono opposte l'una all'altra (fuori fase). Quando due onde sonore sono in fase, i due suoni si sovrappongono e i segnali si rinforzano a vicenda. Quando due segnali che non corrispondono in ampiezza vengono combinati, a causa della differenza di pressione, i segnali vengono soppressi, il che porta ad un risultato zero, cioè il suono scompare. Questo fenomeno è noto come “soppressione di fase”.

Quando si combinano due segnali audio identici, la cancellazione di fase può diventare un problema serio, e anche combinare l'onda sonora originale con l'onda riflessa dalle superfici della stanza acustica è un grosso problema. Ad esempio, quando i canali sinistro e destro di un mixer stereo vengono combinati per produrre una registrazione armoniosa, il segnale potrebbe soffrire di cancellazione di fase.

Cos'è un decibel?

I decibel misurano il livello di pressione sonora o tensione elettrica. Questa è un'unità che mostra il rapporto tra due quantità diverse. Bel (dal nome dello scienziato americano Alexander Bell) è un logaritmo decimale che riflette il rapporto tra due segnali diversi. Ciò significa che per ogni bel successivo nella scala, il segnale ricevuto è dieci volte più forte. Ad esempio, la pressione sonora di un suono forte è miliardi di volte superiore a quella di un suono debole. Per visualizzare valori così grandi, iniziarono a utilizzare il valore relativo dei decibel (dB) - dove 1.000.000.000 corrisponde a 109, o semplicemente 9. L'adozione di questo valore da parte di fisici e acustici ha permesso di rendere più conveniente lavorare con numeri enormi .

Scala del volume per suoni diversi. Fonte immagine: Nauet.ru

In pratica, il bel è un'unità troppo grande per misurare il livello sonoro, quindi è stato utilizzato il decibel, che è un decimo di bel. Non si può dire che usare i decibel invece dei bel sia come usare, ad esempio, i centimetri invece dei metri per indicare la misura delle scarpe; bel e decibel sono valori relativi.

Da quanto sopra è chiaro che il livello sonoro viene solitamente misurato in decibel. Alcuni standard di livello sonoro sono utilizzati in acustica da molti anni, dall'invenzione del telefono ai giorni nostri. La maggior parte di questi standard sono difficili da applicare rispetto alle apparecchiature moderne; vengono utilizzati solo per apparecchiature obsolete. Oggi, le apparecchiature negli studi di registrazione e trasmissione utilizzano un'unità come dBu (decibel rispetto al livello di 0,775 V) e nelle apparecchiature domestiche - dBV (decibel misurato rispetto al livello di 1 V). Le apparecchiature audio digitali utilizzano dBFS (decibel fondo scala) per misurare la potenza sonora.

dBm– “m” sta per milliwatt (mW), un’unità di misura utilizzata per denotare la potenza elettrica. È necessario distinguere la potenza dalla tensione elettrica, sebbene questi due concetti siano strettamente correlati tra loro. L'unità di misura dBm ha cominciato ad essere utilizzata agli albori dell'introduzione delle comunicazioni telefoniche e oggi viene utilizzata anche nelle apparecchiature professionali.

dBu- in questo caso viene misurata la tensione (anziché la potenza) rispetto al livello zero di riferimento; come livello di riferimento viene considerato 0,75 volt. Quando si lavora con moderne apparecchiature audio professionali, dBu viene sostituito da dBm. In passato era più conveniente utilizzare il dBu come unità di misura nel campo dell'ingegneria audio, quando era più importante contare la potenza elettrica piuttosto che la tensione per valutare l'intensità del segnale.

dBV– anche questa unità di misura si basa sul livello zero di riferimento (come nel caso del dBu), tuttavia come livello di riferimento viene preso 1 V, che è più conveniente della cifra di 0,775 V. Questa unità di misura del suono è spesso utilizzato per apparecchiature audio domestiche e semiprofessionali.

dBFS– questa valutazione del livello del segnale è ampiamente utilizzata nell’ingegneria audio digitale ed è molto diversa dalle unità di misura sopra indicate. FS (fondo scala) è un fondo scala che viene utilizzato perché, a differenza di un segnale audio analogico, che ha una tensione ottimale, l'intera gamma di valori digitali è ugualmente accettabile quando si lavora con un segnale digitale. 0 dBFS è il livello massimo possibile di un segnale audio digitale che può essere registrato senza distorsioni. Gli standard di misurazione analogici come dBu e dBV non hanno un margine di gamma dinamica oltre 0 dBFS.

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Il suono è una vibrazione meccanica che si propaga in un mezzo materiale elastico principalmente sotto forma di onde longitudinali.

Nel vuoto, il suono non si propaga, poiché la trasmissione del suono richiede un mezzo materiale e un contatto meccanico tra le particelle del mezzo materiale.

In un mezzo il suono viaggia sotto forma di onde sonore. Le onde sonore sono vibrazioni meccaniche che vengono trasmesse in un mezzo utilizzando le sue particelle condizionali. Le particelle convenzionali di un mezzo significano i suoi microvolumi.

Caratteristiche fisiche di base di un'onda acustica:

1. Frequenza.

Frequenza l'onda sonora è la grandezza pari al numero di oscillazioni complete nell'unità di tempo. Indicato dal simbolo v (nudo) e misurato in hertz. 1 Hz = 1 conteggio/sec = [ s -1 ].

La scala delle vibrazioni sonore è suddivisa nei seguenti intervalli di frequenza:

· infrasuoni (da 0 a 16 Hz);

· suono udibile (da 16 a 16.000 Hz);

· ultrasuoni (oltre 16.000 Hz).

La frequenza di un'onda sonora è strettamente correlata alla sua quantità inversa: il periodo dell'onda sonora. Periodo Un'onda sonora è il tempo di un'oscillazione completa delle particelle del mezzo. Designato T e si misura in secondi [s].

In base alla direzione di vibrazione delle particelle del mezzo che trasporta l'onda sonora, le onde sonore si dividono in:

· longitudinale;

· trasversale.

Per le onde longitudinali, la direzione di vibrazione delle particelle del mezzo coincide con la direzione di propagazione dell'onda sonora nel mezzo (Fig. 1).

Per le onde trasversali, le direzioni di vibrazione delle particelle del mezzo sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda sonora (Fig. 2).

Riso. 1 fig. 2

Le onde longitudinali si propagano nei gas, nei liquidi e nei solidi. Trasversale - solo nei solidi.

3. Forma delle vibrazioni.

In base alla forma delle vibrazioni, le onde sonore si dividono in:

· onde semplici;

onde complesse.

Il grafico di un'onda semplice è un'onda sinusoidale.

Il grafico di un'onda complessa è una qualsiasi curva periodica non sinusoidale .

4. Lunghezza d'onda.

La lunghezza d'onda è la quantità pari alla distanza percorsa da un'onda sonora in un tempo pari ad un periodo. Si chiama λ (lambda) e si misura in metri (m), centimetri (cm), millimetri (mm), micrometri (μm).

La lunghezza d'onda dipende dal mezzo in cui viaggia il suono.

5. Velocità dell'onda sonora.

Velocità delle onde sonoreè la velocità di propagazione del suono in un mezzo con sorgente sonora stazionaria. Indicato con il simbolo v, calcolato con la formula:

La velocità dell'onda sonora dipende dal tipo di mezzo e dalla temperatura. La velocità del suono è massima nei corpi solidi elastici, minore nei liquidi e minima nei gas.

aria, pressione atmosferica normale, temperatura - 20 gradi, v = 342 m/s;

acqua, temperatura 15-20 gradi, v = 1500 m/s;

metalli, v = 5000-10000 m/s.

La velocità del suono nell'aria aumenta di circa 0,6 m/s con un aumento della temperatura di 10 gradi.