Fai onde sonore. Perché appare un'onda sonora? Suono suono delle profondità

Il suono è onde sonore che causano vibrazioni delle più piccole particelle d'aria, altri gas, nonché mezzi liquidi e solidi. Il suono può verificarsi solo dove c'è materia, indipendentemente dallo stato della materia in cui si trova. Nel vuoto, dove non c'è mezzo, il suono non si propaga, perché non ci sono particelle che agiscono come onde sonore. Ad esempio, nello spazio. Il suono può essere modificato, modificato, 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 informatici.

Onda sonora

I movimenti di oggetti e corpi provocano quasi sempre vibrazioni nell'ambiente. Non importa se è acqua o aria. In questo processo, anche le particelle del mezzo, a cui vengono trasmesse le vibrazioni del corpo, iniziano ad oscillare. Vengono generate onde sonore. Inoltre, i movimenti vengono eseguiti nelle direzioni avanti e indietro, sostituendosi progressivamente l'uno con l'altro. Pertanto, l'onda sonora è longitudinale. Mai in esso non c'è movimento trasversale su e giù.

Caratteristiche delle onde sonore

Come ogni fenomeno fisico, hanno i loro valori, con i quali puoi 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 abbastanza esempi di suoni a bassa e alta frequenza in natura e nel mondo che ci circonda. Il cinguettio di un usignolo, i tuoni, il rombo di un fiume di montagna e altri sono tutte frequenze sonore diverse. Il valore dell'ampiezza dell'onda dipende direttamente da quanto è forte il suono. Il volume, a sua volta, diminuisce man mano che ci si allontana dalla sorgente sonora. Di conseguenza, l'ampiezza è minore, più l'onda è lontana dall'epicentro. 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. Anche l'umidità e la temperatura giocano un ruolo importante qui. In condizioni meteorologiche medie, la velocità del suono è di circa 340 metri al secondo. In fisica esiste una cosa come la velocità supersonica, che ha sempre un valore maggiore della velocità del suono. Questa è la velocità alla quale le onde sonore si propagano quando l'aereo è in movimento. L'aereo viaggia a velocità supersoniche e supera persino le onde sonore da esso generate. A causa della pressione che aumenta gradualmente dietro l'aereo, si forma un'onda sonora d'urto. Pochi e interessanti conoscono l'unità di misura di una tale velocità. Si chiama Mach. Mach 1 è uguale alla velocità del suono. Se l'onda si muove a Mach 2, allora viaggia due volte più veloce della velocità del suono.

Rumori

Ci sono rumori costanti nella vita di tutti i giorni. Il livello di rumore è misurato in decibel. Il movimento delle macchine, 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 tali rumori. Tuttavia, ci sono anche tali fenomeni che nemmeno le capacità adattive dell'orecchio umano possono far fronte. Ad esempio, un rumore superiore a 120 dB può causare una sensazione di dolore. L'animale più rumoroso è la balenottera azzurra. Quando emette suoni, può essere ascoltato a una distanza di oltre 800 chilometri.

Eco

Come si verifica un'eco? Tutto è molto semplice qui. L'onda sonora ha la capacità di essere riflessa da diverse superfici: dall'acqua, dalle rocce, dalle pareti di una stanza vuota. Questa onda ritorna a noi, quindi sentiamo il suono secondario. Non è chiaro come quello originale, poiché parte dell'energia dell'onda sonora viene dissipata quando ci si sposta 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 vengono riflesse queste onde. I calcoli vengono effettuati misurando il tempo durante il quale l'ecografia raggiungerà il luogo e tornerà indietro. Molti animali hanno la capacità di ecolocalizzare. Ad esempio, pipistrelli, delfini lo usano per cercare cibo. L'ecolocalizzazione ha trovato un'altra applicazione in medicina. Negli studi che utilizzano gli ultrasuoni, si forma un'immagine degli organi interni di una persona. Questo metodo si basa sul fatto che gli ultrasuoni, entrando in un mezzo diverso dall'aria, ritornano indietro, formando così un'immagine.

Onde sonore nella musica

Perché gli strumenti musicali emettono determinati suoni? Plettri di chitarra, melodie di pianoforte, toni bassi di tamburi e trombe, un'affascinante voce sottile di un flauto. Tutti questi e molti altri suoni sono dovuti alle vibrazioni nell'aria, o, in altre parole, alla comparsa delle onde sonore. Ma perché il suono degli strumenti musicali è così vario? Si scopre che dipende da diversi fattori. La prima è la forma dello strumento, la seconda è il materiale di cui è fatto.

Diamo un'occhiata all'esempio degli strumenti a corda. Diventano la fonte del suono quando si toccano le corde. Di conseguenza, iniziano a produrre vibrazioni e inviare suoni diversi nell'ambiente. Il suono basso di qualsiasi strumento a corda è dovuto al maggiore spessore e lunghezza della corda, nonché alla debolezza della sua tensione. Al contrario, più forte è tesa la corda, più sottile e corta è, più alto è il suono che si ottiene suonando.

Azione del microfono

Si basa sulla conversione dell'energia delle onde sonore in energia elettrica. In questo caso, la forza attuale e la natura del suono sono direttamente proporzionali. All'interno di ogni microfono è presente una sottile lastra di metallo. Quando esposto al suono, inizia a fare movimenti oscillatori. Anche la spirale a cui è collegata la piastra vibra, generando una corrente elettrica. Perché appare? Questo perché il microfono ha anche dei magneti incorporati. Quando la spirale vibra tra i suoi poli, si forma una corrente elettrica, che percorre la spirale e quindi la colonna sonora (altoparlante) o l'apparecchiatura per la registrazione su supporto informatico (su cassetta, disco, computer). A proposito, una struttura simile ha un microfono nel telefono. Ma come funzionano i microfoni su rete fissa e mobile? La fase iniziale è la stessa per loro: il suono di una voce umana trasmette le sue vibrazioni alla piastra del microfono, poi tutto segue lo scenario sopra descritto: una spirale che quando si muove chiude due poli, si crea una corrente. Qual è il prossimo? Con un telefono fisso tutto è più o meno chiaro: 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 tali condizioni si creano quando l'ampiezza delle oscillazioni del corpo fisico aumenta bruscamente. Ciò è dovuto alla 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 salvare un'auto da una buca, viene avviata e spinta avanti e indietro per causare risonanza e dare slancio 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 la marcia sincronizzata dei soldati.

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 facciamo conoscenza con il concetto di onde ultrasoniche e infrasoniche. Discuteremo anche le proprietà delle onde sonore in vari media e scopriremo quali caratteristiche hanno. .

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

Riso. 1. Onda sonora

La sezione che si occupa di queste onde in fisica si chiama acustica. La professione delle persone 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 rarefazione. Si trasmette nel tempo a distanza (Fig. 2).

Riso. 2. Propagazione di un'onda sonora

Le onde sonore includono tali vibrazioni che vengono eseguite con una frequenza compresa tra 20 e 20.000 Hz. Queste frequenze corrispondono a lunghezze d'onda di 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 velocità di propagazione del suono in cui è uguale a.

Ci sono anche gamme in cui sono impegnati gli acustici: infrasuoni e ultrasuoni. 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 di onde sonore

Ogni persona istruita dovrebbe essere guidata nella gamma di frequenza delle onde sonore e sapere che se esegue 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.

Si chiamano onde con una frequenza superiore a un miliardo di hertz ipersonico.

Gli ultrasuoni vengono utilizzati per rilevare i difetti nelle parti fuse. Un flusso di brevi segnali ultrasonici viene diretto alla parte in prova. In quei luoghi dove non ci sono difetti, i segnali attraversano il pezzo senza essere registrati dal ricevitore.

Se c'è una crepa, una cavità d'aria o altra disomogeneità nella parte, il segnale ultrasonico viene riflesso da essa e, ritornando, entra nel ricevitore. Tale metodo viene chiamato rilevamento ultrasonico dei difetti.

Altri esempi dell'uso degli ultrasuoni sono le macchine ad ultrasuoni, le macchine ad ultrasuoni, la terapia ad ultrasuoni.

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

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

Gli infrasuoni sono anche onde importanti che vengono utilizzate per vibrare la superficie (ad esempio, per distruggere alcuni oggetti di grandi dimensioni). Lanciamo gli infrasuoni nel terreno e il terreno viene frantumato. Dove viene utilizzato? Ad esempio, nelle miniere di diamanti, dove prendono il minerale che contiene componenti di 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 dell'onda sonora in vari mezzi

Nota: in aria la velocità del suono è uguale a , mentre la velocità aumenta di . Se sei un ricercatore, allora tale conoscenza potrebbe esserti utile. Potresti anche inventare una sorta di sensore di temperatura che rileverà le discrepanze 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 veloce si propaga l'onda. Ne abbiamo discusso nell'ultimo paragrafo usando l'esempio di aria secca e aria umida. Per l'acqua, la velocità di propagazione del suono. Se crei un'onda sonora (bussare a un diapason), la velocità della sua propagazione nell'acqua sarà 4 volte maggiore che nell'aria. Con l'acqua, le informazioni raggiungeranno 4 volte più velocemente che con l'aria. E ancora più veloce in acciaio: (Fig. 6).

Riso. 6. La velocità di propagazione di un'onda sonora

Sai dalle epopee che Ilya Muromets ha usato (e tutti gli eroi, la gente comune russa e i ragazzi del Consiglio militare rivoluzionario di Gaidar), ha usato un modo molto interessante per rilevare un oggetto che si sta avvicinando, ma ancora lontano. Il suono che emette quando si è in movimento non è ancora udibile. Ilya Muromets, con l'orecchio a terra, la sente. Come mai? 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 sarà in grado di prepararsi per affrontare il nemico.

Le onde sonore più interessanti sono i suoni ei rumori musicali. Quali oggetti possono creare onde sonore? Se prendiamo una sorgente d'onda e un mezzo elastico, se facciamo vibrare armonicamente la sorgente sonora, avremo un'onda sonora meravigliosa, che sarà 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 che viene creata nello spazio vuoto della canna dell'aria (organo o canne). Dalle lezioni di musica conosci le note: do, re, mi, fa, salt, la, si. In acustica sono chiamati toni (Fig. 7).

Riso. 7. Toni musicali

Tutti gli elementi che possono emettere toni avranno delle caratteristiche. In che modo differiscono? Differiscono per lunghezza d'onda e frequenza. Se queste onde sonore non sono create da corpi che suonano armonicamente o non sono collegate in un pezzo orchestrale comune, allora un tale numero di suoni sarà chiamato rumore.

Rumore- fluttuazioni casuali di varia natura fisica, caratterizzate dalla complessità della struttura temporale e spettrale. Il concetto di rumore è quotidiano ed è 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. Cosa determina il volume di un suono? Si consideri la propagazione di un'onda sonora nel tempo o le oscillazioni di una sorgente di onde sonore (Fig. 8).

Riso. 8. Volume del suono

Allo stesso tempo, se non abbiamo aggiunto molto suono al sistema (premendo leggermente il tasto del pianoforte, ad esempio), ci sarà un suono tranquillo. Se ad alta voce, alzando la mano in alto, chiamiamo questo suono premendo il tasto, otteniamo un suono forte. Da cosa dipende? I suoni bassi hanno meno vibrazioni dei suoni forti.

La prossima caratteristica importante del suono musicale e di qualsiasi altra è altezza. Cosa determina l'altezza di un suono? Il tono dipende dalla frequenza. Possiamo far oscillare frequentemente la sorgente, oppure possiamo farla oscillare non molto velocemente (cioè, fare meno oscillazioni per unità di tempo). Si consideri la scansione temporale del suono alto e basso della stessa ampiezza (Fig. 9).

Riso. 9. Passo

Si può trarre una conclusione interessante. Se una persona canta al basso, la sua sorgente sonora (queste sono le corde vocali) fluttua molte volte più lentamente di quella di una persona che canta soprano. Nel secondo caso le corde vocali vibrano più spesso, quindi più spesso provocano focolai di compressione e rarefazione nella propagazione dell'onda.

C'è un'altra caratteristica interessante delle onde sonore che i fisici non studiano. esso timbro. Conosci e distingui facilmente lo stesso brano musicale suonato sulla balalaika o sul violoncello. Qual è la differenza tra questi suoni o questa performance? All'inizio dell'esperimento, abbiamo chiesto alle persone che producono suoni di renderli 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 individuare uno strumento, tutti suonano più o meno allo stesso modo, con la stessa forza. Quindi il timbro della balalaika e del violoncello è diverso. Se disegnassimo il suono estratto da uno strumento, da un altro, usando 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 scuola di musica con gli stessi insegnanti. Hanno studiato altrettanto bene con i cinque. Per qualche ragione, uno diventa un artista eccezionale, mentre l'altro è insoddisfatto della sua carriera per tutta la vita. In effetti, questo è determinato esclusivamente dal loro strumento, che provoca solo vibrazioni vocali nell'ambiente, cioè le loro voci differiscono nel timbro.

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Compiti a casa

1. Come si propaga il suono? Quale può essere la fonte del suono?
2. Il suono può viaggiare nello spazio?
3. Ogni onda che raggiunge l'orecchio umano è percepita da lui?

18 febbraio 2016

Il mondo dell'home entertainment è piuttosto vario e può comprendere: guardare un film su un buon sistema home theater; gameplay divertente e avvincente o ascolto di musica. Di norma, ognuno trova qualcosa di proprio in quest'area o combina tutto in una volta. Ma non importa quali siano gli obiettivi di una persona nell'organizzare il proprio tempo libero e non importa a quale estremo vada, tutti questi collegamenti sono saldamente collegati da una parola semplice e comprensibile: "suono". Infatti, in tutti questi casi, saremo guidati dalla maniglia dalla colonna sonora. 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 è sempre 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 la maggior parte dei problemi che si presentano a tutti che si propone di ottenere una recitazione vocale di alta qualità.

Successivamente, la teoria del suono e dell'acustica sarà considerata dal punto di vista della fisica. In questo caso, cercherò di renderlo il più accessibile possibile per la comprensione di qualsiasi persona che, forse, è lontana dalla conoscenza di leggi o formule fisiche, ma tuttavia sogna appassionatamente la realizzazione del sogno di creare un'acustica perfetta sistema. Non ho la presunzione di affermare che per ottenere buoni risultati in questo campo a casa (o in macchina, per esempio) sia necessario conoscere a fondo queste teorie, tuttavia, comprenderne le basi eviterà molti errori stupidi e assurdi, oltre a consentire per ottenere il massimo effetto sonoro dal sistema a qualsiasi livello.

Teoria generale del suono e terminologia musicale

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

Poiché l'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 vibrazioni in un periodo di tempo pari a un secondo. Quelli. ad esempio, una frequenza di 20 Hz significa un ciclo di 20 oscillazioni in un secondo. Il concetto soggettivo della sua altezza dipende anche dalla frequenza del suono. Più vibrazioni sonore vengono prodotte al secondo, più "alto" sembra il suono. L'onda sonora ha anche un'altra caratteristica importante, che ha un nome: la lunghezza d'onda. Lunghezza d'ondaÈ consuetudine considerare la distanza che percorre un suono di una certa frequenza in un periodo pari a un secondo. Ad esempio, la lunghezza d'onda del suono più basso nella gamma udibile umana a 20 Hz è 16,5 metri e la lunghezza d'onda del suono più alto a 20.000 Hz è 1,7 centimetri.

L'orecchio umano è progettato in modo tale da essere in grado di percepire le onde solo in un intervallo limitato, circa 20 Hz - 20.000 Hz (a seconda delle caratteristiche di una determinata persona, qualcuno è in grado di sentire un po' di più, qualcuno di meno) . Quindi, questo non significa che i suoni al di sotto o al di sopra di queste frequenze non esistano, semplicemente non sono 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 ultra e infrasuoni, alcuni addirittura usano questa gamma per orientarsi nello spazio (pipistrelli, delfini). Se il suono passa attraverso un mezzo che non entra direttamente in contatto con l'organo uditivo umano, un tale suono potrebbe non essere udito o essere notevolmente indebolito in seguito.

Nella terminologia musicale del suono, ci sono designazioni così importanti come ottava, tono e armonico del suono. Ottava significa un intervallo in cui il rapporto delle frequenze tra i suoni è da 1 a 2. Un'ottava è solitamente molto udibile, mentre i suoni all'interno di questo intervallo possono essere molto simili tra loro. Un'ottava può anche essere chiamata un suono che produce il doppio delle vibrazioni di un altro suono nello stesso periodo di tempo. Ad esempio, una frequenza di 800 Hz non è altro che un'ottava superiore di 400 Hz e una frequenza di 400 Hz è a sua volta l'ottava successiva del suono con una frequenza di 200 Hz. Un'ottava è composta da toni e sfumature. Oscillazioni variabili in un'onda sonora armonica di una frequenza sono percepite dall'orecchio umano come tono musicale. Le vibrazioni ad alta frequenza possono essere interpretate come suoni acuti, le vibrazioni a bassa frequenza come suoni acuti. 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, nella musica viene utilizzato un numero estremamente ridotto di toni. Questo si spiega da considerazioni del principio della consonanza armonica, tutto si basa sul principio delle ottave.

Considera 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 particolare. Quando questa corda viene esposta a qualcosa con una forza specifica, che la farà vibrare, verrà costantemente osservato uno specifico tono di suono, sentiremo la frequenza di sintonizzazione desiderata. Questo suono è chiamato tono fondamentale. Per il tono principale in campo musicale è ufficialmente accettata la frequenza della nota "la" della prima ottava, pari a 440 Hz. Tuttavia, la maggior parte degli strumenti musicali non riproduce mai da soli toni fondamentali puri; sono inevitabilmente accompagnati da armonici chiamati sfumature. Qui è opportuno richiamare un'importante definizione di 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 sugli armonici nel momento in cui il suono appare.

Gli armonici formano un colore specifico del tono fondamentale, grazie al quale possiamo facilmente identificare e riconoscere uno strumento particolare, nonché distinguerne chiaramente il suono da un altro strumento. Esistono due tipi di armoniche: armoniche e non armoniche. Sfumature armoniche sono, per definizione, multipli della frequenza fondamentale. Al contrario, se gli armonici non sono multipli e si discostano notevolmente dai valori, allora vengono chiamati disarmonico. In musica l'operazione di armonici non multipli è praticamente esclusa, pertanto il termine si riduce al concetto di "armonico", inteso come armonico. Per alcuni strumenti, ad esempio il pianoforte, il tono principale non ha nemmeno il tempo di formarsi, per un breve periodo c'è un aumento dell'energia sonora degli armonici, e poi si verifica un declino altrettanto rapido. Molti strumenti creano un cosiddetto effetto di "tono di transizione", quando l'energia di alcuni armonici è massima in un determinato momento, di solito proprio all'inizio, ma poi cambia bruscamente e si sposta su altri armonici. La gamma di frequenza di ogni strumento può essere considerata separatamente ed è solitamente limitata dalle frequenze dei toni fondamentali che questo particolare strumento è in grado di riprodurre.

Nella teoria del suono esiste anche una cosa come il RUMORE. Rumore- questo è qualsiasi suono creato da una combinazione di sorgenti incoerenti tra loro. Tutti sono ben consapevoli del rumore delle foglie degli alberi, ondeggiate dal vento, ecc.

Cosa determina il volume del suono?È ovvio che un tale fenomeno dipende direttamente dalla quantità di energia trasportata 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). In una conversazione normale, l'intensità è di circa 9 o 10 W/cm2. L'orecchio umano è in grado di percepire suoni con una gamma di sensibilità abbastanza ampia, mentre la suscettibilità delle frequenze non è uniforme all'interno dello spettro sonoro. Quindi la gamma di frequenze meglio percepita è 1000 Hz - 4000 Hz, che copre più ampiamente il linguaggio umano.

Poiché i suoni variano così tanto in intensità, è più conveniente pensarlo come un valore logaritmico e misurarlo in decibel (dal nome dello scienziato scozzese Alexander Graham Bell). La soglia inferiore della sensibilità uditiva dell'orecchio umano è 0 dB, quella superiore 120 dB, è anche chiamata "soglia del dolore". Anche il limite superiore della 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 alle alte frequenze per suscitare una soglia del dolore. Ad esempio, la soglia del dolore a una bassa frequenza di 31,5 Hz si verifica a un livello di intensità sonora di 135 dB, quando a una frequenza di 2000 Hz la sensazione di dolore appare già a 112 dB. C'è anche il concetto di pressione sonora, che in realtà amplia la consueta spiegazione della propagazione di un'onda sonora nell'aria. Pressione sonora- si tratta di una sovrappressione variabile che si verifica 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 forte movimento in avanti, l'aria nelle immediate vicinanze del diffusore viene compressa per un momento. Successivamente, l'aria si espanderà, spingendo così la regione dell'aria compressa lungo il tubo.
È questo movimento dell'onda che sarà successivamente il suono quando raggiunge l'organo uditivo e "eccita" il timpano. Quando si verifica un'onda sonora in un gas, si creano sovrappressione e densità 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 una perturbazione temporanea delle masse d'aria.

Se immaginiamo un pistone sospeso nello spazio libero su una molla e che compie movimenti ripetuti "avanti e indietro", tali oscillazioni saranno dette armoniche o sinusoidali (se rappresentiamo l'onda sotto forma di grafico, allora in questo caso otteniamo un'onda sinusoidale pura con alti e bassi ripetuti). Se immaginiamo un altoparlante in un tubo (come nell'esempio sopra descritto), che esegue oscillazioni armoniche, nel momento in cui l'altoparlante si sposta "in avanti", si ottiene il già noto effetto della compressione dell'aria e quando l'altoparlante si sposta "indietro" , si ottiene l'effetto inverso della rarefazione. In questo caso, un'onda di compressione alternata e rarefazione 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, viene chiamata l'onda longitudinale. Se oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione, viene chiamata l'onda trasversale. Di solito, le onde sonore nei gas e nei liquidi sono longitudinali, mentre nei solidi possono verificarsi onde di entrambi i tipi. Le onde trasversali nei solidi sorgono a causa della resistenza al cambiamento di forma. La principale differenza tra questi due tipi di onde è che un'onda trasversale ha la proprietà di polarizzazione (le oscillazioni si verificano su un certo piano), mentre un'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, rispettivamente, 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 con l'aumentare della temperatura e diminuisce con la diminuzione. 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 rispettivamente la "conduttività" dell'onda e maggiore è la velocità.

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

Velocità del suono in aria a t, °C 20: 343 m/s
Velocità del suono in acqua distillata a t, °C 20: 1481 m/s
Velocità del suono in 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 del riflesso delle onde dai confini. Di conseguenza, il più delle volte effetto di interferenza- quando due o più onde sonore si sovrappongono. Casi particolari del fenomeno dell'interferenza sono la formazione di: 1) Onde battenti o 2) Onde stazionarie. Il battito delle onde- questo è il caso quando c'è un'aggiunta di onde con frequenze e ampiezze vicine. Il modello di occorrenza dei battiti: quando due onde simili in frequenza si sovrappongono l'una all'altra. Ad un certo punto, con tale sovrapposizione, i picchi di ampiezza possono coincidere "in fase", e anche le recessioni in "antifase" possono coincidere. Ecco come vengono caratterizzati i battiti sonori. È importante ricordare che, a differenza delle onde stazionarie, le coincidenze di fase dei picchi non si verificano costantemente, ma ad alcuni intervalli di tempo. A orecchio, un tale schema di battiti differisce abbastanza chiaramente e si sente rispettivamente come un aumento e una diminuzione periodici del volume. Il meccanismo per il verificarsi di questo effetto è estremamente semplice: al momento della coincidenza dei picchi il volume aumenta, al momento della coincidenza delle recessioni il volume diminuisce.

onde stazionarie sorgono nel caso di sovrapposizione di due onde della stessa ampiezza, fase e frequenza, quando tali onde si "incontrano" una si muove in avanti e l'altra in direzione opposta. Nell'area dello spazio (dove si è formata un'onda stazionaria) si presenta un'immagine della sovrapposizione di due ampiezze di frequenza, con l'alternanza di massimi (cosiddetti antinodi) e minimi (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 in movimento, non c'è trasferimento di energia in un'onda stazionaria a causa del fatto che le onde avanti e indietro che formano questa onda trasportano energia in quantità uguali sia in direzione opposta che in direzione opposta. Per una comprensione visiva del verificarsi di un'onda stazionaria, immaginiamo un esempio dall'acustica domestica. Diciamo che abbiamo dei diffusori da pavimento in uno spazio limitato (stanza). Dopo avergli fatto suonare qualche canzone con molto basso, proviamo a cambiare la posizione dell'ascoltatore nella stanza. Pertanto, l'ascoltatore, essendo entrato nella zona di minimo (sottrazione) dell'onda stazionaria, sentirà l'effetto che il basso è diventato molto piccolo, e se l'ascoltatore entra nella 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 di base. Ad esempio, se la frequenza di base è 440 Hz, si osserverà il fenomeno di "addizione" o "sottrazione" anche a frequenze di 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, ecc.

Fenomeno di risonanza

La maggior parte dei solidi ha una propria frequenza di risonanza. Comprendere questo effetto è abbastanza semplice sull'esempio di un tubo convenzionale, aperto solo a un'estremità. Immaginiamo una situazione in cui un altoparlante è collegato dall'altra estremità del tubo, che può riprodurre una frequenza costante, può anche essere cambiato in seguito. Ora, una pipa ha la sua frequenza di risonanza, in parole povere, questa è la frequenza alla quale la pipa "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. Questo perché l'altoparlante eccita le vibrazioni della colonna d'aria nel tubo con un'ampiezza significativa fino a quando non viene trovata 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'altoparlante risuonando a una frequenza specifica, i loro sforzi si sommano e "si riversano" in un effetto forte udibile. Sull'esempio degli strumenti musicali, questo fenomeno è facilmente rintracciabile, poiché il design della maggior parte contiene elementi chiamati risonatori. Non è difficile indovinare a cosa serve lo scopo di amplificare una certa frequenza o tono musicale. Ad esempio: un corpo di chitarra con un risuonatore a forma di foro, abbinato al volume; Il disegno della pipa al flauto (e di tutte le canne in genere); La forma cilindrica del corpo del tamburo, che a sua volta è un risuonatore 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 armoniche o armoniche. A tal fine, esistono grafici che mostrano la dipendenza dell'energia relativa delle vibrazioni sonore dalla frequenza. Tale grafico è chiamato grafico dello spettro di frequenza del suono. Spettro di frequenza del suono Ne esistono di due tipi: discreti e continui. Il grafico dello spettro discreto mostra le frequenze individualmente, separate da spazi vuoti. Nello spettro continuo, tutte le frequenze sonore sono presenti contemporaneamente.
Nel caso della musica o dell'acustica, viene spesso utilizzato il solito programma. Caratteristiche picco-frequenza(abbreviato "AFC"). Questo grafico mostra la dipendenza dell'ampiezza delle vibrazioni sonore dalla frequenza nell'intero spettro di frequenze (20 Hz - 20 kHz). Osservando un tale grafico, è facile comprendere, ad esempio, i punti di forza o di debolezza di un particolare altoparlante o sistema di altoparlanti nel suo insieme, le aree più forti di ritorno di energia, cali e aumenti di frequenza, attenuazione, nonché 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: un sasso gettato nell'acqua.
Dal punto in cui è caduta la pietra, le onde iniziano a divergere sulla superficie dell'acqua in tutte le direzioni. Tuttavia, immaginiamo una situazione in cui si utilizza un altoparlante a un certo volume, diciamo una scatola chiusa, che è collegata a un amplificatore e riproduce una specie di segnale musicale. È facile notare (soprattutto se si fornisce un segnale potente a bassa frequenza, come una grancassa), che l'altoparlante effettua un rapido movimento "avanti", e poi lo stesso rapido movimento "indietro". Resta da capire che quando l'altoparlante si sposta in avanti, emette un'onda sonora, che sentiamo in seguito. Ma cosa succede quando l'altoparlante 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 oltrepassarlo (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, essendo in volume, irradia nella 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 al momento attuale in un punto dello spazio. La fase è più facilmente comprensibile dall'esempio della riproduzione di materiale musicale da parte di una coppia stereo da pavimento convenzionale di altoparlanti domestici. Immaginiamo che due di questi diffusori da pavimento siano installati in una certa stanza e suonino. Entrambi gli altoparlanti in questo caso riproducono un segnale sincrono di pressione sonora variabile, inoltre la pressione sonora di un altoparlante viene sommata alla pressione sonora dell'altro altoparlante. Un effetto simile si verifica a causa del sincronismo di riproduzione del segnale dei diffusori sinistro e destro, rispettivamente, in altre parole, i picchi e le valli delle onde emesse dai diffusori sinistro e destro coincidono.

Ora immaginiamo che le pressioni sonore cambino ancora allo stesso modo (non sono cambiate), ma ora sono opposte tra loro. Ciò può accadere se si collega uno dei due altoparlanti con polarità inversa (cavo "+" dall'amplificatore al terminale "-" del sistema di altoparlanti e cavo "-" dall'amplificatore al terminale "+" dell'altoparlante sistema). In questo caso, il segnale opposto nella direzione provocherà una differenza di pressione, che può essere rappresentata come 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 totale del suono nella posizione dell'ascoltatore sarà uguale a zero. Questo fenomeno è chiamato antifase. Se consideriamo l'esempio più in dettaglio per la comprensione, si scopre che due altoparlanti che suonano "in fase" creano le stesse aree di compressione e rarefazione dell'aria, che in realtà si aiutano a vicenda. Nel caso di un'antifase idealizzata, l'area di compattazione dello spazio aereo creata da un altoparlante sarà accompagnata da un'area di rarefazione dello spazio aereo creata dal secondo altoparlante. Assomiglia approssimativamente al fenomeno dello smorzamento sincrono reciproco delle onde. È vero, in pratica, il volume non scende a zero e sentiremo un suono fortemente distorto e attenuato.

Nel modo più accessibile, questo fenomeno può essere descritto come segue: due segnali con le stesse oscillazioni (frequenza), ma spostati nel tempo. In considerazione di ciò, è più conveniente rappresentare questi fenomeni di spostamento usando l'esempio dei normali orologi circolari. Immaginiamo che diversi orologi rotondi identici siano appesi al muro. Quando le lancette dei secondi di questi orologi funzionano in sincronia, 30 secondi su un orologio e 30 secondi sull'altro, questo è un esempio di segnale in fase. Se le lancette dei secondi funzionano con uno spostamento, ma la velocità è sempre la stessa, ad esempio 30 secondi su un orologio e 24 secondi sull'altro, allora questo è un classico esempio di spostamento di fase (spostamento). Allo stesso modo, la fase viene misurata in gradi, all'interno di un cerchio virtuale. In questo caso, quando i segnali vengono spostati l'uno rispetto all'altro di 180 gradi (metà del periodo), si ottiene un'antifase classica. Spesso in pratica si verificano piccoli sfasamenti, che possono essere determinati anche in gradi ed eliminati con successo.

Le onde sono piatte e sferiche. Un fronte d'onda piatto si propaga in una sola direzione e nella pratica si incontra raramente. Un fronte d'onda sferico è un semplice tipo di onda che si irradia da un singolo punto e si propaga in tutte le direzioni. Le onde sonore hanno la proprietà diffrazione, cioè. la capacità di evitare ostacoli e oggetti. Il grado di avvolgimento dipende dal rapporto tra la lunghezza dell'onda sonora e le dimensioni dell'ostacolo o del foro. La diffrazione si verifica anche quando c'è un ostacolo nel percorso del suono. In questo caso sono possibili due scenari: 1) Se le dimensioni dell'ostacolo sono molto maggiori 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 di "ombra acustica". 2) Se le dimensioni dell'ostacolo sono paragonabili alla lunghezza d'onda o addirittura inferiori ad essa, il suono si diffrange in una certa misura in tutte le direzioni. Se un'onda sonora, quando si muove in un mezzo, colpisce l'interfaccia con un altro mezzo (ad esempio, un mezzo aereo con un mezzo solido), 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 pressione in eccesso di un'onda sonora e la velocità volumetrica oscillatoria è chiamato impedenza dell'onda. In parole semplici, resistenza d'onda del mezzo può essere chiamata la capacità di assorbire le onde sonore o "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 è incidente su un oggetto solido o sulla superficie di acque profonde, il suono viene riflesso dalla superficie o assorbito in larga misura. Dipende dallo spessore della superficie (acqua o solida) su cui cade l'onda sonora desiderata. Con un basso spessore di un mezzo solido o liquido, le onde sonore "passano quasi completamente" e viceversa, con un grande spessore del mezzo, 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 di densità inferiore colpisce il confine con un mezzo di densità maggiore, si verifica il fenomeno rifrazione. Consiste nel piegare (rifrangere) un'onda sonora dopo aver "incontrato" un ostacolo, ed è necessariamente accompagnato da un cambio di velocità. La rifrazione dipende anche dalla temperatura del mezzo in cui si verifica la riflessione.

Nel processo di propagazione delle onde sonore nello spazio, la loro intensità diminuisce inevitabilmente, si può dire l'attenuazione delle onde e l'indebolimento del suono. In pratica, è abbastanza semplice riscontrare un tale effetto: ad esempio, se due persone stanno in un campo a una certa distanza ravvicinata (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. Un esempio simile dimostra chiaramente il fenomeno della riduzione dell'intensità delle onde sonore. Perché sta succedendo? La ragione di ciò sono i vari processi di trasferimento di calore, interazione molecolare e attrito interno delle onde sonore. Molto spesso, in pratica, si verifica la conversione dell'energia sonora in energia termica. Tali processi sorgono 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 dipende da molti fattori, come la pressione e la temperatura del mezzo. Inoltre, l'assorbimento dipende dalla frequenza specifica del suono. Quando un'onda sonora si propaga in liquidi o gas, c'è un effetto di attrito tra diverse particelle, che è chiamato viscosità. Come risultato di questo attrito a livello molecolare, si verifica il processo di trasformazione dell'onda da sonora in termica. In altre parole, maggiore è la conducibilità termica del mezzo, minore è il grado di assorbimento dell'onda. 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, quindi tenendo conto delle suddette dipendenze della viscosità e della conducibilità termica, l'assorbimento del suono è tanto maggiore quanto maggiore è la sua frequenza. Ad esempio, a temperatura e pressione normali, in aria, l'assorbimento di un'onda con una frequenza di 5000 Hz è di 3 dB / km e l'assorbimento di un'onda con una frequenza di 50.000 Hz sarà già di 300 dB / m.

Nei mezzi solidi, tutte le dipendenze di cui sopra (conduttività termica e viscosità) vengono preservate, ma a ciò vengono aggiunte alcune condizioni in più. Sono associati alla struttura molecolare dei materiali solidi, che possono essere diversi, 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 particolare. Quando il suono passa attraverso 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, l'effetto delle dislocazioni 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 a una collisione con dislocazioni perpendicolari ad esse o difetti nella struttura cristallina, che provoca la loro decelerazione 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 di un'onda sonora al momento dell'interazione con gli elementi della struttura molecolare del materiale viene dissipata a causa di processi di attrito interni.

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

Tuoni, musica, il suono della risacca, il linguaggio umano e tutto ciò che sentiamo è suono. Cos'è il "suono"?

Fonte immagine: pixabay.com

In effetti, tutto ciò che siamo abituati a considerare come suono è solo una delle varietà di vibrazioni (d'aria) che il nostro cervello e gli 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 sorgente in tutte le direzioni. L'oggetto oscillante comprime le molecole nell'ambiente e quindi crea un'atmosfera rarefatta, facendo sì che le molecole si respingano a vicenda sempre più lontano. Pertanto, i cambiamenti nella pressione dell'aria si propagano lontano dall'oggetto, le molecole stesse rimangono nella stessa posizione per se stesse.

Impatto delle onde sonore sul timpano. Fonte immagine: prd.go.th

Quando un'onda sonora si propaga nello spazio, rimbalza sugli oggetti sul suo cammino, creando cambiamenti nell'aria circostante. Quando questi cambiamenti raggiungono il tuo orecchio e colpiscono il timpano, le terminazioni nervose inviano un segnale al cervello e tu percepisci queste vibrazioni come suoni.

Le principali caratteristiche dell'onda sonora

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

L'onda sinusoidale dimostra chiaramente i tre criteri fisici di base del suono: frequenza, ampiezza e fase.

Frequenza

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

La frequenza è un valore che caratterizza il numero di oscillazioni al secondo. Si misura nel numero di periodi di oscillazione o in hertz (Hz). L'orecchio umano può percepire il suono nell'intervallo da 20 Hz (bassa frequenza) a 20 kHz (alta frequenza). I suoni al di sopra di questo intervallo sono chiamati ultrasuoni e al di sotto - infrasuoni e non sono percepiti dagli organi uditivi umani.

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 gli organi uditivi umani percepiscono come il volume o l'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 che suona in un concerto. Il volume viene misurato utilizzando fonometri (indicatori 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

Usato per descrivere le proprietà di due onde sonore. Se due onde hanno la stessa ampiezza e frequenza, allora si dice che le due onde sonore sono in fase. La fase è 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 (sfasate). Quando due onde sonore sono in fase, i due suoni si sovrappongono ei segnali si rafforzano a vicenda. Quando vengono combinati due segnali che non corrispondono in ampiezza, i segnali vengono soppressi a causa della differenza di pressione, che porta a un risultato zero, ovvero il suono scompare. Questo fenomeno è noto come "soppressione di fase".

Quando si combinano due segnali audio identici, la soppressione di fase può essere un problema serio, così come un enorme fastidio è la combinazione dell'onda sonora originale con l'onda riflessa dalle superfici nella stanza acustica. Ad esempio, quando i canali sinistro e destro di un mixer stereo vengono combinati per produrre una registrazione armoniosa, il segnale potrebbe subire una cancellazione di fase.

Cos'è un decibel?

I decibel misurano il livello di pressione sonora o la tensione elettrica. Questa è un'unità che mostra il rapporto tra due quantità diverse tra loro. Bel (dal nome dello scienziato americano Alexander Bell) è un logaritmo decimale che riflette il rapporto di due segnali diversi tra loro. Ciò significa che per ogni bela successivo sulla 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 basso. Per visualizzare valori così grandi, hanno iniziato a utilizzare il valore relativo dei decibel (dB) - mentre 1.000.000.000 è 109, o semplicemente 9. L'adozione di questo valore da parte dei fisici acustici ha permesso di lavorare con numeri enormi in modo più conveniente .

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

In pratica, si scopre che 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 decibel invece di bel sia come usare, diciamo, centimetri invece di metri per indicare la misura di una scarpa, bels 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 stati utilizzati nell'acustica per molti anni, dal momento dell'invenzione del telefono, fino ad oggi. La maggior parte di questi standard sono difficili da applicare in relazione alle apparecchiature moderne, vengono utilizzati solo per apparecchiature obsolete. Oggi, le apparecchiature negli studi di registrazione e trasmissione utilizzano un'unità come dBu (decibel relativo 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 Full Scale) per misurare la potenza sonora.

dBm– “m” sta per milliwatt (mW), che è l'unità di misura utilizzata per rappresentare la potenza elettrica. La potenza dovrebbe essere distinta dalla tensione elettrica, sebbene i due concetti siano strettamente correlati tra loro. L'unità di misura dBm iniziò ad essere utilizzata agli albori dell'introduzione delle comunicazioni telefoniche, oggi viene utilizzata anche nelle apparecchiature professionali.

dBu- in questo caso viene misurata la tensione (anziché la potenza) relativa al livello zero di riferimento, come livello di riferimento si considera 0,75 volt. Nelle moderne applicazioni audio professionali, dBu è stato sostituito da dBm. Come unità di misura nel campo dell'ingegneria audio, era più conveniente utilizzare dBu in passato, quando era più importante considerare la potenza elettrica, piuttosto che la sua tensione, per valutare il livello del segnale.

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

dBFS- Questa stima del livello del segnale è ampiamente utilizzata nell'audio digitale ed è molto diversa dalle unità di misura di cui sopra. FS (fondo scala) è il fondo scala, che viene utilizzato perché, a differenza dell'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 audio digitale massimo possibile che può essere registrato senza distorsioni. Gli standard di misurazione analogica come dBu e dBV non hanno un margine superiore a 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.

Il suono si propaga nel mezzo sotto forma di onde sonore. Le onde sonore sono vibrazioni meccaniche che vengono trasmesse nel mezzo con l'aiuto delle sue particelle condizionali. Sotto le particelle condizionali dell'ambiente capisci i suoi microvolumi.

Le principali caratteristiche fisiche di un'onda acustica:

1. Frequenza.

Frequenza l'onda sonora è la quantità uguale al numero di oscillazioni complete per unità di tempo. Indicato dal simbolo v (nudo) e misurato in hertz. 1 Hz \u003d 1 conteggio/sec \u003d [ 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).

Strettamente correlato alla frequenza di un'onda sonora è il reciproco, il periodo dell'onda sonora. Periodo l'onda sonora è il tempo di una completa oscillazione delle particelle del mezzo. Denotato T ed è misurato in secondi [s].

In base alla direzione di oscillazione delle particelle del mezzo che trasportano l'onda sonora, le onde sonore si suddividono in:

· longitudinale;

trasversale.

Per le onde longitudinali, la direzione di oscillazione delle particelle del mezzo coincide con la direzione di propagazione nel mezzo di un'onda sonora (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 in gas, liquidi e solidi. Trasversale - solo nei solidi.

3. La forma delle vibrazioni.

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

· onde semplici;

onde complesse.

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

Un grafico d'onda complesso è qualsiasi curva periodica non sinusoidale .

4. Lunghezza d'onda.

Lunghezza d'onda - magnitudine, uguale alla distanza per la quale un'onda sonora si propaga in un tempo pari a un periodo. È designato λ (lambda) e si misura in metri (m), centimetri (cm), millimetri (mm), micrometri (µm).

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

5. Velocità di un'onda sonora.

velocità dell'onda sonoraè la velocità di propagazione del suono in un mezzo con una sorgente sonora stazionaria. Indicato dal simbolo v, calcolato dalla formula:

La velocità di un'onda sonora dipende dal tipo di mezzo e dalla temperatura. La più alta velocità del suono nei corpi elastici solidi, meno - nei liquidi e la più piccola - 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.