Faceți unde sonore. De ce apare o undă sonoră? Sunetul din adâncime

Sunetul este unde sonore care provoacă vibrații ale celor mai mici particule de aer, ale altor gaze, precum și ale mediilor lichide și solide. Sunetul poate apărea numai acolo unde există materie, indiferent în ce stare de materie se află. În vid, unde nu există mediu, sunetul nu se propagă, deoarece nu există particule care să acționeze ca unde sonore. De exemplu, în spațiu. Sunetul poate fi modificat, modificat, transformându-se în alte forme de energie. Astfel, sunetul convertit în unde radio sau energie electrică poate fi transmis la distanțe și înregistrat pe medii de informare.

Unda de sunet

Mișcările obiectelor și corpurilor provoacă aproape întotdeauna vibrații în mediu. Nu contează dacă este apă sau aer. În acest proces, particulele mediului, la care sunt transmise vibrațiile corpului, încep și ele să oscileze. Sunt generate unde sonore. Mai mult, mișcările sunt efectuate în direcțiile înainte și înapoi, înlocuindu-se progresiv. Prin urmare, unda sonoră este longitudinală. Niciodată în el nu există nicio mișcare transversală în sus și în jos.

Caracteristicile undelor sonore

Ca orice fenomen fizic, ele au propriile valori, cu ajutorul cărora puteți descrie proprietățile. Principalele caracteristici ale unei unde sonore sunt frecvența și amplitudinea acesteia. Prima valoare arată câte valuri se formează pe secundă. Al doilea determină puterea undei. Sunetele de joasă frecvență au valori de joasă frecvență și invers. Frecvența sunetului se măsoară în Herți, iar dacă depășește 20.000 Hz, atunci apare ultrasunetele. Există suficiente exemple de sunete de joasă și înaltă frecvență în natură și în lumea din jurul nostru. Ciripitul unei privighetoare, bubuiturile de tunet, vuietul unui râu de munte și altele sunt toate frecvențe sonore diferite. Valoarea amplitudinii undei depinde direct de cât de puternic este sunetul. Volumul, la rândul său, scade pe măsură ce vă îndepărtați de sursa de sunet. În consecință, amplitudinea este cu atât mai mică, cu atât unda este mai departe de epicentru. Cu alte cuvinte, amplitudinea unei unde sonore scade odată cu distanța de la sursa sonoră.

Viteza sunetului

Acest indicator al undei sonore depinde direct de natura mediului în care se propagă. Umiditatea și temperatura joacă, de asemenea, un rol important aici. În condiții meteorologice medii, viteza sunetului este de aproximativ 340 de metri pe secundă. În fizică, există o viteză supersonică, care este întotdeauna mai mare ca valoare decât viteza sunetului. Aceasta este viteza cu care undele sonore se propagă atunci când aeronava se mișcă. Aeronava călătorește cu viteze supersonice și chiar depășește undele sonore generate de ea. Datorită presiunii care crește treptat în spatele aeronavei, se formează o undă sonoră de șoc. Un interesant și puțini cunosc unitatea de măsură a unei astfel de viteze. Se numește Mach. Mach 1 este egal cu viteza sunetului. Dacă unda se mișcă la Mach 2, atunci se deplasează de două ori mai repede decât viteza sunetului.

Zgomote

Există zgomote constante în viața de zi cu zi. Nivelul de zgomot este măsurat în decibeli. Mișcarea mașinilor, vântul, foșnetul frunzelor, împletirea vocilor oamenilor și alte zgomote sonore sunt tovarășii noștri zilnici. Dar analizatorul auditiv uman are capacitatea de a se obișnui cu astfel de zgomote. Cu toate acestea, există și astfel de fenomene cărora nici măcar abilitățile de adaptare ale urechii umane nu le pot face față. De exemplu, zgomotul care depășește 120 dB poate provoca o senzație de durere. Cel mai tare animal este balena albastră. Când scoate sunete, se aude la o distanță de peste 800 de kilometri.

Ecou

Cum apare un ecou? Totul este foarte simplu aici. Unda sonoră are capacitatea de a fi reflectată de pe diferite suprafețe: din apă, din roci, de pe pereții unei încăperi goale. Acest val se întoarce la noi, așa că auzim sunet secundar. Nu este la fel de clar ca cel original, deoarece o parte din energia undei sonore este disipată atunci când vă deplasați spre obstacol.

Ecolocație

Reflexia sunetului este folosită în diverse scopuri practice. De exemplu, ecolocația. Se bazează pe faptul că cu ajutorul undelor ultrasonice se poate determina distanța până la obiectul de la care se reflectă aceste unde. Calculele sunt efectuate prin măsurarea timpului pentru care ultrasunetele va ajunge la locul și se va întoarce înapoi. Multe animale au capacitatea de a ecoloca. De exemplu, liliecii, delfinii îl folosesc pentru a căuta mâncare. Ecolocația și-a găsit o altă aplicație în medicină. În studiile care utilizează ultrasunete, se formează o imagine a organelor interne ale unei persoane. Această metodă se bazează pe faptul că ultrasunetele, pătrunzând într-un mediu altul decât aerul, revin înapoi, formând astfel o imagine.

Unde sonore în muzică

De ce instrumentele muzicale scot anumite sunete? Părți de chitară, melodii de pian, tonuri joase de tobe și trompete, o voce subțire fermecătoare a unui flaut. Toate acestea și multe alte sunete se datorează vibrațiilor din aer sau, cu alte cuvinte, din cauza apariției undelor sonore. Dar de ce sunetul instrumentelor muzicale este atât de variat? Se dovedește că depinde de mai mulți factori. Prima este forma instrumentului, a doua este materialul din care este realizat.

Să aruncăm o privire la exemplul instrumentelor cu coarde. Ele devin sursa de sunet atunci când sunt atinse corzile. Drept urmare, încep să producă vibrații și să trimită sunete diferite în mediu. Sunetul scăzut al oricărui instrument cu coarde se datorează grosimii și lungimii mai mari a coardei, precum și slăbiciunii tensiunii sale. Dimpotrivă, cu cât coarda este întinsă mai puternică, cu atât este mai subțire și mai scurtă, cu atât sunetul obținut în urma cântării este mai ridicat.

Acțiunea microfonului

Se bazează pe conversia energiei undelor sonore în energie electrică. În acest caz, puterea curentului și natura sunetului sunt direct proporționale. În interiorul oricărui microfon se află o placă subțire din metal. Când este expus la sunet, începe să facă mișcări oscilatorii. Spirala la care este conectată placa vibrează și ea, rezultând un curent electric. De ce apare el? Acest lucru se datorează faptului că microfonul are și magneți încorporați. Când spirala vibrează între polii săi, se formează un curent electric, care merge de-a lungul spiralei și mai departe - spre coloana sonoră (difuzor) sau către echipamentul de înregistrare pe un suport de informare (pe casetă, disc, computer). Apropo, o structură similară are un microfon în telefon. Dar cum funcționează microfoanele pe liniile fixe și pe telefoanele mobile? Faza inițială este aceeași pentru ei - sunetul unei voci umane își transmite vibrațiile către placa microfonului, apoi totul urmează scenariul descris mai sus: o spirală care închide doi poli când se mișcă, se creează un curent. Ce urmeaza? Cu un telefon fix, totul este mai mult sau mai puțin clar - ca într-un microfon, sunetul, transformat în curent electric, trece prin fire. Dar cum rămâne cu un telefon mobil sau, de exemplu, un walkie-talkie? În aceste cazuri, sunetul este convertit în energie unde radio și lovește satelitul. Asta e tot.

Fenomen de rezonanță

Uneori, astfel de condiții sunt create atunci când amplitudinea oscilațiilor corpului fizic crește brusc. Acest lucru se datorează convergenței valorilor frecvenței oscilațiilor forțate și frecvenței naturale a oscilațiilor obiectului (corpului). Rezonanța poate fi atât benefică, cât și dăunătoare. De exemplu, pentru a salva o mașină dintr-o gaură, aceasta este pornită și împinsă înainte și înapoi pentru a provoca rezonanță și a da impuls mașinii. Dar au existat și cazuri de consecințe negative ale rezonanței. De exemplu, în Sankt Petersburg, cu aproximativ o sută de ani în urmă, un pod s-a prăbușit sub soldații în marș sincronizați.

Această lecție acoperă subiectul „Unde sonore”. În această lecție vom continua să studiem acustica. În primul rând, repetăm ​​definiția undelor sonore, apoi luăm în considerare intervalele de frecvență ale acestora și ne familiarizăm cu conceptul undelor ultrasonice și infrasonice. De asemenea, vom discuta despre proprietățile undelor sonore în diverse medii și vom afla ce caracteristici au acestea. .

Unde sonore - acestea sunt vibrații mecanice care, propagăndu-se și interacționând cu organul auzului, sunt percepute de o persoană (Fig. 1).

Orez. 1. Unda sonoră

Secțiunea care se ocupă de aceste unde în fizică se numește acustică. Profesia oamenilor care sunt numiți în mod obișnuit „ascultători” este acustica. O undă sonoră este o undă care se propagă într-un mediu elastic, este o undă longitudinală, iar când se propagă într-un mediu elastic, alternează compresia și rarefacția. Se transmite în timp pe o distanţă (Fig. 2).

Orez. 2. Propagarea unei unde sonore

Undele sonore includ astfel de vibrații care sunt efectuate cu o frecvență de 20 până la 20.000 Hz. Aceste frecvențe corespund unor lungimi de undă de 17 m (pentru 20 Hz) și 17 mm (pentru 20.000 Hz). Acest interval va fi numit sunet audibil. Aceste lungimi de undă sunt date pentru aer, viteza de propagare a sunetului în care este egală cu.

Există, de asemenea, astfel de game în care sunt angajați acusticienii - infrasonice și ultrasonice. Infrasonice sunt cele care au o frecvență mai mică de 20 Hz. Iar cele cu ultrasunete sunt cele care au o frecvență mai mare de 20.000 Hz (Fig. 3).

Orez. 3. Domenii de unde sonore

Fiecare persoană educată ar trebui să fie ghidată în gama de frecvență a undelor sonore și să știe că dacă merge la o ecografie, atunci imaginea de pe ecranul computerului va fi construită cu o frecvență de peste 20.000 Hz.

Ecografie - Acestea sunt unde mecanice asemănătoare undelor sonore, dar cu o frecvență de la 20 kHz la un miliard de herți.

Se numesc unde cu o frecvență mai mare de un miliard de herți hipersonic.

Ultrasunetele sunt folosite pentru a detecta defectele pieselor turnate. Un flux de semnale ultrasonice scurte este direcționat către piesa testată. În acele locuri în care nu există defecte, semnalele trec prin piesă fără a fi înregistrate de receptor.

Dacă există o fisură, cavitate de aer sau altă neomogenitate în piesă, atunci semnalul ultrasonic este reflectat din aceasta și, revenind, intră în receptor. O astfel de metodă se numește detectarea defectelor cu ultrasunete.

Alte exemple de utilizare a ultrasunetelor sunt aparatele cu ultrasunete, aparatele cu ultrasunete, terapia cu ultrasunete.

Infrasunete - unde mecanice asemănătoare undelor sonore, dar cu o frecvență mai mică de 20 Hz. Ele nu sunt percepute de urechea umană.

Sursele naturale de unde infrasonice sunt furtunile, tsunami-urile, cutremurele, uraganele, erupțiile vulcanice, furtunile.

Infrasunetele sunt, de asemenea, unde importante care sunt folosite pentru a vibra suprafața (de exemplu, pentru a distruge unele obiecte mari). Lansăm infrasunetele în sol - și solul este zdrobit. Unde se foloseste asta? De exemplu, în minele de diamante, unde preiau minereu care conține componente de diamant și îl zdrobesc în particule mici pentru a găsi aceste incluziuni de diamant (Fig. 4).

Orez. 4. Aplicarea infrasunetelor

Viteza sunetului depinde de condițiile de mediu și de temperatură (Fig. 5).

Orez. 5. Viteza de propagare a undelor sonore în diverse medii

Vă rugăm să rețineți: în aer, viteza sunetului este egală cu , în timp ce viteza crește cu . Dacă sunteți cercetător, atunci astfel de cunoștințe vă pot fi utile. Puteți chiar să veniți cu un fel de senzor de temperatură care va detecta discrepanțe de temperatură prin schimbarea vitezei sunetului în mediu. Știm deja că, cu cât mediul este mai dens, cu atât interacțiunea dintre particulele mediului este mai gravă, cu atât unda se propagă mai repede. Am discutat acest lucru în ultimul paragraf folosind exemplul de aer uscat și aer umed. Pentru apă, viteza de propagare a sunetului. Dacă creați o undă sonoră (ciocăniți pe un diapazon), atunci viteza de propagare a acesteia în apă va fi de 4 ori mai mare decât în ​​aer. Pe apă, informațiile vor ajunge de 4 ori mai repede decât pe calea aerului. Și chiar mai rapid în oțel: (Fig. 6).

Orez. 6. Viteza de propagare a unei unde sonore

Știți din epopeele pe care le folosea Ilya Muromets (și toți eroii și rușii obișnuiți și băieții din Consiliul Militar Revoluționar Găidar), au folosit o modalitate foarte interesantă de a detecta un obiect care se apropie, dar încă departe. Sunetul pe care îl scoate când se mișcă nu este încă audibil. Ilya Muromets, cu urechea la pământ, o aude. De ce? Deoarece sunetul este transmis pe teren solid cu o viteză mai mare, ceea ce înseamnă că va ajunge mai repede la urechea lui Ilya Muromets, iar el se va putea pregăti pentru a întâlni inamicul.

Cele mai interesante unde sonore sunt sunetele și zgomotele muzicale. Ce obiecte pot crea unde sonore? Dacă luăm o sursă de undă și un mediu elastic, dacă facem sursa de sunet să vibreze armonic, atunci vom avea o undă sonoră minunată, care se va numi sunet muzical. Aceste surse de unde sonore pot fi, de exemplu, corzile unei chitare sau ale unui pian. Aceasta poate fi o undă sonoră care este creată în golul conductei de aer (organ sau conductă). Din lecțiile de muzică știi notele: do, re, mi, fa, salt, la, si. În acustică se numesc tonuri (Fig. 7).

Orez. 7. Tonuri muzicale

Toate articolele care pot emite tonuri vor avea caracteristici. Cum diferă ele? Ele diferă în lungime de undă și frecvență. Dacă aceste unde sonore nu sunt create de corpuri care sună armonic sau nu sunt conectate într-o piesă orchestrală comună, atunci un astfel de număr de sunete va fi numit zgomot.

Zgomot- fluctuaţii aleatorii de natură fizică variată, caracterizate prin complexitatea structurii temporale şi spectrale. Conceptul de zgomot este cotidian și este fizic, ele sunt foarte asemănătoare și, prin urmare, îl introducem ca un obiect important de luat în considerare.

Să trecem la estimări cantitative ale undelor sonore. Care sunt caracteristicile undelor sonore muzicale? Aceste caracteristici se aplică exclusiv vibrațiilor armonice ale sunetului. Asa de, volumul sunetului. Ce determină volumul unui sunet? Luați în considerare propagarea unei unde sonore în timp sau oscilațiile unei surse de unde sonore (Fig. 8).

Orez. 8. Volumul sunetului

În același timp, dacă nu am adăugat mult sunet la sistem (apăsați ușor pe tasta pian, de exemplu), atunci va fi un sunet liniștit. Dacă cu voce tare, ridicând mâna sus, numim acest sunet apăsând tasta, vom obține un sunet puternic. De ce depinde? Sunetele silențioase au mai puține vibrații decât sunetele puternice.

Următoarea caracteristică importantă a sunetului muzical și a oricărei alte este înălţime. Ce determină înălțimea unui sunet? Tonul depinde de frecvență. Putem face sursa să oscileze frecvent sau o putem face să oscileze nu foarte repede (adică să facă mai puține oscilații pe unitatea de timp). Luați în considerare intervalul de timp al sunetului înalt și scăzut de aceeași amplitudine (Fig. 9).

Orez. 9. Pitch

Se poate trage o concluzie interesantă. Dacă o persoană cântă în bas, atunci sursa sa de sunet (acestea sunt corzile vocale) fluctuează de câteva ori mai lent decât cea a unei persoane care cântă soprană. În al doilea caz, corzile vocale vibrează mai des, prin urmare, mai des provoacă focare de compresie și rarefiere în propagarea undei.

Există o altă caracteristică interesantă a undelor sonore pe care fizicienii nu o studiază. Acest timbru. Cunoști și distingi cu ușurință aceeași piesă muzicală cântată la balalaika sau la violoncel. Care este diferența dintre aceste sunete sau această performanță? La începutul experimentului, le-am cerut persoanelor care produc sunete să le facă aproximativ aceeași amplitudine, astfel încât volumul sunetului să fie același. Este ca și în cazul unei orchestre: dacă nu este nevoie să scoți în evidență un instrument, toți cântă aproximativ la fel, cu aceeași forță. Deci timbrul balalaikei și al violoncelului este diferit. Dacă am desena sunetul care este extras dintr-un instrument, din altul, folosind diagrame, atunci acestea ar fi la fel. Dar puteți distinge cu ușurință aceste instrumente după sunetul lor.

Un alt exemplu al importanței timbrului. Imaginează-ți doi cântăreți care au absolvit aceeași școală de muzică cu aceiași profesori. Au studiat la fel de bine cu cinci. Din anumite motive, unul devine un interpret remarcabil, în timp ce celălalt este nemulțumit de cariera sa toată viața. De fapt, acest lucru este determinat numai de instrumentul lor, care provoacă doar vibrații ale vocii în mediu, adică vocile lor diferă ca timbru.

Bibliografie

1. Sokolovici Yu.A., Bogdanova G.S. Fizica: o carte de referință cu exemple de rezolvare a problemelor. - redistribuire ediția a 2-a. - X .: Vesta: editura „Ranok”, 2005. - 464 p.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizică. Clasa a 9-a: manual pentru învățământul general. instituții / A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. - Ed. a XIV-a, stereotip. - M.: Butard, 2009. - 300 p.

1. Portalul de internet „eduspb.com” ()
2. Portalul de internet „msk.edu.ua” ()
3. Portalul de internet „class-fizika.narod.ru” ()

Teme pentru acasă

1. Cum se propaga sunetul? Care poate fi sursa sunetului?
2. Poate sunetul să călătorească în spațiu?
3. Fiecare val care ajunge la urechea omului este perceput de el?

18 februarie 2016

Lumea divertismentului acasă este destul de variată și poate include: vizionarea unui film pe un sistem home theater bun; joc distractiv și captivant sau ascultând muzică. De regulă, fiecare găsește ceva propriu în acest domeniu sau combină totul deodată. Dar indiferent de obiectivele unei persoane în organizarea timpului liber și indiferent la ce extremă merge, toate aceste legături sunt strâns legate printr-un singur cuvânt simplu și ușor de înțeles - „sunet”. Într-adevăr, în toate aceste cazuri, vom fi conduși de mâner de coloana sonoră. Dar această întrebare nu este atât de simplă și trivială, mai ales în cazurile în care există dorința de a obține un sunet de înaltă calitate într-o cameră sau în orice alte condiții. Pentru a face acest lucru, nu este întotdeauna necesar să cumpărați componente hi-fi sau hi-end scumpe (deși va fi foarte util), dar o bună cunoaștere a teoriei fizice este suficientă, ceea ce poate elimina majoritatea problemelor care apar pentru toată lumea. care își propune să obțină actorie vocală de înaltă calitate.

În continuare, teoria sunetului și acustica va fi luată în considerare din punct de vedere al fizicii. În acest caz, voi încerca să o fac cât mai accesibilă pentru înțelegerea oricărei persoane care, poate, este departe de cunoașterea legilor sau formulelor fizice, dar totuși visează cu pasiune la realizarea visului de a crea o acustică perfectă. sistem. Nu am pretenția că pentru a obține rezultate bune în acest domeniu acasă (sau într-o mașină, de exemplu) trebuie să cunoașteți temeinic aceste teorii, totuși, înțelegerea elementelor de bază va evita multe greșeli stupide și absurde, precum și va permite tu pentru a obține efectul sonor maxim de la sistem.orice nivel.

Teoria generală a sunetului și terminologia muzicală

Ce este sunet? Aceasta este senzația pe care o percepe organul auditiv. "ureche"(fenomenul în sine există chiar și fără participarea „urechii” la proces, dar este mai ușor de înțeles în acest fel), care apare atunci când timpanul este excitat de o undă sonoră. În acest caz, urechea acționează ca un „receptor” al undelor sonore de diferite frecvențe.
Unda de sunet Este, de fapt, o serie secvențială de etanșări și evacuări ale mediului (cel mai adesea mediul aerian în condiții normale) de diferite frecvențe. Natura undelor sonore este oscilativă, cauzată și produsă de vibrația oricăror corpuri. Apariția și propagarea unei unde sonore clasice este posibilă în trei medii elastice: gazos, lichid și solid. Atunci când o undă sonoră apare într-unul dintre aceste tipuri de spațiu, unele modificări apar inevitabil în mediul însuși, de exemplu, o schimbare a densității sau presiunii aerului, mișcarea particulelor de mase de aer etc.

Deoarece unda sonoră are o natură oscilativă, are o caracteristică precum frecvența. Frecvență măsurată în herți (în onoarea fizicianului german Heinrich Rudolf Hertz) și denotă numărul de vibrații pe o perioadă de timp egală cu o secundă. Acestea. de exemplu, o frecvență de 20 Hz înseamnă un ciclu de 20 de oscilații într-o secundă. Conceptul subiectiv al înălțimii sale depinde și de frecvența sunetului. Cu cât se produc mai multe vibrații sonore pe secundă, cu atât sunetul pare „mai înalt”. Unda sonoră are și o altă caracteristică importantă, care are un nume - lungimea de undă. Lungime de undă Se obișnuiește să se ia în considerare distanța pe care o parcurge un sunet de o anumită frecvență într-o perioadă egală cu o secundă. De exemplu, lungimea de undă a celui mai mic sunet din domeniul audibil uman la 20 Hz este de 16,5 metri, iar lungimea de undă a celui mai înalt sunet la 20.000 Hz este de 1,7 centimetri.

Urechea umană este concepută astfel încât să poată percepe undele doar într-un interval limitat, aproximativ 20 Hz - 20.000 Hz (în funcție de caracteristicile unei anumite persoane, cineva este capabil să audă puțin mai mult, cineva mai puțin) . Astfel, asta nu înseamnă că sunetele sub sau deasupra acestor frecvențe nu există, pur și simplu nu sunt percepute de urechea umană, trecând dincolo de intervalul audibil. Se numește sunetul peste intervalul audibil ecografie, se apelează sunetul sub intervalul audibil infrasunete. Unele animale sunt capabile să perceapă sunete ultra și infra, unele chiar folosesc acest interval pentru orientarea în spațiu (lilieci, delfini). Dacă sunetul trece printr-un mediu care nu intră direct în contact cu organul auditiv uman, atunci este posibil ca un astfel de sunet să nu fie auzit sau să fie foarte slăbit ulterior.

În terminologia muzicală a sunetului, există denumiri atât de importante precum octava, tonul și tonul sunetului. Octavăînseamnă un interval în care raportul de frecvențe dintre sunete este de 1 la 2. O octavă este de obicei foarte audibilă, în timp ce sunetele din acest interval pot fi foarte asemănătoare între ele. O octava poate fi numita si un sunet care produce de doua ori mai multe vibratii decat un alt sunet in aceeasi perioada de timp. De exemplu, o frecvență de 800 Hz nu este altceva decât o octavă mai mare de 400 Hz, iar o frecvență de 400 Hz este, la rândul său, următoarea octavă de sunet cu o frecvență de 200 Hz. O octavă este formată din tonuri și tonuri. Oscilațiile variabile într-o undă sonoră armonică de o frecvență sunt percepute de urechea umană ca tonul muzical. Vibrațiile de înaltă frecvență pot fi interpretate ca sunete înalte, vibrațiile de joasă frecvență ca sunete joase. Urechea umană este capabilă să distingă clar sunetele cu o diferență de un ton (în intervalul de până la 4000 Hz). În ciuda acestui fapt, un număr extrem de mic de tonuri sunt folosite în muzică. Acest lucru este explicat din considerente ale principiului consonanței armonice, totul se bazează pe principiul octavelor.

Luați în considerare teoria tonurilor muzicale folosind exemplul unei coarde întinse într-un anumit mod. Un astfel de șir, în funcție de forța de tensiune, va fi „acordat” la o anumită frecvență. Când acest șir este expus la ceva cu o forță specifică, care îl va face să vibreze, un anumit ton de sunet va fi observat în mod constant, vom auzi frecvența de acordare dorită. Acest sunet se numește tonul fundamental. Pentru tonul principal din domeniul muzical, se acceptă oficial frecvența notei „la” a primei octave, egală cu 440 Hz. Cu toate acestea, cele mai multe instrumente muzicale nu reproduc niciodată tonuri fundamentale pure; ele sunt în mod inevitabil însoțite de armături numite acorduri. Aici este oportun să amintim o definiție importantă a acusticii muzicale, conceptul de timbru sonor. Timbru- aceasta este o caracteristică a sunetelor muzicale care conferă instrumentelor muzicale și vocilor specificitatea lor unică, recunoscută, de sunet, chiar și atunci când se compară sunete de aceeași înălțime și volum. Timbrul fiecărui instrument muzical depinde de distribuția energiei sonore peste tonuri în momentul în care sunetul apare.

Hartonurile formează o culoare specifică a tonului fundamental, prin care putem identifica și recunoaște cu ușurință un anumit instrument, precum și să distingem clar sunetul acestuia de un alt instrument. Există două tipuri de tonuri: armonice și non-armonice. Tonuri armonice sunt, prin definiție, multipli ai frecvenței fundamentale. Dimpotrivă, dacă tonurile nu sunt multiple și se abat semnificativ de la valori, atunci ele se numesc nearmonic. În muzică este practic exclusă operarea armăturilor non-multiple, prin urmare termenul se reduce la conceptul de „harmonic”, adică armonic. Pentru unele instrumente, de exemplu, pianul, tonul principal nici măcar nu are timp să se formeze, într-o perioadă scurtă energia sonoră a harmonicelor crește, iar apoi declinul are loc la fel de rapid. Multe instrumente creează un așa-numit efect de „ton de tranziție”, atunci când energia anumitor tonuri este maximă la un anumit moment în timp, de obicei chiar la început, dar apoi se schimbă brusc și trece la alte tonuri. Gama de frecvență a fiecărui instrument poate fi considerată separat și este de obicei limitată de frecvențele tonurilor fundamentale pe care acest instrument special este capabil să le reproducă.

În teoria sunetului există și un astfel de lucru precum ZGOMOTUL. Zgomot- acesta este orice sunet care este creat de o combinație de surse care sunt inconsecvente între ele. Toată lumea este conștientă de zgomotul frunzelor copacilor, legănat de vânt etc.

Ce determină volumul sunetului? Este evident că un astfel de fenomen depinde direct de cantitatea de energie transportată de unda sonoră. Pentru a determina indicatorii cantitativi ai zgomotului, există un concept - intensitatea sunetului. Intensitatea sunetului este definit ca fluxul de energie care trece printr-o zonă a spațiului (de exemplu, cm2) pe unitatea de timp (de exemplu, pe secundă). Într-o conversație normală, intensitatea este de aproximativ 9 sau 10 W/cm2. Urechea umană este capabilă să perceapă sunete cu o gamă destul de largă de sensibilitate, în timp ce susceptibilitatea frecvențelor nu este uniformă în spectrul sonor. Deci, cel mai bine perceput interval de frecvență este 1000 Hz - 4000 Hz, care acoperă cel mai larg vorbirea umană.

Deoarece sunetele variază atât de mult ca intensitate, este mai convenabil să ne gândim la el ca o valoare logaritmică și să o măsuram în decibeli (după omul de știință scoțian Alexander Graham Bell). Pragul inferior al sensibilității auditive a urechii umane este de 0 dB, cel superior de 120 dB, fiind numit și „pragul durerii”. Limita superioară a sensibilității nu este, de asemenea, percepută de urechea umană în același mod, ci depinde de frecvența specifică. Sunetele de joasă frecvență trebuie să aibă o intensitate mult mai mare decât frecvențele înalte pentru a provoca un prag de durere. De exemplu, pragul durerii la o frecvență joasă de 31,5 Hz apare la un nivel de intensitate a sunetului de 135 dB, când la o frecvență de 2000 Hz senzația de durere apare deja la 112 dB. Există și conceptul de presiune sonoră, care extinde de fapt explicația obișnuită pentru propagarea unei unde sonore în aer. Presiunea sonoră- aceasta este o suprapresiune variabila care apare intr-un mediu elastic ca urmare a trecerii unei unde sonore prin acesta.

Natura ondulatorie a sunetului

Pentru a înțelege mai bine sistemul de generare a undelor sonore, imaginați-vă un difuzor clasic situat într-un tub plin cu aer. Dacă difuzorul face o mișcare bruscă înainte, atunci aerul din imediata vecinătate a difuzorului este comprimat pentru un moment. După aceea, aerul se va extinde, împingând astfel regiunea de aer comprimat de-a lungul țevii.
Este această mișcare a undei care va fi ulterior sunetul când ajunge la organul auditiv și „excită” timpanul. Când apare o undă sonoră într-un gaz, se creează o presiune și densitate în exces, iar particulele se mișcă cu o viteză constantă. Despre undele sonore, este important să ne amintim faptul că substanța nu se mișcă odată cu unda sonoră, ci are loc doar o perturbare temporară a maselor de aer.

Dacă ne imaginăm un piston suspendat în spațiu liber pe un arc și făcând mișcări repetate „înainte și înapoi”, atunci astfel de oscilații vor fi numite armonice sau sinusoidale (dacă reprezentăm unda sub forma unui grafic, atunci în acest caz obținem o undă sinusoidală pură cu urcușuri și coborâșuri repetate). Dacă ne imaginăm un difuzor într-o țeavă (ca în exemplul descris mai sus), care efectuează oscilații armonice, atunci în momentul în care difuzorul se mișcă „înainte”, se obține efectul deja cunoscut al compresiei aerului, iar atunci când difuzorul se mișcă „înapoi” , se obține efectul invers al rarefării. În acest caz, un val de compresii alternative și rarefacție se va propaga prin conductă. Se va numi distanța de-a lungul conductei dintre maximele sau minimele (fazele) adiacente lungime de undă. Dacă particulele oscilează paralel cu direcția de propagare a undei, atunci unda se numește longitudinal. Dacă ele oscilează perpendicular pe direcția de propagare, atunci se numește unda transversal. De obicei, undele sonore în gaze și lichide sunt longitudinale, în timp ce în solide pot apărea unde de ambele tipuri. Undele transversale în solide apar din cauza rezistenței la schimbarea formei. Principala diferență dintre aceste două tipuri de unde este că o undă transversală are proprietatea de polarizare (oscilațiile au loc într-un anumit plan), în timp ce o undă longitudinală nu o are.

Viteza sunetului

Viteza sunetului depinde direct de caracteristicile mediului în care se propagă. Este determinată (dependentă) de două proprietăți ale mediului: elasticitatea și densitatea materialului. Viteza sunetului în solide, respectiv, depinde direct de tipul de material și de proprietățile acestuia. Viteza în mediile gazoase depinde doar de un singur tip de deformare a mediului: compresie-rarefacție. Modificarea presiunii într-o undă sonoră are loc fără schimb de căldură cu particulele din jur și se numește adiabatică.
Viteza sunetului într-un gaz depinde în principal de temperatură - crește odată cu creșterea temperaturii și scade odată cu scăderea. De asemenea, viteza sunetului într-un mediu gazos depinde de dimensiunea și masa moleculelor de gaz în sine - cu cât masa și dimensiunea particulelor sunt mai mici, cu atât „conductivitatea” undei este mai mare și, respectiv, viteza este mai mare.

În mediile lichide și solide, principiul de propagare și viteza sunetului sunt similare cu modul în care o undă se propagă în aer: prin compresie-descărcare. Dar în aceste medii, pe lângă aceeași dependență de temperatură, densitatea mediului și compoziția/structura acestuia sunt destul de importante. Cu cât densitatea substanței este mai mică, cu atât viteza sunetului este mai mare și invers. Dependența de compoziția mediului este mai complicată și este determinată în fiecare caz specific, ținând cont de localizarea și interacțiunea moleculelor/atomilor.

Viteza sunetului în aer la t, °C 20: 343 m/s
Viteza sunetului în apa distilată la t, °C 20: 1481 m/s
Viteza sunetului în oțel la t, °C 20: 5000 m/s

Unde stătătoare și interferențe

Când un difuzor creează unde sonore într-un spațiu restrâns, are loc inevitabil efectul reflectării undelor de la granițe. Drept urmare, cel mai adesea efect de interferență- când două sau mai multe unde sonore sunt suprapuse una peste alta. Cazuri speciale ale fenomenului de interferență sunt formarea de: 1) unde bătătoare sau 2) unde stătătoare. Bataia valurilor- este cazul când există un adaos de unde cu frecvențe și amplitudini apropiate. Modelul de apariție a bătăilor: când două valuri similare ca frecvență sunt suprapuse una peste alta. La un moment dat, cu o astfel de suprapunere, vârfurile de amplitudine pot coincide „în fază” și, de asemenea, recesiunile în „antifază” pot coincide. Așa sunt caracterizate bătăile sonore. Este important de reținut că, spre deosebire de undele staționare, coincidențele de fază ale vârfurilor nu apar în mod constant, ci la anumite intervale de timp. După ureche, un astfel de model de bătăi diferă destul de clar și este auzit ca o creștere periodică și, respectiv, o scădere a volumului. Mecanismul de apariție a acestui efect este extrem de simplu: în momentul coincidenței vârfurilor volumul crește, în momentul coincidenței recesiunilor volumul scade.

valuri stătătoare apar în cazul suprapunerii a două unde de aceeași amplitudine, fază și frecvență, atunci când astfel de unde „se întâlnesc” una se mișcă în direcția înainte, iar cealaltă în direcția opusă. În zona spațiului (unde s-a format o undă staționară), apare o imagine de suprapunere a două amplitudini de frecvență, cu maxime alternând (așa-numitele antinoduri) și minime (așa-numitele noduri). Când apare acest fenomen, frecvența, faza și coeficientul de atenuare al undei la locul de reflexie sunt extrem de importante. Spre deosebire de undele care călătoresc, nu există transfer de energie într-o undă staționară datorită faptului că undele înainte și înapoi care formează această undă transportă energie în cantități egale în direcții înainte și opuse. Pentru o înțelegere vizuală a apariției unui val staționar, să ne imaginăm un exemplu din acustica casei. Să presupunem că avem difuzoare pe podea într-un spațiu limitat (cameră). După ce i-a făcut să cânte o melodie cu mult bas, să încercăm să schimbăm locația ascultătorului în cameră. Astfel, ascultătorul, ajungând în zona de minim (scădere) a undei staționare, va simți efectul că basul a devenit foarte mic, iar dacă ascultătorul intră în zona de maxim (adăugare) frecvențe, atunci opusul. se obține efectul unei creșteri semnificative a regiunii basului. În acest caz, efectul este observat în toate octavele frecvenței de bază. De exemplu, dacă frecvența de bază este de 440 Hz, atunci fenomenul de „adunare” sau „scădere” va fi observat și la frecvențe de 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz etc.

Fenomen de rezonanță

Majoritatea solidelor au propria lor frecvență de rezonanță. Pentru a înțelege acest efect este destul de simplu pe exemplul unei țevi convenționale, deschisă doar la un capăt. Să ne imaginăm o situație în care un difuzor este conectat de la celălalt capăt al conductei, care poate reda o frecvență constantă, poate fi, de asemenea, schimbată mai târziu. Acum, o țeavă are propria frecvență de rezonanță, în termeni simpli, aceasta este frecvența la care țeava „rezonează” sau își scoate propriul sunet. Dacă frecvența difuzorului (ca urmare a ajustării) coincide cu frecvența de rezonanță a conductei, atunci va exista un efect de creștere a volumului de mai multe ori. Acest lucru se datorează faptului că difuzorul excită vibrațiile coloanei de aer din conductă cu o amplitudine semnificativă până când se găsește aceeași „frecvență de rezonanță” și apare efectul de adăugare. Fenomenul rezultat poate fi descris după cum urmează: conducta din acest exemplu „ajută” difuzorul rezonând la o anumită frecvență, eforturile acestora se adună și „se revarsă” într-un efect sonor puternic. Pe exemplul instrumentelor muzicale, acest fenomen este ușor de urmărit, deoarece designul majorității conține elemente numite rezonatoare. Nu este greu de ghicit ce servește scopului de a amplifica o anumită frecvență sau ton muzical. De exemplu: un corp de chitară cu un rezonator sub formă de orificiu, asortat cu volumul; Proiectarea țevii la flaut (și a tuturor țevilor în general); Forma cilindrică a corpului tamburului, care în sine este un rezonator cu o anumită frecvență.

Spectrul de frecvență al sunetului și răspunsul în frecvență

Deoarece în practică nu există practic unde de aceeași frecvență, devine necesară descompunerea întregului spectru sonor al gamei audibile în tonuri sau armonice. În aceste scopuri, există grafice care arată dependența energiei relative a vibrațiilor sonore de frecvență. Un astfel de grafic se numește grafic spectru de frecvență a sunetului. Spectrul de frecvență al sunetului Există două tipuri: discrete și continue. Graficul spectrului discret afișează frecvențele individual, separate prin spații goale. În spectrul continuu, toate frecvențele sonore sunt prezente simultan.
În cazul muzicii sau acusticii, cel mai des este folosit programul obișnuit. Caracteristici de vârf la frecvență(prescurtat „AFC”). Acest grafic arată dependența amplitudinii vibrațiilor sonore de frecvență pe întregul spectru de frecvență (20 Hz - 20 kHz). Privind la un astfel de grafic, este ușor de înțeles, de exemplu, punctele forte sau punctele slabe ale unui anumit difuzor sau ale unui sistem de difuzoare în ansamblu, cele mai puternice zone de întoarcere a energiei, scăderi și creșteri ale frecvenței, atenuare, precum și urmărirea abruptul declinului.

Propagarea undelor sonore, fază și antifază

Procesul de propagare a undelor sonore are loc în toate direcțiile de la sursă. Cel mai simplu exemplu pentru înțelegerea acestui fenomen: o pietricică aruncată în apă.
Din locul în care a căzut piatra, valurile încep să diverge pe suprafața apei în toate direcțiile. Cu toate acestea, să ne imaginăm o situație folosind un difuzor la un anumit volum, să spunem o cutie închisă, care este conectată la un amplificator și redă un fel de semnal muzical. Este ușor de observat (mai ales dacă dați un semnal puternic de joasă frecvență, cum ar fi o tobă), că difuzorul face o mișcare rapidă „înainte”, iar apoi aceeași mișcare rapidă „înapoi”. Rămâne de înțeles că atunci când difuzorul se deplasează înainte, emite o undă sonoră, pe care o auzim ulterior. Dar ce se întâmplă când difuzorul se mișcă înapoi? Dar, paradoxal, se întâmplă același lucru, difuzorul scoate același sunet, doar că se propagă în exemplul nostru în întregime în volumul cutiei, fără a trece dincolo de el (cutia este închisă). În general, în exemplul de mai sus, se pot observa destul de multe fenomene fizice interesante, dintre care cel mai semnificativ este conceptul de fază.

Unda sonoră pe care difuzorul, fiind în volum, o radiază în direcția ascultătorului – este „în fază”. Unda inversă, care intră în volumul cutiei, va fi în mod corespunzător antifază. Rămâne doar să înțelegem ce înseamnă aceste concepte? Faza semnalului- acesta este nivelul presiunii acustice la momentul curent la un punct din spațiu. Faza este cel mai ușor de înțeles prin exemplul redării materialului muzical de către o pereche stereo convențională de difuzoare de acasă. Să ne imaginăm că două astfel de difuzoare pe podea sunt instalate într-o anumită cameră și se joacă. Ambele difuzoare reproduc în acest caz un semnal variabil de presiune sonoră sincronă, în plus, presiunea sonoră a unui difuzor se adaugă la presiunea sonoră a celuilalt difuzor. Un efect similar apare datorită sincronismului reproducerii semnalului difuzoarelor din stânga și din dreapta, respectiv, cu alte cuvinte, vârfurile și văile undelor emise de difuzoarele din stânga și din dreapta coincid.

Acum să ne imaginăm că presiunile sonore încă se schimbă în același mod (nu s-au schimbat), dar acum sunt opuse una față de cealaltă. Acest lucru se poate întâmpla dacă conectați unul dintre cele două difuzoare în polaritate inversă cablu ("+" de la amplificator la terminalul "-" al sistemului de difuzoare și cablul "-" de la amplificator la terminalul "+" al difuzorului. sistem). În acest caz, semnalul opus în direcție va provoca o diferență de presiune, care poate fi reprezentată ca numere, după cum urmează: difuzorul din stânga va crea o presiune de „1 Pa”, iar difuzorul din dreapta va crea o presiune de „minus 1 Pa”. ". Ca rezultat, volumul total al sunetului la poziția ascultătorului va fi egal cu zero. Acest fenomen se numește antifază. Dacă luăm în considerare exemplul mai detaliat pentru înțelegere, se dovedește că două dinamice care se joacă „în fază” creează aceleași zone de compresie și rarefacție a aerului, care de fapt se ajută reciproc. În cazul unei antifaze idealizate, zona de compactare a spațiului aerian creată de un difuzor va fi însoțită de o zonă de rarefiere a spațiului aerian creat de al doilea difuzor. Arată aproximativ ca fenomenul de amortizare sincronă reciprocă a undelor. Adevărat, în practică, volumul nu scade la zero și vom auzi un sunet puternic distorsionat și atenuat.

În cel mai accesibil mod, acest fenomen poate fi descris astfel: două semnale cu aceleași oscilații (frecvență), dar deplasate în timp. Având în vedere acest lucru, este mai convenabil să se reprezinte aceste fenomene de deplasare folosind exemplul ceasurilor rotunde obișnuite. Să ne imaginăm că pe perete atârnă mai multe ceasuri rotunde identice. Când secundele acestor ceasuri rulează sincronizate, 30 de secunde pe un ceas și 30 de secunde pe celălalt, atunci acesta este un exemplu de semnal care este în fază. Dacă secundele rulează cu o schimbare, dar viteza este în continuare aceeași, de exemplu, pe un ceas 30 de secunde, iar pe celălalt 24 de secunde, atunci acesta este un exemplu clasic de schimbare de fază (schimbare). În același mod, faza este măsurată în grade, în cadrul unui cerc virtual. În acest caz, atunci când semnalele sunt deplasate unul față de celălalt cu 180 de grade (jumătate de perioadă), se obține o antifază clasică. Adesea, în practică, există schimbări minore de fază, care pot fi, de asemenea, determinate în grade și eliminate cu succes.

Undele sunt plate și sferice. Un front de undă plat se propagă într-o singură direcție și este rar întâlnit în practică. Un front de undă sferic este un tip simplu de undă care radiază dintr-un singur punct și se propagă în toate direcțiile. Undele sonore au proprietatea difracţie, adică capacitatea de a evita obstacolele și obiectele. Gradul de anvelopă depinde de raportul dintre lungimea undei sonore și dimensiunile obstacolului sau găurii. Difracția apare și atunci când există un obstacol în calea sunetului. În acest caz, sunt posibile două scenarii: 1) Dacă dimensiunile obstacolului sunt mult mai mari decât lungimea de undă, atunci sunetul este reflectat sau absorbit (în funcție de gradul de absorbție a materialului, grosimea obstacolului etc. ), iar în spatele obstacolului se formează o zonă de „umbră acustică”. 2) Dacă dimensiunile obstacolului sunt comparabile cu lungimea de undă sau chiar mai mici decât aceasta, atunci sunetul difractează într-o oarecare măsură în toate direcțiile. Dacă o undă sonoră, când se deplasează într-un mediu, lovește interfața cu un alt mediu (de exemplu, un mediu aerian cu un mediu solid), atunci pot apărea trei scenarii: 1) unda va fi reflectată de interfață 2) unda poate trece într-un alt mediu fără a schimba direcția 3) o undă poate trece în alt mediu cu o schimbare de direcție la limită, aceasta se numește „refracția undei”.

Raportul dintre presiunea în exces a unei unde sonore și viteza volumetrică oscilativă se numește impedanța undei. Cu cuvinte simple, rezistența la val a mediului poate fi numită capacitatea de a absorbi undele sonore sau de a le „rezist”. Coeficienții de reflexie și transmisie depind direct de raportul impedanțelor de undă ale celor două medii. Rezistența undelor într-un mediu gazos este mult mai mică decât în ​​apă sau solide. Prin urmare, dacă o undă sonoră în aer este incidentă pe un obiect solid sau pe suprafața apei adânci, atunci sunetul este fie reflectat de la suprafață, fie absorbit în mare măsură. Depinde de grosimea suprafeței (apă sau solid) pe care cade unda sonoră dorită. Cu o grosime redusă a unui mediu solid sau lichid, undele sonore aproape complet „trec”, și invers, cu o grosime mare a mediului, undele sunt mai des reflectate. În cazul reflectării undelor sonore, acest proces are loc conform unei legi fizice binecunoscute: „Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie”. În acest caz, când o undă dintr-un mediu cu o densitate mai mică lovește limita cu un mediu cu densitate mai mare, fenomenul are loc refracţie. Constă în îndoirea (refracția) a unei unde sonore după „întâlnirea” cu un obstacol și este însoțită în mod necesar de o schimbare a vitezei. Refracția depinde și de temperatura mediului în care are loc reflexia.

În procesul de propagare a undelor sonore în spațiu, intensitatea acestora scade inevitabil, putem spune atenuarea undelor și slăbirea sunetului. În practică, este destul de simplu să întâlnești un astfel de efect: de exemplu, dacă doi oameni stau pe un câmp la o distanță apropiată (un metru sau mai aproape) și încep să vorbească între ei. Dacă ulterior măriți distanța dintre oameni (dacă încep să se îndepărteze unul de celălalt), același nivel de volum al conversației va deveni din ce în ce mai puțin audibil. Un exemplu similar demonstrează clar fenomenul de reducere a intensității undelor sonore. De ce se întâmplă asta? Motivul pentru aceasta este diferitele procese de transfer de căldură, interacțiune moleculară și frecare internă a undelor sonore. Cel mai adesea, în practică, are loc conversia energiei sonore în energie termică. Astfel de procese apar inevitabil în oricare dintre cele 3 medii de propagare a sunetului și pot fi caracterizate ca absorbția undelor sonore.

Intensitatea și gradul de absorbție a undelor sonore depind de mulți factori, cum ar fi presiunea și temperatura mediului. De asemenea, absorbția depinde de frecvența specifică a sunetului. Când o undă sonoră se propagă în lichide sau gaze, există un efect de frecare între diferite particule, care se numește vâscozitate. Ca urmare a acestei frecări la nivel molecular are loc procesul de transformare a undei din sunet în termic. Cu alte cuvinte, cu cât conductivitatea termică a mediului este mai mare, cu atât gradul de absorbție a undelor este mai scăzut. Absorbția sunetului în mediile gazoase depinde și de presiune (presiunea atmosferică se modifică odată cu creșterea altitudinii în raport cu nivelul mării). În ceea ce privește dependența gradului de absorbție de frecvența sunetului, ținând cont de dependențele de mai sus ale vâscozității și conductivității termice, absorbția sunetului este cu atât mai mare, cu atât frecvența acestuia este mai mare. De exemplu, la temperatură și presiune normale, în aer, absorbția unei unde cu o frecvență de 5000 Hz este de 3 dB/km, iar absorbția unei unde cu o frecvență de 50.000 Hz va fi deja de 300 dB/m.

În mediile solide, toate dependențele de mai sus (conductivitatea termică și vâscozitatea) sunt păstrate, dar la aceasta se mai adaugă câteva condiții. Ele sunt asociate cu structura moleculară a materialelor solide, care pot fi diferite, cu propriile neomogenități. În funcție de această structură moleculară solidă internă, absorbția undelor sonore în acest caz poate fi diferită și depinde de tipul de material particular. Când sunetul trece printr-un corp solid, unda suferă o serie de transformări și distorsiuni, ceea ce duce cel mai adesea la împrăștiere și absorbție a energiei sonore. La nivel molecular, efectul dislocațiilor poate apărea, atunci când o undă sonoră determină o deplasare a planurilor atomice, care apoi revin la poziția inițială. Or, mișcarea luxațiilor duce la o coliziune cu luxațiile perpendiculare pe acestea sau cu defecte ale structurii cristaline, ceea ce determină decelerația acestora și, ca urmare, o oarecare absorbție a undei sonore. Cu toate acestea, unda sonoră poate rezona și cu aceste defecte, ceea ce va duce la distorsiunea undei originale. Energia unei unde sonore în momentul interacțiunii cu elementele structurii moleculare a materialului este disipată ca urmare a proceselor de frecare internă.

Voi încerca să analizez caracteristicile percepției auditive umane și unele dintre subtilitățile și caracteristicile propagării sunetului.

Tunetele, muzica, sunetul surfului, vorbirea umană și tot ce auzim este sunet. Ce este „sunetul”?

Sursa imagine: pixabay.com

De fapt, tot ceea ce suntem obișnuiți să considerăm sunet este doar una dintre varietățile de vibrații (de aer) pe care creierul și organele noastre le pot percepe.

Care este natura sunetului

Toate sunetele propagate în aer sunt vibrații ale unei unde sonore. Apare prin vibrația unui obiect și se abate de la sursa lui în toate direcțiile. Obiectul oscilant comprimă moleculele din mediul înconjurător și apoi creează o atmosferă rarefiată, determinând ca moleculele să se respingă reciproc din ce în ce mai departe. Astfel, modificările presiunii aerului se propagă departe de obiect, moleculele înseși rămân în aceeași poziție pentru ele însele.

Impactul undelor sonore asupra timpanului. Sursa imagine: prd.go.th

Pe măsură ce unda sonoră se propagă prin spațiu, aceasta sare în obiectele din calea sa, creând schimbări în aerul înconjurător. Când aceste modificări ajung la ureche și afectează timpanul, terminațiile nervoase trimit un semnal creierului, iar tu percepi aceste vibrații ca sunet.

Principalele caracteristici ale undei sonore

Cea mai simplă formă de undă sonoră este unda sinusoidală. Undele sinusoidale pure sunt rare în natură, dar cu ele ar trebui să începeți să studiați fizica sunetului, deoarece orice sunet poate fi descompus într-o combinație de unde sinusoidale.

Unda sinusoidală demonstrează clar cele trei criterii fizice de bază ale sunetului - frecvență, amplitudine și fază.

Frecvență

Cu cât frecvența de oscilație este mai mică, cu atât sunetul este mai scăzut.Sursa imagine: ReasonGuide.Ru

Frecvența este o valoare care caracterizează numărul de oscilații pe secundă. Se măsoară în numărul de perioade de oscilație sau în herți (Hz). Urechea umană poate percepe sunetul în intervalul de la 20 Hz (frecvență joasă) la 20 kHz (frecvență înaltă). Sunetele peste acest interval se numesc ultrasunete, iar dedesubt - infrasunete și nu sunt percepute de organele auzului uman.

Amplitudine

Cu cât amplitudinea undei sonore este mai mare, cu atât sunetul este mai puternic.

Conceptul de amplitudine (sau intensitate) a unei unde sonore se referă la puterea sunetului, pe care organele auzului uman o percep ca volumul sau volumul sunetului. Oamenii pot percepe o gamă destul de largă de volume de sunet: de la un robinet care picură într-un apartament liniștit până la muzică la un concert. Intensitatea este măsurată folosind fonometre (indicatori în decibeli), care folosesc o scară logaritmică pentru a face măsurătorile mai convenabile.

Faza undei sonore

Fazele unei unde sonore. Sursa imagine: Muz-Flame.ru

Folosit pentru a descrie proprietățile a două unde sonore. Dacă două unde au aceeași amplitudine și frecvență, atunci se spune că cele două unde sonore sunt în fază. Faza este măsurată de la 0 la 360, unde 0 este o valoare care indică faptul că cele două unde sonore sunt sincrone (în fază) și 180 este o valoare care indică undele sunt opuse una față de alta (defazată). Când două unde sonore sunt în fază, cele două sunete se suprapun, iar semnalele se întăresc reciproc. Atunci când două semnale care nu se potrivesc ca amplitudine sunt combinate, semnalele sunt suprimate din cauza diferenței de presiune, ceea ce duce la un rezultat zero, adică sunetul dispare. Acest fenomen este cunoscut sub numele de „suprimare de fază”.

Atunci când combinați două semnale audio identice - suprimarea fazelor poate fi o problemă serioasă, precum și o mare pacoste este combinarea undei sonore originale cu unda reflectată de suprafețele din camera acustică. De exemplu, atunci când canalele stânga și dreapta ale unui mixer stereo sunt combinate pentru a produce o înregistrare armonioasă, semnalul poate suferi de anularea fazei.

Ce este un decibel?

Decibelii măsoară nivelul presiunii sonore sau al tensiunii electrice. Aceasta este o unitate care arată raportul dintre două cantități diferite unul față de celălalt. Bel (numit după omul de știință american Alexander Bell) este un logaritm zecimal care reflectă raportul dintre două semnale diferite unul față de celălalt. Aceasta înseamnă că pentru fiecare bela succesivă pe scară, semnalul primit este de zece ori mai puternic. De exemplu, presiunea sonoră a unui sunet puternic este de miliarde de ori mai mare decât cea a unui sunet liniștit. Pentru a afișa valori atât de mari, au început să folosească valoarea relativă a decibelilor (dB) - în timp ce 1.000.000.000 este 109, sau pur și simplu 9. Adoptarea acestei valori de către fizicienii acustici a făcut posibil să se lucreze cu numere uriașe mai convenabil. .

Scala de volum pentru diverse sunete. Sursa imagine: Nauet.ru

În practică, se dovedește că bel-ul este o unitate prea mare pentru a măsura nivelul sunetului, așa că a fost folosit în schimb decibelul, care este o zecime de bel. Nu se poate spune că folosirea decibelilor în loc de bels este ca și cum ai folosi, să zicem, centimetri în loc de metri pentru a indica mărimea pantofilor, bels și decibeli sunt valori relative.

Din cele de mai sus, este clar că nivelul sunetului este de obicei măsurat în decibeli. Unele standarde de nivel sonor au fost folosite în acustică de mulți ani, de la momentul inventării telefonului, până în zilele noastre. Majoritatea acestor standarde sunt greu de aplicat în raport cu echipamentele moderne, ele fiind folosite doar pentru piese de echipamente învechite. Astăzi, echipamentele din studiourile de înregistrare și difuzare utilizează o astfel de unitate ca dBu (decibel raportat la nivelul de 0,775 V), iar în echipamentele de uz casnic - dBV (decibel, măsurat în raport cu nivelul de 1 V). Echipamentul audio digital utilizează dBFS (Decibel Full Scale) pentru a măsura puterea sunetului.

dBm– „m” înseamnă miliwați (mW), care este unitatea de măsură folosită pentru a reprezenta puterea electrică. Puterea ar trebui să se distingă de tensiunea electrică, deși cele două concepte sunt strâns legate între ele. Unitatea de măsură dBm a început să fie folosită în zorii introducerii comunicațiilor telefonice, astăzi este folosită și în echipamentele profesionale.

dBu- în acest caz, tensiunea este măsurată (în loc de putere) în raport cu nivelul de referință zero, 0,75 volți este considerat a fi nivelul de referință. În aplicațiile audio profesionale moderne, dBu a fost înlocuit cu dBm. Ca unitate de măsură în domeniul ingineriei audio, era mai convenabil să se folosească dBu în trecut, când era mai important să se ia în considerare puterea electrică, mai degrabă decât tensiunea acesteia, pentru a evalua nivelul semnalului.

dBV- această unitate de măsură se bazează și pe nivelul zero de referință (ca și în cazul dBu), cu toate acestea, 1 V este luat ca nivel de referință, ceea ce este mai convenabil decât cifra 0,775 V. Această unitate de măsură a sunetului este adesea folosită pentru echipamente audio casnice și semi-profesionale.

dBFS- Această estimare a nivelului semnalului este utilizată pe scară largă în audio digital și este foarte diferită de unitățile de măsură de mai sus. FS (full scale) este o scară completă, care este utilizată deoarece, spre deosebire de audio analog, care are o tensiune optimă, întreaga gamă de valori digitale este la fel de acceptabilă atunci când se lucrează cu un semnal digital. 0 dBFS este nivelul maxim posibil de audio digital care poate fi înregistrat fără distorsiuni. Standardele de măsurare analogice, cum ar fi dBu și dBV, nu au un spațiu liber peste 0 dBFS.

Daca ti-a placut articolul pune ca Și abonați-vă la canal POP științific . Rămâneți cu noi, prieteni! Urmează o mulțime de lucruri interesante!

Sunetul reprezintă vibrații mecanice care se propagă într-un mediu material elastic în principal sub formă de unde longitudinale.

În vid, sunetul nu se propagă, deoarece transmiterea sunetului necesită un mediu material și contact mecanic între particulele mediului material.

Sunetul se propagă în mediu sub formă de unde sonore. Undele sonore sunt vibrații mecanice care sunt transmise în mediu cu ajutorul particulelor sale condiționate. Sub particulele condiționate ale mediului înțelege microvolumele sale.

Principalele caracteristici fizice ale undei acustice:

1. Frecvența.

Frecvență unda sonoră este cantitatea egal cu numărul de oscilații complete pe unitatea de timp. Indicat prin simbol v (nud) și măsurat în herți. 1 Hz \u003d 1 număr / sec \u003d [ s -1 ].

Scara vibrațiilor sonore este împărțită în următoarele intervale de frecvență:

infrasunete (de la 0 la 16 Hz);

sunet audibil (de la 16 la 16.000 Hz);

Ultrasunete (peste 16.000 Hz).

Strâns legată de frecvența unei unde sonore este reciproca, perioada undei sonore. Perioadă Unda sonoră este timpul unei oscilații complete a particulelor mediului. Notat Tși se măsoară în secunde [s].

În funcție de direcția de oscilație a particulelor mediului care transportă unda sonoră, undele sonore sunt împărțite în:

· longitudinal;

transversal.

Pentru undele longitudinale, direcția de oscilație a particulelor mediului coincide cu direcția de propagare în mediu a unei unde sonore (Fig. 1).

Pentru undele transversale, direcțiile de vibrație ale particulelor mediului sunt perpendiculare pe direcția de propagare a undei sonore (Fig. 2).

Orez. 1 Fig. 2

Undele longitudinale se propagă în gaze, lichide și solide. Transversal - numai în solide.

3. Forma vibrațiilor.

În funcție de forma vibrațiilor, undele sonore sunt împărțite în:

· valuri simple;

unde complexe.

Graficul unei unde simple este o undă sinusoidală.

Un grafic de undă complex este orice curbă periodică nesinusoidală .

4. Lungimea de undă.

Lungime de undă - magnitudine, egală cu distanța pe care se propagă o undă sonoră într-un timp egal cu o perioadă. Este desemnată λ (lambda) și se măsoară în metri (m), centimetri (cm), milimetri (mm), micrometri (µm).

Lungimea de undă depinde de mediul în care se propagă sunetul.

5. Viteza unei unde sonore.

viteza undei sonore este viteza de propagare a sunetului într-un mediu cu o sursă de sunet staționară. Notat cu simbolul v, calculat prin formula:

Viteza unei unde sonore depinde de tipul de mediu și de temperatură. Cea mai mare viteză a sunetului în corpurile elastice solide, mai puțin - în lichide și cea mai mică - în gaze.

aer, presiunea atmosferică normală, temperatura - 20 grade, v = 342 m/s;

apa, temperatura 15-20 grade, v = 1500 m/s;

metale, v = 5000-10000 m/s.

Viteza sunetului în aer crește cu aproximativ 0,6 m/s cu o creștere a temperaturii cu 10 grade.