Dźwięk

Wyjaśniamy, jaki dźwięk, jego cechy, jak się pojawia i jakie są typy

Rysunek 1. Pęknięcie bariery dźwiękowej

Jaki jest dźwięk?

On dźwięk Jest zdefiniowany jako zakłócenie, które rozprzestrzenia się w medium takim jak powietrze, naprzemiennie wytwarza w nim uciski i rozszerzenia. Te zmiany ciśnienia i gęstości powietrza docierają do ucha i są interpretowane przez mózg jako odczucia słuchowe.

Dźwięki towarzyszą życiu od jego powstania, będąc częścią narzędzi, które zwierzęta muszą się ze sobą komunikować i z otoczeniem. Niektórzy mówią, że rośliny również słuchają, ale w każdym razie mogą postrzegać wibracje środowiska, nawet jeśli nie mają urządzeń słuchowych, takich jak wyższe zwierzęta.

Oprócz wykorzystywania dźwięku do komunikowania się poprzez mowę, ludzie używają go jako wyrażenia artystycznego poprzez muzykę. Wszystkie kultury, stare i niedawne, mają wszelkiego rodzaju muzyczne przejawy, przez które opowiadają ich historie, zwyczaje, przekonania religijne i uczucia.

Charakterystyka dźwięku (właściwości)

W najprostszej formie fala dźwiękowa można opisać jako falę sinusoidalną, rozprzestrzeniającą się w czasie i przestrzeni, taka jak ta, która jest niższa. Tam zaobserwowano, że fala jest okresowa, to znaczy ma formę powtarzaną w czasie.

Będąc falą wzdłużną, kierunek propagacji i kierunek, w którym wibrujące cząstki podłoża są takie same, są takie same.

Parametry fali dźwiękowej

Rysunek 2. Dźwięk jest falą wzdłużną, zakłócenia rozprzestrzenia się w tym samym kierunku, w którym cząsteczki doświadczają ich przemieszczenia. Źródło: Wikimedia Commons.

Parametry fali dźwiękowej to:

• T -period: To czas, aby powtórzyć fazę falową. W systemie międzynarodowym mierzy się w ciągu kilku sekund.
• Cykl: Jest to część fali zawartej w okresie i okładki od jednego punktu do drugiego, która ma tę samą wysokość i to samo nachylenie. Może to być od jednej doliny do drugiej, od jednego grzebienia do drugiego lub z dowolnego punktu do drugiego, który spełnia opisaną specyfikację.
• Długość fali λ: Jest to odległość między jednym grzebieniem a drugą fali, między jedną doliną a drugą lub ogólnie między jednym punktem a drugim z tą samą wysokością i oczekującymi. Bycie długością mierzy się w metrach, chociaż inne jednostki są bardziej odpowiednie w zależności od rodzaju fal.
• Częstotliwość f: Jest zdefiniowany jako liczba cykli na jednostkę czasu. Jego jednostką jest Hertz (HZ).
• Amplituda A: odpowiada maksymalnej wysokości fali w odniesieniu do osi poziomej.

Jak wytwarza i propaguje dźwięk?

Dźwięk występuje, gdy wibruje obiekt zanurzony w pożywce materialnej. W miarę rozprzestrzeniania się zakłóceń energia jest przenoszona do średnich cząsteczek, które oddziałują ze sobą, poprzez rozszerzenia i uciśnięcia. Materiały medium jest zawsze potrzebne do rozprzestrzeniania się dźwięku, czy to stałych, cieczy czy gazu.

Gdy zaburzenia powietrza docieka do ucha, zmiany ciśnienia powietrza sprawiają, że bębenkowy Viber. Powoduje to impulsy elektryczne przenoszone do mózgu przez nerw słuchowy, a gdy impulsy zostaną przetłumaczone na dźwięk.

Prędkość dźwięku

Szybkość fal mechanicznych w danym medium następuje po tej relacji:

Może ci służyć: dyfrakcja dźwięku: co to jest, przykłady, aplikacje

Dźwięk jest falą mechaniczną, dlatego prędkość dźwięku w medium będzie zależeć od tego, jak ściśliwa jest (właściwość elastyczna) i jak gęsta (właściwość bezwładności).

Na przykład podczas propagacji w gazie, takim jak powietrze, prędkość dźwięku można obliczyć jako:

Gdzie B jest modułem ściśliwości powietrza lub średniej i ρ jego gęstość. W powietrzu prędkość dźwięku wynosi 343 m/s, ale ta wartość, chociaż można ją uznać za stały dla wielu zastosowań, wpływają inne zmienne, takie jak temperatura.

Gdy temperatura wzrasta, prędkość dźwięku również robi, ponieważ cząsteczki średnie są bardziej skłonne do wibracji i przesyłania wibracji przez ich ruchy. Z drugiej strony presja nie wpływa na jego wartość.

Zależność między długością fali a częstotliwością

Widzieliśmy już, że czas potrzebny do ukończenia cyklu jest okres, podczas gdy odległość przebywająca w tym okresie jest równoważna długości fali. Dlatego prędkość V dźwięku jest zdefiniowana jako:

V = λ/t

Z drugiej strony częstotliwość i okres są powiązane, będąc odwrotnością drugiego, tak:

F = 1/t

Który prowadzi do:

v = λ.F

Słyszalny zakres częstotliwości u ludzi wynosi od 20 do 20.000 Hz, dlatego długość fali dźwięku wynosi od 1.7 cm i 17 m podczas wymiany wartości w poprzednim równaniu.

Te długości fali są wielkością wspólnych obiektów, które wpływają na propagację dźwięku, ponieważ będąc fala, doświadcza odbicia, refrakcji i dyfrakcji, gdy spotykasz przeszkody.

Eksperymentowanie dyfrakcji oznacza, że ​​na dźwięk ma wpływ, gdy działa z przeszkodami i otworami, których rozmiar jest podobny do jego lub mniejszej długości fali.

Ciężkie dźwięki mogą rozprzestrzeniać się lepiej na duże odległości, więc słonie używają infradonii (dźwięki o bardzo niskiej częstotliwości, niesłyszalne dla ludzkiego ucha) do komunikowania się przez ich rozległe terytoria.

Również gdy w pobliskim pokoju jest muzyka, niskie są słyszane lepiej niż te ostre, ponieważ ich długość fali jest mniej więcej podobna do wielkości drzwi i okien. Z drugiej strony, kiedy wychodzą z pokoju, ostre dźwięki są łatwo utracone i dlatego przestają słuchać.

Jak mierzy się dźwięk?

Dźwięk składa się z serii uciśnięć i rzadkich czynników powietrza, tak że podczas rozprzestrzeniania się dźwięk powoduje wzrost i zmniejsza ciśnienie. W systemie międzynarodowym ciśnienie jest mierzone w Pascal, który jest skrócony PA.

To się dzieje, że zmiany te są bardzo małe w porównaniu z presją atmosferyczną, która jest warta około 101.000 PA.

Nawet najbardziej intensywne dźwięki powodują fluktuacje około 20-30 PA (próg bólu), w porównaniu z dość małą ilością. Ale jeśli te zmiany są mierzone, istnieje sposób na pomiar dźwięku.

Ciśnienie dźwięku to różnica między ciśnieniem atmosferycznym z dźwiękiem a ciśnieniem atmosferycznym bez dźwięku. Jak powiedzieliśmy, najbardziej intensywne dźwięki wytwarzają presję dźwiękową 20 pa, a najsłabsza przyczyna około 0.00002 PA (próg dźwiękowy).

Ponieważ zakres ciśnień dźwiękowych obejmuje kilka mocy 10, wygodne byłoby użycie skali logarytmicznej, aby je wskazać.

Może ci służyć: błąd losowy: wzór i równania, obliczenia, przykłady, ćwiczenia

Z drugiej strony ustalono, że ludzie postrzegają zmiany w niewielkich intensywnych dźwiękach, niż zmiany o równej wielkości, ale w intensywnych brzmieniach bardziej intensywnych.

Na przykład, jeśli ciśnienie dźwięku wzrośnie o 1, 2, 4, 8, 16 ..., postrzeganie ucha wzrasta 1, 2, 3, 4 ... Dlatego wygodne jest zdefiniowanie nowej wielkości nazywanej Poziom ciśnienia dźwięku (Poziom ciśnienia dźwięku) l_P, zdefiniowana jako:

L_P = 20 log (p₁ / P_albo)

Gdzie p_albo Jest to ciśnienie odniesienia wzięte jako próg słuchu i p₁ To jest Efektywne średnie ciśnienie lub presja RMS. To RMS lub średnie ciśnienie jest tym, które postrzega ucho jako średnią energię sygnału dźwiękowego.

Decybele

Wynik poprzedniego wyrażenia dla L_P, Oceniona pod kątem różnych wartości p₁, Jest podany w decybele, Dodatkowa kwota. Wyrażanie poziomu ciśnienia dźwięku jest bardzo wygodne, ponieważ logarytmy zmieniają duże liczby w mniejsze i łatwiejsze do zarządzania liczby.

Jednak w wielu przypadkach preferuje się korzystanie z intensywność dźwięku Aby określić decybele, a nie ciśnienie dźwięku.

Intensywność dźwięku jest energią przepływającą przez sekundę (mocy) przez jednolitą powierzchnię zorientowaną prostopadle do kierunku, w którym rozmawia fala. Podobnie jak ciśnienie dźwięku, jest to skalarna wielkość i oznacza jak ja. Jednostki I są w/m², to znaczy zasilanie na jednostkę obszaru.

Można wykazać, że intensywność dźwięku jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia dźwięku:

I = p² /ρc

W tym wyrażeniu ρ jest gęstością medium, a C to prędkość dźwięku. A później Poziom intensywności dźwięku L_Siema Jak:

L_Siema = 10 log (i₁ / SIEMA_albo)

Który jest również wyrażony w decybelach, a czasem wydaje się oznaczony grecką literą β. Wartość odniesienia i_albo jest 1 x 10^-12 W/m². W ten sposób 0 dB reprezentuje dolną granicę ludzkiego słuchu, podczas gdy próg bólu wynosi 120 dB.

Ponieważ jest to skala logarytmiczna, konieczne jest podkreślenie, które niewielkie różnice ilość decybeli mają duże znaczenie pod względem intensywności dźwięku.

Soundometr

Dźwięk lub decybelimetr to urządzenie używane do pomiaru ciśnienia dźwięku, wskazujące na miarę w decybelach. Jest zaprojektowany tak, aby na nią reagować w taki sam sposób, jak ludzkie ucho by to zrobiło.

Rysunek 3. Sonometer lub decybelimetr służy do pomiaru poziomu ciśnienia dźwięku. Źródło: Wikimedia Commons.

Składa się z mikrofonu do zebrania sygnału, większej liczby obwodów z wzmacniaczami i filtrami, które są odpowiedzialne za prawidłowe przekształcenie tego sygnału w prąd elektryczny, a wreszcie skala lub ekran, gdzie pokazać wynik odczytu.

Są one często używane do określenia wpływu niektórych dźwięków na ludzi i w środowisku. Na przykład hałas w fabrykach, branżach, lotniskach, szumach drogowych i wielu innych.

Typy dźwięku

Dźwięk charakteryzuje się jego częstotliwością. Według tych, które ludzkie ucho może uchwycić, wszystkie dźwięki są podzielone na trzy kategorie: te, które możemy usłyszeć lub Widmo słyszalne, Te, które często znajdują się poniżej dolnej granicy widma słyszalnego lub Infrasonides, I te, które są powyżej górnej granicy, zwane ultradźwięk.

W każdym razie, ponieważ fale dźwiękowe można nakładać liniowo, codzienne dźwięki, które czasami interpretujemy jako unikalne, są w rzeczywistości różnych dźwięków z różnymi, ale bliskimi częstotliwościami.

Może ci służyć: zamknięty obwód elektrycznyRysunek 4. Widmo dźwiękowe i zakresy częstotliwości. Źródło: Wikimedia Commons.

Widmo słyszalne

Ludzkie ucho jest zaprojektowane tak, aby uchwycić szeroki zakres częstotliwości: od 20 do 20.000 Hz. Ale nie wszystkie częstotliwości w tym zakresie są postrzegane z tą samą intensywnością.

Ucho jest bardziej wrażliwe w pasma częstotliwości między 500 a 6.000 Hz. Istnieją jednak inne czynniki wpływające na zdolność do postrzegania dźwięku, takie jak wiek.

Infrasonides

Są to dźwięki, których częstotliwość jest mniejsza niż 20 Hz, ale fakt, że ludzie nie mogą ich słuchać, nie oznacza, że ​​inne zwierzęta nie mogą tego zrobić. Na przykład słonie używają ich do komunikacji, ponieważ infrasonidy mogą podróżować na duże odległości.

Inne zwierzęta, takie jak tygrys, używają ich do ogłuszenia ofiary. Infrasonidy są również używane do wykrywania dużych obiektów.

Ultradźwięk

Mają częstotliwości większe niż 20.000 Hz i są szeroko stosowane w wielu dziedzinach. Jednym z najbardziej znaczących zastosowań ultradźwięków jest narzędzie medyczne, zarówno diagnostyczne, jak i leczone. Obrazy uzyskane przez ultradźwięki są nieinwazyjne i nie wykorzystują promieniowania jonizującego.

Ultradźwięki są również używane do znalezienia niepowodzeń struktur, określenia odległości, wykrywania przeszkód podczas nawigacji i nie tylko. Zwierzęta również używają ultradźwięków i w rzeczywistości tak było odkryte ich istnienie.

Nietoperze emitują impulsy dźwiękowe, a następnie interpretują echo, które wytwarzają, aby oszacować odległości i zlokalizować zapory. Ze swojej strony psy mogą również słuchać ultradźwięków i dlatego reagują na gwizdek dla psów, którego nie może usłyszeć.

Singlefonic Sound i stereo dźwięk

Rysunek 4. W badaniu nagraniowym dźwięk jest prawidłowo modyfikowany przez urządzenia elektroniczne

Dźwięk monofoniczny to nagrany sygnał z pojedynczym mikrofonem lub kanałem audio. Podczas słuchania słuchawek lub dźwięków, oba uszy słyszą dokładnie to samo. Z drugiej strony, stereo dźwiękowe płyty sygnalizują z dwoma niezależnymi mikrofonami ze sobą.

Mikrofony znajdują się w różnych pozycjach, aby mogły zbierać różne presję dźwięku tego, co chcesz nagrać.

Następnie każde ucho odbiera jeden z tych zestawów sygnałów, a kiedy mózg łączy je i interpretuje je, wynik jest znacznie bardziej realistyczny niż podczas słuchania dźwięków monofonicznych. Dlatego jest preferowaną metodą, jeśli chodzi o muzykę i kino, chociaż dźwięk singla lub monoaur jest nadal używany w radiu, szczególnie do wywiadów i rozmów.

Homofonia i polifonia

Mówiąc muzycznie, homofonia składa się z tej samej melodii, w której grał dwa lub więcej głosów lub instrumentów. Z drugiej strony w polifony pojawiają się dwa lub więcej głosów lub instrumentów. Zestaw wynikający z tych dźwięków jest harmonijny, taki jak muzyka Bacha.

Poważne i ostre dźwięki

Ludzkie ucho dyskryminuje słyszalne częstotliwości, takie jak ostre, poważne lub pończochy. To jest znane jako ton dźwięk.

Najwyższe częstotliwości, między 1600 a 20.000 Hz, są uważane za ostre dźwięki, pasmo od 400 do 1600 Hz odpowiada dźwiękom średnim, a na koniec częstotliwości w zakresie od 20 do 400 Hz są ciężkie tony.

Poważne dźwięki różnią się od tych ostrych, w których te pierwsze są postrzegane jako głębokie, ciemne i dudnienie, a drugi są jasne, jasne, wesoły i penetrujące. Ucho interpretuje je również jako intensywniejsze, w przeciwieństwie do poważnych dźwięków, które powodują uczucie mniejszej intensywności.