Las ondas sonoras (o acústicas) son ondas elásticas que se propagan en un medio con frecuencias en el rango de 16 a 20 000 Hz. Las ondas de estas frecuencias, que afectan el sistema auditivo humano, provocan la sensación de sonido. Ondas con v< 16 Гц (ннфразвуковые) и v >Los órganos auditivos humanos no perciben 20 kHz (ultrasonido).
Las ondas sonoras en gases y líquidos solo pueden ser longitudinales, ya que estos medios son elásticos únicamente con respecto a las deformaciones por compresión (tensión). En los sólidos, las ondas sonoras pueden ser tanto longitudinales como transversales, ya que los sólidos tienen elasticidad con respecto a la compresión (tensión) y las deformaciones por corte.
La intensidad del sonido (o potencia del sonido) es una cantidad determinada por la energía promedio en el tiempo transferida por una onda de sonido por unidad de tiempo a través de una unidad de área perpendicular a la dirección de propagación de la onda:
La unidad SI de intensidad del sonido es vatio por metro cuadrado (W/m2).
La sensibilidad del oído humano varía según las diferentes frecuencias. Para causar una sensación sonora, la onda debe tener una cierta intensidad mínima, pero si esta intensidad excede un cierto límite, entonces el sonido no se escucha y solo causa una sensación dolorosa. Así, para cada frecuencia de oscilación existe una intensidad sonora mínima (umbral de audición) y máxima (umbral de dolor) que puede provocar la percepción del sonido. En la figura. 223 muestra la dependencia de los umbrales de audibilidad y dolor de la frecuencia del sonido. El área ubicada entre estas dos curvas es el área de audibilidad.
Si la intensidad del sonido es una cantidad que caracteriza objetivamente el sonido. nuevo proceso, entonces la característica subjetiva del sonido asociada con su intensidad es el volumen del sonido, que depende de la frecuencia. Según la ley fisiológica de Weber-Fechner, a medida que aumenta la intensidad del sonido, el volumen aumenta logarítmicamente. Sobre esta base, se introduce una evaluación objetiva del volumen del sonido en función del valor medido de su intensidad:
donde I 0 es la intensidad del sonido en el umbral de audibilidad, considerada para todos los sonidos entre 10 y 12 W/m 2 . El valor L se denomina nivel de intensidad sonora y se expresa en belios (en honor al inventor del teléfono Bell). Por lo general, utilizan unidades 10 veces más pequeñas: decibeles (dB).
La característica fisiológica del sonido es el nivel de volumen, que se expresa en phon (phon). El volumen de un sonido a 1000 Hz (la frecuencia de un tono puro estándar) es igual a 1 phon si su nivel de intensidad es de 1 dB. Por ejemplo, el ruido en un vagón de metro a alta velocidad corresponde a “90 von, y un susurro a una distancia de 1 m corresponde a” 20 von.
El sonido real es una superposición de oscilaciones armónicas con un gran conjunto de frecuencias, es decir, el sonido tiene un espectro acústico que puede ser continuo (las oscilaciones de todas las frecuencias están presentes en un intervalo determinado) y lineal (las oscilaciones de ciertas frecuencias separadas entre sí están presentes). ).
Además del volumen, el sonido se caracteriza por el tono y el timbre. El tono del sonido es la calidad del sonido determinada por una persona subjetivamente de oído y en función de la frecuencia del sonido. A medida que aumenta la frecuencia, aumenta el tono del sonido, es decir, el sonido se vuelve “más alto”. La naturaleza del espectro acústico y la distribución de energía entre determinadas frecuencias determina la singularidad de la sensación sonora, llamada timbre del sonido. Así, diferentes cantantes que tocan la misma nota tienen un espectro acústico diferente, es decir, sus voces tienen un timbre diferente.
La fuente del sonido puede ser cualquier cuerpo que vibre en un medio elástico con una frecuencia de sonido (por ejemplo, en los instrumentos de cuerda, la fuente del sonido es una cuerda conectada al cuerpo del instrumento).
Al oscilar, un cuerpo provoca vibraciones de partículas adyacentes del medio con la misma frecuencia. El estado de movimiento oscilatorio se transmite sucesivamente a partículas del medio que están cada vez más alejadas del cuerpo, es decir, una onda se propaga en el medio con una frecuencia de oscilación igual a la frecuencia de su fuente, y con una determinada velocidad que depende de la densidad. y propiedades elásticas del medio. La velocidad de propagación de las ondas sonoras en los gases se calcula mediante la fórmula
(158.1)
donde R es la constante molar del gas, M es la masa molar, g = C p /C v es la relación de las capacidades caloríficas molares del gas a presión y volumen constantes, T es la temperatura termodinámica. De la fórmula (158.1) se deduce que la velocidad del sonido en un gas no depende de la presión. r gas, pero aumenta al aumentar la temperatura. Cuanto mayor es la masa molar de un gas, menor es la velocidad del sonido. Por ejemplo, en T = 273 K, la velocidad del sonido en el aire (M = 29×10 -3 kg/mol) v = 331 m/s, en hidrógeno (M = 2×10 -3 kg/mol) v = 1260m/s. La expresión (158.1) corresponde a datos experimentales.
Al propagar el sonido en la atmósfera, es necesario tener en cuenta una serie de factores: la velocidad y dirección del viento, la humedad del aire, la estructura molecular del medio gaseoso, los fenómenos de refracción y reflexión del sonido en la frontera de dos medios. Además, cualquier medio real tiene viscosidad, por lo que se observa una atenuación del sonido, es decir, una disminución de su amplitud y, en consecuencia, de la intensidad de la onda sonora a medida que se propaga. La atenuación del sonido se debe en gran medida a su absorción en el medio, asociada a la transición irreversible de la energía sonora a otras formas de energía (principalmente térmica).
Para la acústica de la habitación gran valor tiene reverberación del sonido: el proceso de atenuación gradual del sonido en espacios cerrados después de que se apaga su fuente. Si las habitaciones están vacías, el sonido se desvanece lentamente y se crea un "estruendo" en la habitación. Si los sonidos se desvanecen rápidamente (cuando se utilizan materiales que absorben el sonido), se perciben amortiguados. El tiempo de reverberación es el tiempo durante el cual la intensidad del sonido en una habitación se atenúa en millones y su nivel en 60 dB. La sala tiene buena acústica si el tiempo de reverberación es de 0,5 a 1,5 s.
La sensación específica que percibimos como sonido es el resultado del impacto en el audífono humano del movimiento oscilatorio de un medio elástico, generalmente aire. Las vibraciones en el medio son excitadas por una fuente de sonido y, propagándose a través del medio, llegan al aparato receptor: nuestro oído. Así, la infinita variedad de sonidos que escuchamos es causada por procesos oscilatorios que se diferencian entre sí en frecuencia y amplitud. No se deben confundir dos lados de un mismo fenómeno: el sonido como proceso físico es un caso especial de movimiento oscilatorio; Como fenómeno psicofisiológico, el sonido es una sensación específica, el mecanismo de su aparición ahora se ha estudiado con cierto detalle.
Hablando del lado físico del fenómeno, caracterizamos el sonido por su intensidad (fuerza), su composición y la frecuencia de los procesos oscilatorios asociados a él; Teniendo en cuenta las sensaciones sonoras, hablamos de volumen, timbre y tono.
En los sólidos, el sonido puede propagarse tanto en forma de vibraciones longitudinales como transversales. Dado que los líquidos y los gases no tienen elasticidad al corte, es obvio que en medios gaseosos y líquidos el sonido sólo puede propagarse en forma de vibraciones longitudinales. En gases y líquidos, las ondas sonoras representan condensaciones y rarefacciones alternas del medio, alejándose de la fuente sonora a una determinada velocidad característica de cada medio. La superficie de una onda sonora es la ubicación geométrica de partículas del medio que tienen la misma fase de oscilación. Las superficies de las ondas sonoras se pueden dibujar, por ejemplo, de modo que entre las superficies de ondas adyacentes haya una capa de condensación y una capa de rarefacción. La dirección perpendicular a la superficie de la onda se llama rayo.
Se pueden fotografiar ondas sonoras en un medio gaseoso. Para este propósito, un
una placa fotográfica sobre la que se dirige desde delante un haz de luz procedente de una chispa eléctrica, de modo que estos rayos procedentes de un destello de luz instantáneo inciden sobre la placa fotográfica después de atravesar el aire, fuente ambiental sonido. En la figura. 158-160 muestran fotografías de ondas sonoras obtenidas mediante este método. La fuente de sonido estaba separada de la placa fotográfica por una pequeña pantalla colocada sobre un soporte.
En la figura. 158, pero está claro que la onda sonora acaba de salir de detrás de la pantalla; en la figura. 158, b la misma ola fue filmada por segunda vez unas milésimas de segundo más tarde. La superficie de la onda en este caso es una esfera. En la fotografía, la imagen de la onda se obtiene en forma de círculo, cuyo radio aumenta con el tiempo.
Arroz. 158. Fotografía de una onda sonora en dos puntos en el tiempo (ayb). Reflexión de una onda sonora (c).
En la figura. 158, c muestra una fotografía de una onda sonora esférica reflejada en una pared plana. Aquí se debe prestar atención al hecho de que la parte reflejada de la onda parece provenir de un punto ubicado detrás de la superficie reflectante, a la misma distancia de la superficie reflectante que la fuente de sonido. Es bien sabido que el eco se explica por el fenómeno de reflexión de las ondas sonoras.
En la figura. 159 muestra el cambio en la superficie de la onda cuando una onda sonora pasa a través de una bolsa en forma de lente llena de hidrógeno. Este cambio en la superficie de la onda sonora es consecuencia de la refracción (refracción) de los rayos sonoros: en la interfaz de dos medios, donde la velocidad de las ondas es diferente, la dirección de propagación de la onda cambia.
Arroz. 160 reproduce una fotografía de ondas sonoras, en cuyo recorrido se coloca una pantalla con cuatro rendijas. Al pasar a través de las rendijas, las ondas se curvan alrededor de la pantalla. Este fenómeno de ondas que se curvan alrededor de los obstáculos encontrados se llama difracción.
Las leyes de propagación, reflexión, refracción y difracción de las ondas sonoras se pueden derivar del principio de Huygens, según el cual cada partícula vibra
el medio ambiente puede considerarse como un nuevo centro (fuente) de ondas; la interferencia de todas estas ondas produce la onda realmente observada (la aplicación del principio de Huygens se explicará en el tercer volumen utilizando el ejemplo de las ondas luminosas).
Las ondas sonoras llevan consigo una cierta cantidad de movimiento y, como resultado, ejercen presión sobre los obstáculos que encuentran.
Arroz. 159. Refracción de una onda sonora.
Arroz. 160. Difracción de ondas sonoras.
Para explicar este hecho, recurramos a la Fig. 161. En esta figura, la línea de puntos muestra una sinusoide de desplazamientos de partículas del medio en algún momento durante la propagación de ondas longitudinales en el medio. Las velocidades de estas partículas en el momento considerado estarán representadas por una onda coseno o, lo que es lo mismo, una sinusoide por delante de la sinusoide de desplazamiento en un cuarto de período (línea continua en la Fig. 161). No es difícil imaginar que se observarán condensaciones del medio cuando, en un momento dado, el desplazamiento de las partículas sea nulo o cercano a cero y donde la velocidad se dirija en la dirección de propagación de la onda. Por el contrario, se observará enrarecimiento del medio donde el desplazamiento de las partículas también es cero o cercano a cero, pero donde la velocidad de las partículas se dirige en dirección opuesta a la propagación de las ondas. Así, en las condensaciones las partículas avanzan, en las rarefacciones retroceden. pero en
Arroz. 161. En las condensaciones de una onda sonora que pasa, las partículas avanzan,
Hay una mayor cantidad de partículas en las capas condensadas que en las de rarefacción. Por lo tanto, en cualquier momento del tiempo, al viajar ondas sonoras longitudinales, el número de partículas que se mueven hacia adelante es ligeramente mayor que el número de partículas que se mueven hacia atrás. Como resultado, la onda sonora lleva consigo una cierta cantidad de movimiento, que se manifiesta en la presión que ejercen las ondas sonoras sobre los obstáculos que encuentran.
Rayleigh y Pyotr Nikolaevich Lebedev estudiaron experimentalmente la presión sonora.
Teóricamente, la velocidad del sonido está determinada por la fórmula de Laplace [§ 65, fórmula (5)]:
donde K es el módulo de elasticidad total (cuando la compresión se realiza sin entrada ni pérdida de calor), densidad.
Si la compresión de un cuerpo se lleva a cabo manteniendo constante la temperatura del cuerpo, entonces para el módulo de elasticidad los valores obtenidos son menores que en el caso en que la compresión se lleva a cabo sin entrada ni transferencia de calor. Estos dos valores del módulo de elasticidad integral, como se demuestra en termodinámica, están relacionados de la misma manera que la capacidad calorífica de un cuerpo a presión constante con la capacidad calorífica de un cuerpo a volumen constante.
Para los gases (no demasiado comprimidos), el módulo isotérmico de elasticidad total es simplemente igual a la presión del gas. Si, sin cambiar la temperatura del gas, lo comprimimos (aumentamos su densidad) en un factor, entonces la presión. del gas aumentará en un factor. En consecuencia, según la fórmula de Laplace, resulta que la velocidad del sonido en un gas no depende de la densidad del gas.
De las leyes de los gases y de la fórmula de Laplace se puede deducir (§ 134) que la velocidad del sonido en los gases es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta del gas:
¿Dónde está la aceleración de la gravedad, la relación entre las capacidades caloríficas y la constante universal de los gases?
En C, la velocidad del sonido en el aire seco es igual; a temperaturas y humedad promedio, la velocidad del sonido en el aire se considera igual a la velocidad del sonido en el hidrógeno;
En el agua la velocidad del sonido es en el vidrio en el hierro.
Cabe señalar que las ondas sonoras de choque provocadas por un disparo o explosión, al inicio de su recorrido, tienen una velocidad
significativamente superior velocidad normal sonido en un entorno determinado. Una onda de sonido de choque en el aire causada por una fuerte explosión puede tener una velocidad cerca de la fuente de sonido que es varias veces mayor que la velocidad normal del sonido en el aire, pero ya a una distancia de decenas de metros del lugar de la explosión, la velocidad El tiempo de propagación de la onda disminuye hasta un valor normal.
Como ya se mencionó en el artículo 65, las ondas sonoras de diferentes longitudes tienen casi la misma velocidad. La excepción son aquellas regiones de frecuencia que se caracterizan por una atenuación particularmente rápida de las ondas elásticas a medida que se propagan en el medio considerado. Normalmente, estas frecuencias están mucho más allá de la audibilidad (para gases a presión atmosférica, son frecuencias del orden de vibraciones por segundo). El análisis teórico muestra que la dispersión y absorción de ondas sonoras están asociadas con el hecho de que la redistribución de energía entre los movimientos de traslación y vibración de las moléculas requiere algo de tiempo, aunque sea corto. Esto hace que las ondas largas (ondas en el rango de audio) viajen algo más lento que las ondas "inaudibles" muy cortas. Así, en el vapor de dióxido de carbono a presión atmosférica, el sonido tiene velocidad, mientras que ondas muy cortas, “inaudibles”, se propagan a velocidad.
Una onda de sonido que se propaga en un medio puede tener diferentes formas, según el tamaño y la forma de la fuente de sonido. En los casos técnicamente más interesantes, la fuente de sonido (emisor) es alguna superficie vibrante, como por ejemplo la membrana de un teléfono o el difusor de un altavoz. Si una fuente de sonido de este tipo emite ondas sonoras al espacio abierto, entonces la forma de la onda depende significativamente de las dimensiones relativas del emisor; El emisor, cuyas dimensiones son grandes en comparación con la longitud de la onda sonora, emite energía sonora en una sola dirección, concretamente en la dirección de su movimiento oscilatorio. Por el contrario, un radiador de pequeño tamaño en relación con la longitud de onda emite energía sonora en todas direcciones. La forma del frente de onda en ambos casos será obviamente diferente.
Consideremos primero el primer caso. Imaginemos una superficie plana rígida de un tamaño suficientemente grande (en comparación con la longitud de onda), que realiza movimientos oscilatorios en la dirección de su normal. Avanzando, dicha superficie crea frente a sí misma una condensación que, debido a la elasticidad del medio, se extenderá en la dirección del desplazamiento del emisor). Al retroceder, el emisor crea detrás de sí un vacío que se mueve en el medio tras la condensación inicial. Durante una oscilación a corto plazo del emisor, observaremos una onda sonora a ambos lados del mismo, caracterizada por el hecho de que todas las partículas del medio ubicadas a la misma distancia de la superficie radiante de la densidad promedio del medio y la velocidad del sonido c:
El producto de la densidad media del medio por la velocidad del sonido se llama resistencia acústica ambiente.
Resistencia acústica a 20°C
(ver escaneo)
Consideremos ahora el caso de las ondas esféricas. Cuando las dimensiones de la superficie emisora se vuelven pequeñas en comparación con la longitud de onda, el frente de onda se curva notablemente. Esto sucede porque la energía de vibración se propaga en todas direcciones desde el emisor.
El fenómeno se puede entender mejor con el siguiente ejemplo sencillo. Imaginemos que un tronco largo cayera sobre la superficie del agua. Las ondas resultantes viajan en filas paralelas a ambos lados del tronco. La situación es diferente cuando se arroja una pequeña piedra al agua y las ondas se propagan en círculos concéntricos. El registro es relativamente grande.
con la longitud de onda en la superficie del agua; Las filas paralelas de ondas que emanan de él representan un modelo visual de ondas planas. La piedra es de tamaño pequeño; los círculos que divergen del lugar de su caída nos dan un modelo de ondas esféricas. Cuando se propaga una onda esférica, la superficie del frente de onda aumenta en proporción al cuadrado de su radio. A una potencia constante de la fuente de sonido, la energía que fluye a través de cada centímetro cuadrado de una superficie esférica de radio es inversamente proporcional. Dado que la energía de las oscilaciones es proporcional al cuadrado de la amplitud, está claro que la amplitud de las oscilaciones en una. La onda esférica debe disminuir como la inversa de la primera potencia de la distancia desde la fuente de sonido. Por tanto, la ecuación de onda esférica tiene la siguiente forma:
Ocurre en medios gaseosos, líquidos y sólidos, que, al llegar a los órganos auditivos humanos, son percibidos por él como sonido. La frecuencia de estas ondas oscila entre 20 y 20.000 vibraciones por segundo. Presentemos fórmulas para una onda sonora y consideremos sus propiedades con más detalle.
¿Por qué aparece una onda sonora?
Mucha gente se pregunta qué es una onda sonora. La naturaleza del sonido radica en la aparición de perturbaciones en un medio elástico. Por ejemplo, cuando se produce una perturbación de presión en forma de compresión en un determinado volumen de aire, esta región tiende a extenderse en el espacio. Este proceso hace que el aire se comprima en zonas adyacentes a la fuente, que también tienden a expandirse. Este proceso abarca un sector cada vez más amplio y la mayoría de espacio hasta llegar a algún receptor, por ejemplo, el oído humano.
Características generales de las ondas sonoras.
Consideremos las cuestiones de qué es una onda sonora y cómo la percibe el oído humano. La onda sonora es longitudinal; cuando ingresa a la cornisa del oído provoca vibraciones del tímpano con cierta frecuencia y amplitud. También puedes imaginar estas fluctuaciones como cambios periódicos de presión en un microvolumen de aire adyacente a la membrana. Primero aumenta en relación con la presión atmosférica normal y luego disminuye, obedeciendo las leyes matemáticas del movimiento armónico. La amplitud de los cambios en la compresión del aire, es decir, la diferencia entre la presión máxima o mínima creada por una onda sonora con la presión atmosférica es proporcional a la amplitud de la onda sonora misma.
Muchos experimentos físicos han demostrado que la presión máxima que el oído humano puede percibir sin dañarlo es de 2800 µN/cm 2 . A modo de comparación, digamos que la presión atmosférica cerca de la superficie terrestre es de 10 millones de μN/cm2. Teniendo en cuenta la proporcionalidad de la presión y la amplitud de las oscilaciones, podemos decir que este último valor es insignificante incluso para las olas más fuertes. Si hablamos de la longitud de la onda sonora, entonces para una frecuencia de 1000 vibraciones por segundo será una milésima de centímetro.
Los sonidos más débiles crean fluctuaciones de presión del orden de 0,001 μN/cm 2, la amplitud correspondiente de las oscilaciones de las ondas para una frecuencia de 1000 Hz es de 10 -9 cm, mientras que el diámetro medio de las moléculas de aire es de 10 -8 cm, es decir, El oído humano es un órgano extremadamente sensible.
Concepto de intensidad de la onda sonora.
Desde un punto de vista geométrico, una onda sonora es una oscilación. una cierta forma, desde el punto de vista físico, la principal propiedad de las ondas sonoras es su capacidad para transferir energía. El ejemplo más importante de transferencia de energía de las olas es el sol, cuyas ondas electromagnéticas emitidas proporcionan energía a todo nuestro planeta.
La intensidad de una onda sonora en física se define como la cantidad de energía transferida por la onda a través de una unidad de superficie perpendicular a la propagación de la onda, y por unidad de tiempo. En resumen, la intensidad de una onda es su potencia transferida a través de una unidad de área.
La fuerza de las ondas sonoras generalmente se mide en decibelios, que se basan en una escala logarítmica, conveniente para el análisis práctico de los resultados.
Intensidad de diferentes sonidos.
La siguiente escala en decibelios da una idea del valor del diferente y de las sensaciones que provoca:
- el umbral de sensaciones desagradables e incómodas comienza en 120 decibeles (dB);
- un martillo remachador genera un ruido de 95 dB;
- tren de alta velocidad - 90 dB;
- calle con mucho tráfico - 70 dB;
- el volumen de una conversación normal entre personas es de 65 dB;
- un automóvil moderno que circula a velocidad moderada genera un nivel de ruido de 50 dB;
- volumen de radio promedio: 40 dB;
- conversación tranquila - 20 dB;
- ruido del follaje de los árboles: 10 dB;
- El umbral mínimo de sensibilidad al sonido humano se acerca a 0 dB.
La sensibilidad del oído humano depende de la frecuencia del sonido y es máxima para ondas sonoras con una frecuencia de 2000-3000 Hz. Para el sonido en este rango de frecuencia, el umbral inferior de la sensibilidad humana es de 10 a 5 dB. Las frecuencias más altas y más bajas que el intervalo especificado provocan un aumento en el umbral de sensibilidad inferior, de tal manera que una persona escucha frecuencias cercanas a 20 Hz y 20.000 Hz sólo con una intensidad de varias decenas de dB.
En cuanto al umbral superior de intensidad, después del cual el sonido comienza a causar molestias a una persona e incluso dolor, hay que decir que es prácticamente independiente de la frecuencia y se encuentra en el rango de 110-130 dB.
Características geométricas de una onda sonora.
Una onda sonora real es un paquete oscilatorio complejo de ondas longitudinales, que pueden descomponerse en vibraciones armónicas simples. Cada una de estas oscilaciones se describe desde un punto de vista geométrico mediante las siguientes características:
- La amplitud es la desviación máxima de cada sección de la onda del equilibrio. Para esta cantidad se adopta la denominación A.
- Período. Este es el tiempo durante el cual una onda simple completa su oscilación completa. Pasado este tiempo, cada punto de la onda comienza a repetir su proceso oscilatorio. El período suele denotarse con la letra T y se mide en segundos en el sistema SI.
- Frecuencia. Esta es una cantidad física que muestra cuántas oscilaciones hace una onda determinada por segundo. Es decir, en su significado es una cantidad recíproca al período. Se designa f. Para la frecuencia de una onda sonora, la fórmula para determinarla a través de un período es la siguiente: f = 1/T.
- La longitud de onda es la distancia que recorre en un período de oscilación. Geométricamente, la longitud de onda es la distancia entre los dos máximos o los dos mínimos más cercanos en una curva sinusoidal. La longitud de oscilación de una onda sonora es la distancia entre las áreas más cercanas de compresión del aire o los lugares más cercanos de su rarefacción en el espacio donde se mueve la onda. Generalmente se denota con la letra griega λ.
- La velocidad de propagación de una onda sonora es la distancia sobre la cual se propaga la región de compresión o la región de rarefacción de la onda por unidad de tiempo. Este valor se denota con la letra v. Para la velocidad de una onda sonora, la fórmula es: v = λ*f.
La geometría de una onda sonora pura, es decir, una onda de pureza constante, obedece a la ley sinusoidal. En el caso general, la fórmula para una onda de sonido tiene la forma: y = A*sin(ωt), donde y es el valor de las coordenadas de un punto dado de la onda, t es el tiempo, ω = 2*pi*f es la frecuencia cíclica de las oscilaciones.
sonido aperiódico
Muchas fuentes de sonido pueden considerarse periódicas, por ejemplo, el sonido de instrumentos musicales como la guitarra, el piano, la flauta, pero también hay gran número sonidos en la naturaleza que son aperiódicos, es decir, las vibraciones sonoras cambian su frecuencia y forma en el espacio. Técnicamente, este tipo de sonido se llama ruido. Ejemplos vívidos de sonido aperiódico son el ruido de la ciudad, el ruido del mar, los sonidos de instrumentos de percusión, por ejemplo, de un tambor, etc.
Medio de propagación de ondas sonoras.
A diferencia de la radiación electromagnética, cuyos fotones no necesitan de ningún medio material para su propagación, la naturaleza del sonido es tal que requiere de un determinado medio para su propagación, es decir, según las leyes de la física, las ondas sonoras no pueden propagarse en el vacío.
El sonido puede viajar en gases, líquidos y sólidos. Las principales características de una onda sonora que se propaga en un medio son las siguientes:
- la onda se propaga linealmente;
- se propaga igualmente en todas direcciones en un medio homogéneo, es decir, el sonido diverge de la fuente, formando una superficie esférica ideal.
- Independientemente de la amplitud y frecuencia del sonido, sus ondas se propagan a la misma velocidad en un medio determinado.
Velocidad de las ondas sonoras en diversos medios.
La velocidad de propagación del sonido depende de dos factores principales: el medio en el que viaja la onda y la temperatura. En general, se aplica la siguiente regla: cuanto más denso es el medio y cuanto mayor es su temperatura, más rápido se mueve el sonido en él.
Por ejemplo, la velocidad de propagación de una onda sonora en el aire cerca de la superficie de la Tierra a una temperatura de 20 ℃ y una humedad del 50% es 1235 km/h o 343 m/s. En el agua a una temperatura determinada, el sonido se mueve 4,5 veces más rápido, es decir, unos 5735 km/h o 1600 m/s. En cuanto a la dependencia de la velocidad del sonido con la temperatura del aire, ésta aumenta en 0,6 m/s con un aumento de temperatura por cada grado Celsius.
Timbre y tono
Si se permite que una cuerda o una placa de metal vibre libremente, producirá sonidos de frecuencias variables. Es muy raro encontrar un cuerpo que produzca un sonido de una frecuencia específica; normalmente el sonido de un objeto tiene un conjunto de frecuencias en un intervalo determinado.
El timbre de un sonido está determinado por la cantidad de armónicos presentes en él y sus respectivas intensidades. El timbre es un valor subjetivo, es decir, es la percepción de un objeto sonoro por parte de una persona concreta. El timbre suele caracterizarse por los siguientes adjetivos: agudo, brillante, sonoro, melódico, etc.
El tono es una sensación sonora que permite clasificarlo en agudo o grave. Este valor también es subjetivo y no puede medirse con ningún instrumento. El tono está asociado con una cantidad objetiva: la frecuencia de la onda sonora, pero no existe una conexión clara entre ellas. Por ejemplo, para un sonido de una sola frecuencia de intensidad constante, el tono aumenta a medida que aumenta la frecuencia. Si la frecuencia del sonido permanece constante y su intensidad aumenta, entonces el tono se vuelve más bajo.
Forma de las fuentes de sonido.
Según la forma del cuerpo que realiza vibraciones mecánicas y así genera ondas de tres tipos principales:
- Fuente puntual. Produce ondas sonoras esféricas que decaen rápidamente con la distancia a la fuente (aproximadamente 6 dB si la distancia a la fuente se duplica).
- Fuente de línea. Crea ondas cilíndricas, cuya intensidad disminuye más lentamente que desde una fuente puntual (por cada aumento de la distancia dos veces con respecto a la fuente, la intensidad disminuye en 3 dB).
- Fuente plana o bidimensional. Genera ondas sólo en una determinada dirección. Un ejemplo de tal fuente sería un pistón que se mueve dentro de un cilindro.
fuentes de sonido electrónico
Para crear una onda de sonido, las fuentes electrónicas utilizan una membrana especial (altavoz), que produce vibraciones mecánicas debido al fenómeno. inducción electromagnética. Dichas fuentes incluyen las siguientes:
- reproductores de diversos discos (CD, DVD y otros);
- grabadoras de casetes;
- radios;
- Televisores y algunos otros.
El sonido son vibraciones mecánicas que se propagan en un medio material elástico principalmente en forma de ondas longitudinales.
En el vacío, el sonido no se propaga, ya que la transmisión del sonido requiere un medio material y un contacto mecánico entre las partículas del medio material.
En un medio, el sonido viaja en forma de ondas sonoras. Las ondas sonoras son vibraciones mecánicas que se transmiten en un medio utilizando sus partículas condicionales. Las partículas convencionales de un medio significan sus microvolúmenes.
Características físicas básicas de una onda acústica:
1. Frecuencia.
Frecuencia la onda sonora es la magnitud igual al número de oscilaciones completas por unidad de tiempo. Indicado por el símbolo v (desnudo) y medido en hercios. 1 Hz = 1 conteo/seg = [s -1].
La escala de vibración del sonido se divide en los siguientes intervalos de frecuencia:
· infrasonidos (de 0 a 16 Hz);
· sonido audible (de 16 a 16.000 Hz);
· ultrasonidos (más de 16.000 Hz).
La frecuencia de una onda sonora está estrechamente relacionada con su cantidad inversa: el período de la onda sonora. Período Una onda sonora es el tiempo de una vibración completa de las partículas del medio. Designado t y se mide en segundos [s].
Según la dirección de vibración de las partículas del medio que transportan la onda sonora, las ondas sonoras se dividen en:
· longitudinales;
· transversal.
Para las ondas longitudinales, la dirección de vibración de las partículas del medio coincide con la dirección de propagación de la onda sonora en el medio (Fig. 1).
Para las ondas transversales, las direcciones de vibración de las partículas del medio son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda sonora (Fig. 2).
Arroz. 1 figura. 2
Las ondas longitudinales se propagan en gases, líquidos y sólidos. Transversal - sólo en sólidos.
3. Forma de las vibraciones.
Según la forma de las vibraciones, las ondas sonoras se dividen en:
· ondas simples;
ondas complejas.
La gráfica de una onda simple es una onda sinusoidal.
La gráfica de una onda compleja es cualquier curva periódica no sinusoidal. .
4. Longitud de onda.
La longitud de onda es la cantidad. igual a la distancia que recorre una onda sonora en un tiempo igual a un período. Se denomina λ (lambda) y se mide en metros (m), centímetros (cm), milímetros (mm), micrómetros (μm).
La longitud de onda depende del medio en el que viaja el sonido.
5. Velocidad de la onda sonora.
Velocidad de la onda sonora es la velocidad de propagación del sonido en un medio con una fuente de sonido estacionaria. Denotado por el símbolo v, calculado por la fórmula:
La velocidad de la onda sonora depende del tipo de medio y de la temperatura. La velocidad del sonido es mayor en los cuerpos sólidos elásticos, menor en los líquidos y menor en los gases.
aire, presión atmosférica normal, temperatura - 20 grados, v = 342 m/s;
agua, temperatura 15-20 grados, v = 1500 m/s;
metales, v = 5000-10000 m/s.
La velocidad del sonido en el aire aumenta aproximadamente 0,6 m/s con un aumento de temperatura de 10 grados.
CONFERENCIA 3 ACÚSTICA. SONIDO
1. Sonido, tipos de sonido.
2. Características físicas sonido.
3. Características de la sensación auditiva. Mediciones de sonido.
4. Paso del sonido a través de la interfaz.
5. Métodos de sonido investigación.
6. Factores determinantes de la prevención del ruido. Protección contra el ruido.
7. Conceptos y fórmulas básicos. Mesas.
8. Tareas.
Acústica. En sentido amplio, es una rama de la física que estudia las ondas elásticas desde las frecuencias más bajas hasta las más altas. En sentido estricto, es el estudio del sonido.
El sonido en un sentido amplio son vibraciones y ondas elásticas que se propagan en sustancias gaseosas, líquidas y sólidas; en sentido estricto, un fenómeno percibido subjetivamente por los órganos auditivos de humanos y animales.
Normalmente, el oído humano percibe sonidos en el rango de frecuencia de 16 Hz a 20 kHz. Sin embargo, con la edad, el límite superior de este rango disminuye:
El sonido con una frecuencia inferior a 16-20 Hz se llama infrasonido, por encima de 20 kHz -ultrasonido, y las ondas elásticas de mayor frecuencia en el rango de 10 9 a 10 12 Hz - hipersonido.
Los sonidos que se encuentran en la naturaleza se dividen en varios tipos.
Tono - es un sonido que es un proceso periódico. La principal característica del tono es la frecuencia. tono sencillo creado por un cuerpo que vibra de acuerdo con una ley armónica (por ejemplo, un diapasón). tono complejo es creado por oscilaciones periódicas que no son armónicas (por ejemplo, el sonido de un instrumento musical, el sonido creado por el aparato del habla humano).
Ruido es un sonido que tiene una dependencia temporal compleja y no repetitiva y es una combinación de tonos complejos que cambian aleatoriamente (el susurro de las hojas).
explosión sónica- Se trata de un impacto sonoro de corta duración (aplauso, explosión, golpe, trueno).
Un tono complejo, como proceso periódico, se puede representar como una suma de tonos simples (descompuestos en tonos componentes). Esta descomposición se llama espectro.
El espectro acústico de un tono es la suma de todas sus frecuencias, indicando sus intensidades o amplitudes relativas.
La frecuencia más baja del espectro (ν) corresponde al tono fundamental, y las frecuencias restantes se denominan armónicos o armónicos. Los armónicos tienen frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental: 2ν, 3ν, 4ν, ...
Normalmente, la mayor amplitud del espectro corresponde al tono fundamental. Esto es lo que el oído percibe como el tono del sonido (ver más abajo). Los armónicos crean el "color" del sonido. Los sonidos del mismo tono creados por diferentes instrumentos son percibidos de manera diferente por el oído precisamente debido a las diferentes relaciones entre las amplitudes de los armónicos. La figura 3.1 muestra los espectros de la misma nota (ν = 100 Hz) tocada en un piano y un clarinete.
Arroz. 3.1. Espectros de notas de piano (a) y clarinete (b)
El espectro acústico del ruido es continuo.
