ЗВУК: ИСТОРИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК СЕ ПРОИЗВЕЖДА, ВИДОВЕ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На звука се определя като смущение на размножителен в среда като въздух, последователно произвежда компресии и разширения в него. Тези промени в налягането и плътността на въздуха достигат до ухото и се интерпретират от мозъка като слухови усещания.

Звуците са съпътствали живота от неговото създаване, като са част от инструментите, с които животните трябва да общуват помежду си и със средата си. Някои хора твърдят, че растенията също слушат, но във всеки случай биха могли да възприемат вибрациите на околната среда, дори и да нямат слухово устройство като по-високи животни.

Фигура 1. Разрив на звуковата бариера

В допълнение към използването на звук за комуникация чрез реч, хората го използват като артистичен израз чрез музика. Всички култури, древни и нови, имат музикални прояви от всякакъв вид, чрез които разказват своите истории, обичаи, религиозни вярвания и чувства.

история

Поради своята важност човечеството се интересуваше от изучаването на природата му и създава акустика, клон на физиката, посветен на свойствата и поведението на звуковите вълни.

Известно е, че известният математик Питагор (569-475 г. пр. Н. Е.) Прекарва дълго време в изучаване на разликите във височината (честотата) между звуците. От друга страна, Аристотел, който спекулира във всички аспекти на природата, правилно твърди, че звукът се състои от разширения и компресии във въздуха.

По-късно известният римски инженер Витрувий (80-15 г. пр. Н. Е.) Написа трактат за акустиката и нейните приложения в изграждането на театри. Самият Исак Нютон (1642-1727) изучава разпространението на звука в твърди среди и определя формула за неговата скорост на разпространение.

С течение на времето математическите инструменти за изчисление позволиха да се изрази адекватно цялата сложност на вълновото поведение.

Звукови характеристики (свойства)

В най-простата си форма звукова вълна може да бъде описана като синусоидална вълна, разпространяваща се във времето и пространството, като тази, показана на фигура 2. Там се наблюдава, че вълната е периодична, т.е. начин, който се повтаря във времето.

Тъй като това е надлъжна вълна, посоката на разпространение и посоката, в която се движат частиците на вибриращата среда, са еднакви.

Параметри на звуковата вълна

Фигура 2. Звукът е надлъжна вълна, смущаването се разпространява в същата посока, в която молекулите изпитват своето изместване. Източник: Wikimedia Commons.

Параметрите на звукова вълна са:

Период Т: е времето, необходимо за повторение на фаза на вълната. В международната система тя се измерва в секунди.

Цикъл: е частта от вълната, която се съдържа в периода и се покрива от една точка до друга, която има същата височина и същия наклон. Тя може да бъде от една долина до следващата, от един гребен до следващия или от една точка до друга, която отговаря на описаната спецификация.

Дължина на вълната λ: е разстоянието между един гребен и друг на вълната, между една долина и друга, или като цяло между една точка и следваща със същата височина и наклон. Като дължина се измерва в метри, въпреки че другите единици са по-подходящи в зависимост от вида на вълната.

Честота f: се определя като брой цикли за единица време. Неговата единица е Херц (Hz).

Амплитуда A: съответства на максималната височина на вълната по отношение на хоризонталната ос.

Как се произвежда и разпространява звукът?

Звукът се произвежда, когато обект, който е потопен в материална среда, се вибрира, както е показано в долната част на фигура 2. Напънатата мембрана на високоговорителя отляво вибрира и предава смущения през въздуха, докато достига до слушателя.

Докато разстройството се разпространява, енергията се предава на молекулите в околната среда, които взаимодействат помежду си, чрез разширения и компресии. Винаги се нуждаете от материална среда за разпространение на звук, било то твърдо, течно или газообразно.

Когато смущението във въздуха достигне до ухото, промените в налягането на въздуха карат тъпанчето да вибрира. Това поражда електрически импулси, които се предават на мозъка чрез слуховия нерв и след като импулсите се преобразуват в звук.

Скорост на звука

Скоростта на механичните вълни в дадена среда следва тази връзка:

Например, когато се разпространява в газ като въздух, скоростта на звука може да се изчисли като:

С увеличаването на температурата се увеличава и скоростта на звука, тъй като молекулите в средата са по-склонни да вибрират и предават вибрацията чрез своите движения. Натискът от друга страна не влияе върху стойността му.

Връзка между дължината на вълната и честотата

Вече видяхме, че времето, необходимо за вълната за завършване на цикъл, е периодът, докато изминатото разстояние в този период е равно на една дължина на вълната. Следователно скоростта v на звука се определя като:

От своя страна, честотата и периодът са свързани, като едната е обратна на другата, като тази:

Което води до:

Чувственият честотен диапазон при хората е между 20 и 20 000 Hz, следователно дължината на звуковата вълна е между 1,7 cm и 17 m, когато се заменят стойностите в горното уравнение.

Тези дължини на вълната са с големината на общите обекти, което влияе върху разпространението на звука, тъй като е вълна, тя изпитва отражение, пречупване и дифракция, когато срещне препятствия.

Опитът на дифракция означава, че звукът се влияе, когато срещне препятствия и отвори, които са с размер по дължина на вълната или по-малък.

Басовите звуци могат да се разпространяват по-добре на дълги разстояния, поради което слоновете използват инфразвук (много нискочестотни звуци, нечуващи за човешкото ухо), за да комуникират на огромните си територии.

Също така, когато има музика в съседна стая, басът се чува по-добре от високите, защото дължината на вълната му е около размера на вратите и прозорците. От друга страна, когато излизате от стаята, високите звуци лесно се губят и затова спират да се чуват.

Как се измерва звукът?

Звукът се състои от поредица от компресии и разреждания на въздуха по такъв начин, че докато се разпространява, звукът причинява увеличаване и намаляване на налягането. В международната система налягането се измерва в паскали, което е съкратено Pa.

Случва се, че тези промени са много малки в сравнение с атмосферното налягане, което струва около 101 000 Па.

Дори и най-силните звуци произвеждат колебания от по-малко от 20-30 Pa (праг на болка), сравнително малко количество. Но ако можете да измерите тези промени, тогава имате начин да измервате звука.

Звуковото налягане е разликата между атмосферното налягане със звука и атмосферното налягане без звук. Както казахме, най-силните звуци произвеждат звукови налягания от 20 Pa, докато най-слабите предизвикват около 0,00002 Pa (звуков праг).

Тъй като обхватът на звуковите налягания обхваща няколко мощности от 10, трябва да се използва логаритмична скала, за да ги посочи.

От друга страна, експериментално беше определено, че хората възприемат промените в звуците с ниска интензивност по-забележимо от промените със същата величина, но при силните звуци.

Например, ако звуковото налягане се увеличи с 1, 2, 4, 8, 16…, ухото възприема увеличения от 1, 2, 3, 4… по интензитет. Поради тази причина е удобно да се определи ново количество, наречено ниво на звуково налягане (ниво на звуково налягане) L _P, дефинирано като:

Когато Р _о е контролното налягане, което се приема като праг на слуха и P ₁ е средната ефективна налягане или RMS налягане. Тази RMS или средното налягане е това, което ухото възприема като средна енергия на звуковия сигнал.

децибели

Резултатът от горния израз за L _P, когато се оценява за различни стойности на P ₁, е даден в децибели, безразмерно количество. Изразяването на нивото на звуковото налягане е много удобно, защото логаритмите преобразуват големи числа в по-малки, по-управляеми числа.

Въпреки това, в много случаи се предпочита да се използва интензивността на звука за определяне на децибели, а не на звуковото налягане.

Интензивността на звука е енергията, която тече за една секунда (мощност) през единица повърхност, ориентирана перпендикулярно на посоката, в която се разпространява вълната. Подобно на звуковото налягане, то е скаларно количество и се обозначава I. Единиците от I са W / m ², тоест мощност на единица площ.

Може да се покаже, че интензитетът на звука е пропорционален на квадрата на звуковото налягане:

В този израз ρ е плътността на средата и c е скоростта на звука. Тогава нивото на интензивност на звука L _I се определя като:

Което също се изразява в децибели и понякога се обозначава с гръцката буква β. Референтната стойност I _o е 1 x 10 ^-12 W / m ². По този начин 0 dB представлява долната граница на човешкия слух, докато прагът на болка е 120 dB.

Тъй като това е логаритмична скала, трябва да се подчертае, че малките разлики в броя на децибелите правят голяма разлика по отношение на интензивността на звука.

Уред за ниво на звука

Уред за измерване на нивото на звука или децибелметър е устройство, използвано за измерване на звуково налягане, показващо измерването в децибели. Той е създаден да реагира на него по същия начин, по който би го направило човешкото ухо.

Фигура 3. Измервателят на нивото на звука или децибелметър се използва за измерване на нивото на звуково налягане. Източник: Wikimedia Commons.

Състои се от микрофон за събиране на сигнала, повече вериги с усилватели и филтри, които са отговорни за адекватното преобразуване на този сигнал в електрически ток и накрая скала или екран, който да показва резултата от отчетеното.

Те се използват широко за определяне на въздействието на определени шумове върху хората и околната среда. Например шумове във фабрики, индустрии, летища, шум от трафика и много други.

Типове звук (инфразвук, ултразвук, моно, стерео, полифонично, хомофонично, бас, висок звук)

Звукът се характеризира със своята честота. Според онези, които човешкото ухо може да улови, всички звуци са класифицирани в три категории: тези, които можем да чуем или звуковия спектър, тези, които имат честота под долната граница на звуковия спектър или инфразвук, и тези, които са над звуковия спектър. горна граница, наречена ултразвук.

Във всеки случай, тъй като звуковите вълни могат да се припокриват линейно, всекидневните звуци, които понякога интерпретираме като уникални, всъщност се състоят от различни звуци с различни, но близки честоти.

Фигура 4. Диапазони на звука и честота. Източник: Wikimedia Commons.

Звуков спектър

Човешкото ухо е проектирано да приема широк диапазон от честоти: между 20 и 20 000 Hz, но не всички честоти в този диапазон се възприемат с една и съща интензивност.

Ухото е по-чувствително в честотната лента между 500 и 6000 Hz, но има и други фактори, които влияят върху способността за възприемане на звук, например възрастта.

Инфразвук

Те са звуци, чиято честота е по-малка от 20 Hz, но това, че хората не могат да ги чуят, не означава, че други животни не могат. Например слоновете ги използват за комуникация, тъй като инфразвукът може да измине дълги разстояния.

Други животни, като тигъра, ги използват за зашеметяване на плячката си. Инфразвукът се използва и при откриване на големи предмети.

Ултразвук

Те имат честоти над 20 000 Hz и се използват широко в много области. Едно от най-забележимите приложения на ултразвука е като средство за медицина, както за диагностика, така и за лечение. Изображенията, получени чрез ултразвук, са неинвазивни и не използват йонизиращо лъчение.

Ултразвуците също се използват за намиране на неизправности в структурите, определяне на разстояния, откриване на препятствия по време на навигация и други. Животните също използват ултразвук и всъщност така е открито съществуването му.

Прилепите излъчват звукови импулси и след това интерпретират ехото, което произвеждат, за да преценят разстоянията и да намерят плячка. От своя страна кучетата също могат да чуят ултразвуци и затова те реагират на кучешката свирка, която собственикът им не може да чуе.

Монофонен звук и стереофоничен звук

Фигура 4. В звукозаписно студио звукът е подходящо модифициран от електронни устройства. Източник: Pixabay

Монофонен звук е сигнал, записан с един микрофон или аудио канал. Когато слушате със слушалки или звукови клаксони, и двете уши чуват абсолютно едно и също нещо. За разлика от тях стереофоничният звук записва сигнали с два независими микрофона.

Микрофоните са разположени в различни позиции, така че да могат да приемат различни звукови налягания на това, което искате да запишете.

Тогава всяко ухо получава един от тези набори сигнали и когато мозъкът ги събира и интерпретира, резултатът е много по-реалистичен, отколкото при слушане на монофонични звуци. Следователно той е предпочитаният метод, когато става дума за музика и филм, въпреки че монофоничният или монофоничен звук все още се използва по радиото, особено за интервюта и разговори.

Хомофония и полифония

В музикален план хомофонията се състои от една и съща мелодия, свирена от два или повече гласа или инструмента. От друга страна, в полифонията има два или повече гласа или инструменти с еднакво значение, които следват мелодии и дори различни ритми. Полученият ансамбъл от тези звуци е хармоничен, като музиката на Бах.

Бас и висок звук

Човешкото ухо разграничава звуковите честоти като високи, ниски или средни. Това е това, което е известно като височината на звука.

Най-високите честоти, между 1600 и 20 000 Hz, се считат за остри звуци, лентата между 400 и 1600 Hz съответства на звуци със среден тон и на последно място, честотите в диапазона от 20 до 400 Hz са басовите тонове.

Басовите звуци се различават от високите по това, че първите се възприемат като дълбоки, тъмни и буещи, докато вторите са леки, ясни, весели и пронизващи. Също така ухото ги интерпретира като по-интензивни, за разлика от басовите звуци, които произвеждат усещането с по-малка интензивност.

Препратки

1. Figueroa, D. 2005. Вълни и квантова физика. Серия: Физика за наука и инженерство. Редактиран от Д. Фигероа.
2. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6-ти. Ед Прентис Хол.
3. Рокамора, А. Бележки за музикалната акустика. Възстановена от: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Физика за наука и инженерство. Том 1. 7-ми. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Акустика. Възстановено от: es.wikipedia.org.