DŹWIĘK: HISTORIA, CHARAKTERYSTYKA, SPOSÓB PRODUKCJI, RODZAJE - FIZYCZNY - 2025

Dźwięk jest definiowana jako zaburzenie do rozmnożeniowego w ośrodku takim jak powietrze, na przemian to powoduje uciskanie i ekspansje w nim. Te zmiany ciśnienia i gęstości powietrza docierają do ucha i są interpretowane przez mózg jako wrażenia słuchowe.

Dźwięki towarzyszą życiu od samego początku, stanowiąc część narzędzi, które zwierzęta muszą komunikować się ze sobą i ze swoim otoczeniem. Niektórzy twierdzą, że rośliny również słuchają, ale w każdym razie potrafią dostrzec wibracje otoczenia, nawet jeśli nie mają urządzenia słuchowego, jak wyższe zwierzęta.

Rysunek 1. Zerwanie bariery dźwiękowej

Oprócz używania dźwięku do komunikowania się za pomocą mowy, ludzie używają go jako artystycznej ekspresji poprzez muzykę. Wszystkie kultury, starożytne i współczesne, mają wszelkiego rodzaju muzyczne przejawy, poprzez które opowiadają swoje historie, zwyczaje, wierzenia religijne i uczucia.

Historia

Ze względu na jego znaczenie, ludzkość zainteresowała się badaniem jego natury i stworzyła akustykę, gałąź fizyki poświęconą właściwościom i zachowaniu fal dźwiękowych.

Wiadomo, że słynny matematyk Pitagoras (569-475 pne) długo badał różnice w wysokości (częstotliwości) między dźwiękami. Z drugiej strony Arystoteles, który spekulował na temat wszystkich aspektów przyrody, słusznie stwierdził, że dźwięk składa się z rozszerzania się i kompresji powietrza.

Później słynny rzymski inżynier Witruwiusz (80-15 pne) napisał traktat o akustyce i jej zastosowaniach w budowie teatrów. Sam Izaak Newton (1642-1727) badał rozchodzenie się dźwięku w mediach stałych i ustalił formułę określającą jej prędkość.

Z biegiem czasu matematyczne narzędzia obliczeniowe pozwoliły odpowiednio wyrazić całą złożoność zachowania fal.

Charakterystyka dźwięku (właściwości)

W najprostszej postaci falę dźwiękową można opisać jako falę sinusoidalną, rozchodzącą się w czasie i przestrzeni, tak jak pokazano na rysunku 2. Tam obserwuje się, że fala jest okresowa, to znaczy ma sposób, który się powtarza w czasie.

Będąc falą podłużną, kierunek propagacji i kierunek ruchu cząstek ośrodka drgającego są takie same.

Parametry fali dźwiękowej

Rysunek 2. Dźwięk jest falą podłużną, zaburzenie rozchodzi się w tym samym kierunku, w którym przemieszczają się cząsteczki. Źródło: Wikimedia Commons.

Parametry fali dźwiękowej to:

Okres T: to czas potrzebny na powtórzenie fazy fali. W systemie międzynarodowym jest mierzony w sekundach.

Cykl : to część fali zawarta w okresie i obejmuje od jednego punktu do drugiego, która ma tę samą wysokość i to samo nachylenie. Może to być od jednej doliny do drugiej, od jednego grzbietu do następnego lub od jednego punktu do drugiego, który spełnia opisaną specyfikację.

Długość fali λ : to odległość między jednym grzbietem a drugim falą, między jedną doliną a drugą lub ogólnie między jednym a następnym punktem o tej samej wysokości i nachyleniu. Będąc długością, mierzy się ją w metrach, chociaż inne jednostki są bardziej odpowiednie w zależności od rodzaju fali.

Częstotliwość f : jest definiowana jako liczba cykli na jednostkę czasu. Jego jednostką jest herc (Hz).

Amplituda A: odpowiada maksymalnej wysokości fali w odniesieniu do osi poziomej.

Jak jest wytwarzany i propagowany dźwięk?

Dźwięk jest wytwarzany, gdy przedmiot zanurzony w medium materialnym jest wibrujący, jak pokazano na dole rysunku 2. Naprężona membrana głośnika po lewej wibruje i przenosi zakłócenia w powietrzu do dociera do słuchacza.

W miarę rozprzestrzeniania się zakłócenia energia jest przekazywana do cząsteczek w środowisku, które oddziałują ze sobą poprzez ekspansje i kompresje. Do rozchodzenia się dźwięku zawsze potrzebujesz nośnika materialnego, czy to ciała stałego, cieczy czy gazu.

Kiedy zaburzenie w powietrzu dociera do ucha, wahania ciśnienia powietrza powodują wibracje błony bębenkowej. Powoduje to powstanie impulsów elektrycznych, które są przekazywane do mózgu przez nerw słuchowy, a gdy już tam są, są zamieniane na dźwięk.

Szybkość dźwięku

Szybkość fal mechanicznych w danym ośrodku kształtuje się następująco:

Na przykład, gdy rozchodzi się w gazie takim jak powietrze, prędkość dźwięku można obliczyć jako:

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie prędkość dźwięku, ponieważ cząsteczki w ośrodku są bardziej skłonne do wibracji i przekazywania wibracji poprzez swoje ruchy. Z drugiej strony ciśnienie nie wpływa na jego wartość.

Zależność między długością fali a częstotliwością

Widzieliśmy już, że czas potrzebny na zakończenie cyklu przez falę to okres, podczas gdy odległość przebyta w tym okresie jest równa jednej długości fali. Dlatego prędkość v dźwięku definiuje się jako:

Ze swojej strony częstotliwość i okres są ze sobą powiązane, przy czym jeden jest odwrotnością drugiego, na przykład:

Który prowadzi do:

Zakres częstotliwości słyszalnych u ludzi wynosi od 20 do 20000 Hz, dlatego długość fali dźwięku wynosi od 1,7 cm do 17 m przy podstawianiu wartości z powyższego równania.

Te długości fal są wielkością zwykłych obiektów, co wpływa na rozchodzenie się dźwięku, ponieważ będąc falą doświadcza odbicia, załamania i dyfrakcji, gdy napotka przeszkody.

Doświadczanie dyfrakcji oznacza, że ​​dźwięk jest podatny na napotkanie przeszkód i otworów, które są bliskie lub mniejsze od długości fali.

Dźwięki basowe najlepiej rozprzestrzeniają się na duże odległości, dlatego słonie wykorzystują infradźwięki (dźwięki o bardzo niskiej częstotliwości, niesłyszalne dla ludzkiego ucha) do komunikowania się na swoich rozległych terytoriach.

Również wtedy, gdy w pobliskim pomieszczeniu jest muzyka, bas jest lepiej słyszalny niż góra, ponieważ jego długość jest mniej więcej wielkości drzwi i okien. Z drugiej strony, wychodząc z pomieszczenia, wysokie dźwięki są łatwo tracone i dlatego przestają być słyszalne.

Jak mierzony jest dźwięk?

Dźwięk składa się z szeregu uciśnięć i rozrzedzeń powietrza w taki sposób, że rozchodząc się, dźwięk powoduje wzrost i spadek ciśnienia. W systemie międzynarodowym ciśnienie mierzone jest w paskalach, w skrócie Pa.

Dzieje się tak, że zmiany te są bardzo małe w porównaniu z ciśnieniem atmosferycznym, które jest warte około 101 000 Pa.

Nawet najgłośniejsze dźwięki powodują wahania rzędu zaledwie 20-30 Pa (próg bólu), w porównaniu z dość małą wartością. Ale jeśli potrafisz zmierzyć te zmiany, masz sposób pomiaru dźwięku.

Ciśnienie akustyczne to różnica między ciśnieniem atmosferycznym a dźwiękiem i ciśnieniem atmosferycznym bez dźwięku. Jak już powiedzieliśmy, najgłośniejsze dźwięki wytwarzają ciśnienie akustyczne 20 Pa, a najsłabsze około 0,00002 Pa (próg dźwięku).

Ponieważ zakres ciśnień akustycznych obejmuje kilka potęg 10, do ich wskazania należy użyć skali logarytmicznej.

Z drugiej strony eksperymentalnie ustalono, że ludzie odczuwają zmiany w dźwiękach o niskiej intensywności bardziej zauważalnie niż zmiany o tej samej wielkości, ale w dźwiękach intensywnych.

Na przykład, jeśli ciśnienie akustyczne wzrośnie o 1, 2, 4, 8, 16…, ucho odczuje wzrost natężenia o 1, 2, 3, 4…. Z tego powodu wygodnie jest zdefiniować nową wielkość zwaną poziomem ciśnienia akustycznego (Poziom ciśnienia akustycznego) L _P , zdefiniowaną jako:

Gdzie P _o to ciśnienie odniesienia, które jest przyjmowane jako próg słyszalności, a P ₁ to średnie ciśnienie efektywne lub ciśnienie RMS. To RMS lub średnie ciśnienie jest tym, co ucho odbiera jako średnią energię sygnału dźwiękowego.

Decybele

Wynik powyższego wyrażenia dla L _P , oceniany dla różnych wartości P ₁ , jest podawany w decybelach, wielkości bezwymiarowej. Wyrażanie takiego poziomu ciśnienia akustycznego jest bardzo wygodne, ponieważ logarytmy zamieniają duże liczby na mniejsze, łatwiejsze do opanowania.

Jednak w wielu przypadkach do określenia decybeli lepiej jest używać natężenia dźwięku, a nie ciśnienia akustycznego.

Natężenie dźwięku to energia przepływająca przez jedną sekundę (moc) przez powierzchnię jednostkową zorientowaną prostopadle do kierunku propagacji fali. Podobnie jak ciśnienie akustyczne jest wielkością skalarną i jest oznaczane jako I. Jednostki I to W / m ² , czyli moc na jednostkę powierzchni.

Można wykazać, że natężenie dźwięku jest proporcjonalne do kwadratu ciśnienia akustycznego:

W tym wyrażeniu ρ to gęstość ośrodka, a c to prędkość dźwięku. Następnie poziom natężenia dźwięku L _I określa się jako:

Który jest również wyrażany w decybelach i czasami jest oznaczany grecką literą β. Wartość odniesienia I _o wynosi 1 x ^10-12 W / m ² . Zatem 0 dB reprezentuje dolną granicę ludzkiego słuchu, podczas gdy próg bólu wynosi 120 dB.

Ponieważ jest to skala logarytmiczna, należy podkreślić, że niewielkie różnice w liczbie decybeli powodują dużą różnicę w natężeniu dźwięku.

Miernik poziomu dźwięku

Miernik poziomu dźwięku lub decybelomierz to urządzenie służące do pomiaru ciśnienia akustycznego, wskazujące pomiar w decybelach. Został zaprojektowany, aby reagować na to w taki sam sposób, jak ludzkie ucho.

Rysunek 3. Miernik poziomu dźwięku lub decybelomierz służy do pomiaru poziomu ciśnienia akustycznego. Źródło: Wikimedia Commons.

Składa się z mikrofonu do zbierania sygnału, większej liczby obwodów ze wzmacniaczami i filtrami, które odpowiadają za odpowiednie przekształcenie tego sygnału w prąd elektryczny, a na końcu skali lub ekranu pokazującego wynik odczytu.

Są szeroko stosowane do określenia wpływu, jaki niektóre dźwięki wywierają na ludzi i środowisko. Na przykład hałas w fabrykach, przemyśle, na lotniskach, hałas uliczny i wiele innych.

Rodzaje dźwięków (infradźwięki, ultradźwięki, mono, stereo, polifoniczne, homofoniczne, basowe, wysokie)

Dźwięk charakteryzuje się częstotliwością. Zgodnie z tymi, które może wychwycić ludzkie ucho, wszystkie dźwięki są podzielone na trzy kategorie: te, które słyszymy lub widmo słyszalne, te, które mają częstotliwość poniżej dolnej granicy widma słyszalnego lub infradźwięków oraz te, które znajdują się powyżej widma słyszalnego. górna granica, zwana ultradźwiękami.

W każdym razie, ponieważ fale dźwiękowe mogą nakładać się liniowo, codzienne dźwięki, które czasami interpretujemy jako wyjątkowe, w rzeczywistości składają się z różnych dźwięków o różnych, ale bliskich częstotliwościach.

Rysunek 4. Widmo dźwięku i zakresy częstotliwości. Źródło: Wikimedia Commons.

Słyszalne widmo

Ludzkie ucho zostało zaprojektowane do odbierania szerokiego zakresu częstotliwości: między 20 a 20 000 Hz, ale nie wszystkie częstotliwości w tym zakresie są odbierane z taką samą intensywnością.

Ucho jest bardziej czułe w paśmie częstotliwości od 500 do 6000 Hz, jednak istnieją inne czynniki, które wpływają na zdolność odbierania dźwięku, takie jak wiek.

Infradźwięki

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

Inne zwierzęta, takie jak tygrys, używają ich do ogłuszania zdobyczy. Infradźwięki są również wykorzystywane do wykrywania dużych obiektów.

Ultradźwięk

Mają częstotliwości większe niż 20000 Hz i są szeroko stosowane w wielu dziedzinach. Jednym z najbardziej znaczących zastosowań ultradźwięków jest narzędzie medyczne, zarówno diagnostyczne, jak i lecznicze. Obrazy uzyskane za pomocą ultradźwięków są nieinwazyjne i nie wykorzystują promieniowania jonizującego.

Ultradźwięki są również używane do znajdowania usterek w konstrukcjach, określania odległości, wykrywania przeszkód podczas nawigacji i nie tylko. Zwierzęta również korzystają z ultradźwięków i tak naprawdę odkryto jego istnienie.

Nietoperze emitują impulsy dźwiękowe, a następnie interpretują wytwarzane przez nie echo, aby oszacować odległości i zlokalizować ofiarę. Ze swojej strony psy również słyszą ultradźwięki i dlatego reagują na gwizdek, którego właściciel nie słyszy.

Dźwięk monofoniczny i dźwięk stereofoniczny

Rysunek 4. W studiu nagrań dźwięk jest odpowiednio modyfikowany przez urządzenia elektroniczne. Źródło: Pixabay.

Dźwięk monofoniczny to sygnał nagrany za pomocą pojedynczego mikrofonu lub kanału audio. Podczas słuchania przez słuchawki lub tuby dźwiękowe oboje uszu słyszą dokładnie to samo. Z kolei dźwięk stereofoniczny rejestruje sygnały za pomocą dwóch niezależnych mikrofonów.

Mikrofony są rozmieszczone w różnych pozycjach, dzięki czemu mogą wychwytywać różne ciśnienia dźwięku tego, co chcesz nagrać.

Następnie każde ucho otrzymuje jeden z tych zestawów sygnałów, a kiedy mózg je zbiera i interpretuje, wynik jest znacznie bardziej realistyczny niż podczas słuchania dźwięków monofonicznych. Jest to zatem preferowana metoda, jeśli chodzi o muzykę i film, chociaż dźwięk monofoniczny lub monofoniczny jest nadal używany w radiu, zwłaszcza do wywiadów i rozmów.

Homofonia i polifonia

Muzycznie homofonia składa się z tej samej melodii granej przez dwa lub więcej głosów lub instrumentów. Z drugiej strony, w polifonii istnieją dwa lub więcej głosów lub instrumentów o jednakowym znaczeniu, które podążają za melodiami, a nawet różnymi rytmami. Powstały w ten sposób zespół tych dźwięków jest harmonijny, jak muzyka Bacha.

Dźwięki basowe i wysokie

Ludzkie ucho rozróżnia słyszalne częstotliwości jako wysokie, niskie lub średnie. To jest tak zwana wysokość dźwięku.

Najwyższe częstotliwości, od 1600 do 20000 Hz, są uważane za dźwięki ostre, pasmo między 400 a 1600 Hz odpowiada dźwiękom o tonie średnim, a częstotliwości w zakresie od 20 do 400 Hz to dźwięki basowe.

Dźwięki basowe różnią się od góry tym, że te pierwsze odbierane są jako głębokie, ciemne i dudniące, podczas gdy te drugie są lekkie, czyste, radosne i przeszywające. Ponadto ucho interpretuje je jako bardziej intensywne, w przeciwieństwie do dźwięków basowych, które powodują wrażenie mniejszej intensywności.

Bibliografia

1. Figueroa, D. 2005. Fale i fizyka kwantowa. Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Pod redakcją D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Uwagi dotyczące akustyki muzycznej. Odzyskany z: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Akustyka. Odzyskane z: es.wikipedia.org.