SKAŅA: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, KĀ TĀ TIEK RAŽOTA, VEIDI - FIZISKĀ - 2025

Skaņa tiek definēta kā perturbācijas uz pavairošanas tādā vidē, piemēram, gaisa, pārmaiņus tas rada kompresiju un paplašināšanu tajā. Šīs gaisa spiediena un blīvuma izmaiņas sasniedz ausu, un smadzenes tos saprot kā dzirdes sajūtas.

Skaņas ir pavadījušas dzīvi kopš tās pirmsākumiem, veidojot daļu no instrumentiem, kas dzīvniekiem jāsazinās savā starpā un ar apkārtējo vidi. Daži cilvēki apgalvo, ka augi arī klausās, taču jebkurā gadījumā viņi varēja uztvert vides vibrācijas pat tad, ja viņiem nav dzirdes ierīces, piemēram, augstākiem dzīvniekiem.

1. attēls. Skaņas barjeras plīsums

Papildus skaņas izmantošanai, lai sazinātos ar runas palīdzību, cilvēki to izmanto arī kā māksliniecisku izpausmi, izmantojot mūziku. Visās senās un nesenās kultūrās ir visdažādākās muzikālās izpausmes, ar kuru palīdzību viņi stāsta savus stāstus, paražas, reliģisko pārliecību un jūtas.

Vēsture

Sakarā ar tā nozīmīgumu, cilvēce sāka interesēties par savas dabas izpēti un izveidoja akustiku - fizikas nozari, kas veltīta skaņas viļņu īpašībām un uzvedībai.

Ir zināms, ka slavenais matemātiķis Pitagors (569-475 BC) ilgu laiku pavadīja, pētot skaņu augstuma (frekvences) atšķirības. No otras puses, Aristotelis, kurš spekulēja par visiem dabas aspektiem, pareizi apgalvoja, ka skaņa sastāv no izplešanās un saspiešanas gaisā.

Vēlāk slavenais romiešu inženieris Vitruviuss (80-15 BC) uzrakstīja traktātu par akustiku un tās pielietojumu teātru celtniecībā. Pats Īzaks Ņūtons (1642-1727) izpētīja skaņas izplatīšanos cietā vidē un noteica tā izplatīšanās ātruma formulu.

Laika gaitā matemātiskie aprēķinu rīki ļāva adekvāti izteikt visu viļņu izturēšanās sarežģītību.

Skaņas raksturlielumi (īpašības)

Skaņas vilni visvienkāršākajā formā var raksturot kā sinusoidālu vilni, kas izplatās laikā un telpā, kā parādīts 2. attēlā. Tur tiek novērots, ka vilnis ir periodisks, tas ir, tam ir veids, kas atkārtojas laikā.

Būdams garenvirziens, izplatīšanās virziens un virziens, kurā pārvietojas vibrējošās vides daļiņas, ir vienādi.

Skaņas viļņu parametri

2. attēls. Skaņas ir garenvirziena vilnis, traucējumi izplatās tajā pašā virzienā, kurā molekulas pārvietojas. Avots: Wikimedia Commons.

Skaņas viļņa parametri ir:

T periods: ir laiks, kas nepieciešams, lai atkārtotu viļņa fāzi. Starptautiskajā sistēmā to mēra sekundēs.

Cikls : ir viļņa daļa, kas atrodas periodā un aptver no viena punkta uz otru, kurai ir vienāds augstums un vienāds slīpums. Tas var būt no vienas ielejas uz nākamo, no vienas grēdas uz nākamo vai no viena punkta uz otru, kas atbilst aprakstītajai specifikācijai.

Viļņa garums λ : tas ir attālums starp vienu viļņa galu un otru, starp vienu ieleju un otru vai parasti starp vienu un otru punktu ar tādu pašu augstumu un slīpumu. Tā kā tas ir garums, to mēra metros, lai arī citas vienības ir piemērotākas atkarībā no viļņa veida.

F frekvence : tiek definēta kā ciklu skaits vienā laika vienībā. Tās vienība ir hercs (Hz).

A amplitūda: atbilst viļņa maksimālajam augstumam attiecībā pret horizontālo asi.

Kā tiek radīta un izplatīta skaņa?

Skaņa tiek radīta, kad tiek vibrēts objekts, kas ir iegremdēts materiālā vidē, kā parādīts 2. attēla apakšā. Kreisajā pusē esošā skaļruņa saspringtā membrāna vibrē un pārraida traucējumus caur gaisu, līdz sasniedz klausītāju.

Traucējumam izplatoties, enerģija caur izplešanos un saspiešanu tiek nodota vidē esošajām molekulām, kas mijiedarbojas viens ar otru. Skaņas izplatīšanai vienmēr ir nepieciešams materiāls līdzeklis, neatkarīgi no tā, vai tā ir cieta, šķidra vai gāzēta.

Kad traucējumi gaisā sasniedz ausu, gaisa spiediena izmaiņas izraisa bungādiņas vibrāciju. Tas rada elektriskus impulsus, kas smadzenēs tiek pārsūtīti caur dzirdes nervu, un pēc tam impulsi tiek tulkoti skaņā.

Skaņas ātrums

Mehānisko viļņu ātrums dotajā vidē seko šīm attiecībām:

Piemēram, izplatoties gāzē, piemēram, gaisā, skaņas ātrumu var aprēķināt šādi:

Palielinoties temperatūrai, palielinās arī skaņas ātrums, jo barotnē esošās molekulas labprātāk vibrē un pārnes vibrāciju ar savām kustībām. Spiediens, no otras puses, neietekmē tā vērtību.

Attiecība starp viļņa garumu un frekvenci

Mēs jau esam redzējuši, ka laiks, kas vajadzīgs, lai vilnis pabeigtu ciklu, ir periods, savukārt šajā laika posmā nobrauktais attālums ir vienāds ar vienu viļņa garumu. Tāpēc skaņas ātrumu v definē šādi:

No otras puses, biežums un periods ir savstarpēji saistīti, viens ir otrādi, piemēram:

Kas noved pie:

Skaņas frekvences diapazons cilvēkiem ir no 20 līdz 20 000 Hz, tāpēc, aizstājot vērtības vienādojumā, skaņas viļņa garums ir no 1,7 cm līdz 17 m.

Šie viļņu garumi ir kopējo objektu lielums, kas ietekmē skaņas izplatīšanos, jo, būdams vilnis, saskaroties ar šķēršļiem, tas piedzīvo refleksiju, refrakciju un difrakciju.

Piedzīvojot difrakciju, skaņa tiek ietekmēta, saskaroties ar šķēršļiem un atverēm, kuru lielums ir tuvu vai mazāks par viļņa garumu.

Basu skaņas var labāk izplatīties lielos attālumos, tāpēc ziloņi izmanto infraskaņu (ļoti zemas frekvences skaņas, kas nav dzirdamas cilvēka ausij), lai sazinātos savās plašajās teritorijās.

Arī tad, ja tuvējā telpā skan mūzika, bass ir labāk dzirdams nekā trīskāršais, jo tā viļņa garums ir aptuveni durvju un logu izmērs. No otras puses, izejot no istabas, augstas skaņas tiek viegli pazaudētas un tāpēc pārstāj tikt dzirdamas.

Kā mēra skaņu?

Skaņa sastāv no virknes gaisa kompresiju un retu darbību, tā izplatoties, skaņa palielina un pazemina spiedienu. Starptautiskajā sistēmā spiedienu mēra paskālos, ko saīsina Pa.

Notiek tas, ka šīs izmaiņas ir ļoti mazas, salīdzinot ar atmosfēras spiedienu, kura vērtība ir aptuveni 101 000 Pa.

Pat visskaļākās skaņas rada tikai 20-30 Pa (sāpju slieksnis) svārstības, kas ir diezgan mazs daudzums salīdzinājumā. Bet, ja jūs varat izmērīt šīs izmaiņas, tad jums ir veids, kā izmērīt skaņu.

Skaņas spiediens ir atšķirība starp atmosfēras spiedienu ar skaņu un atmosfēras spiedienu bez skaņas. Kā jau teicām, visskaļākās skaņas rada skaņas spiedienu 20 Pa, bet vājākās rada aptuveni 0,00002 Pa (skaņas slieksnis).

Tā kā skaņas spiediena diapazons aptver vairākas jaudas 10, to norādīšanai jāizmanto logaritmiskā skala.

No otras puses, eksperimentāli tika noteikts, ka cilvēki zemas intensitātes skaņu izmaiņas uztver pamanāmāk nekā tāda paša lieluma, bet intensīvas skaņas izmaiņas.

Piemēram, ja skaņas spiediens palielinās par 1, 2, 4, 8, 16…, auss uztver intensitātes pieaugumu par 1, 2, 3, 4…. Šī iemesla dēļ ir ērti definēt jaunu daudzumu, ko sauc par skaņas spiediena līmeni (skaņas spiediena līmeni) L _P , kas definēts kā:

Kur P _o ir atsauces spiediens, ko ņem par dzirdes slieksni, un P ₁ ir vidējais faktiskais spiediens vai RMS spiediens. Šis RMS jeb vidējais spiediens ir tas, ko auss uztver kā skaņas signāla vidējo enerģiju.

Decibeli

Iepriekšminētā L _P izteiksmes rezultāts, novērtējot dažādas P ₁ vērtības , tiek izteikts decibelos, bez dimensijas. Skaņas spiediena līmeni šādi izteikt ir ļoti ērti, jo logaritmi lielus skaitļus pārveido mazākos, vieglāk vadāmos skaitļos.

Tomēr daudzos gadījumos decibelu noteikšanai ir vēlams izmantot skaņas intensitāti, nevis skaņas spiedienu.

Skaņas intensitāte ir enerģija, kas vienu sekundi (jauda) plūst caur vienības virsmu, kas orientēta perpendikulāri viļņa izplatīšanās virzienam. Tāpat kā skaņas spiediens, tas ir skalārs lielums, un to apzīmē ar I. I vienības ir W / m ² , tas ir, jauda uz laukuma vienību.

Var parādīt, ka skaņas intensitāte ir proporcionāla skaņas spiediena kvadrātam:

Šajā izteiksmē ρ ir barotnes blīvums un c ir skaņas ātrums. Tad skaņas intensitātes līmeni L _I definē šādi:

To izsaka arī decibelos un dažreiz apzīmē ar grieķu burtu β. Atsauces vērtība I _o ir 1 x 10 ^–12 W / m ² . Tādējādi 0 dB apzīmē cilvēka dzirdes apakšējo robežu, bet sāpju slieksnis ir 120 dB.

Tā kā tā ir logaritmiska skala, jāuzsver, ka nelielas atšķirības decibelu skaitā rada lielas atšķirības skaņas intensitātes ziņā.

Skaņas līmeņa mērītājs

Skaņas līmeņa mērītājs vai decibelmetrs ir ierīce, ko izmanto skaņas spiediena mērīšanai, norādot mērījumu decibelos. Tas ir paredzēts, lai reaģētu uz to tāpat kā cilvēka auss.

3. attēls. Skaņas spiediena līmeņa mērīšanai izmanto skaņas līmeņa mērītāju vai decibelmetru. Avots: Wikimedia Commons.

Tas sastāv no mikrofona signāla savākšanai, vairākām ķēdēm ar pastiprinātājiem un filtriem, kas ir atbildīgi par šī signāla adekvātu pārveidošanu elektriskā strāvā, un, visbeidzot, mērogā vai ekrānā, lai parādītu nolasījuma rezultātu.

Tos plaši izmanto, lai noteiktu dažu trokšņu ietekmi uz cilvēkiem un vidi. Piemēram, trokšņi rūpnīcās, rūpniecībā, lidostās, satiksmes troksnis un daudzi citi.

Skaņas tipi (infraskaņas, ultraskaņas, mono, stereo, polifoniskās, homofoniskās, basa, diskanta)

Skaņu raksturo tās frekvence. Saskaņā ar tiem, kurus cilvēka auss var uztvert, visas skaņas tiek klasificētas trīs kategorijās: tās, kuras mēs varam dzirdēt, vai dzirdamo spektru, tās, kuru frekvence ir zemāka par dzirdamā spektra vai infraskaņas apakšējo robežu, un tās, kuras atrodas virs dzirdamā spektra. augšējā robeža, ko sauc par ultraskaņu.

Jebkurā gadījumā, tā kā skaņas viļņi var lineāri pārklāties, ikdienas skaņas, kuras mēs dažreiz interpretējam kā unikālas, faktiski sastāv no dažādām skaņām ar atšķirīgām, bet tuvām frekvencēm.

4. attēls. Skaņas spektra un frekvences diapazoni. Avots: Wikimedia Commons.

Skaņas spektrs

Cilvēka auss ir paredzēts, lai uzņemtu plašu frekvenču diapazonu: no 20 līdz 20 000 Hz, bet ne visas frekvences šajā diapazonā tiek uztvertas ar vienādu intensitāti.

Auss ir jutīgāks frekvenču joslā no 500 līdz 6000 Hz, tomēr ir arī citi faktori, kas ietekmē spēju uztvert skaņu, piemēram, vecums.

Infraskaņas

Tās ir skaņas, kuru frekvence ir mazāka par 20 Hz, bet tas, ka cilvēki tās nevar dzirdēt, nenozīmē, ka citi dzīvnieki to nevar. Piemēram, ziloņi tos izmanto, lai sazinātos, jo infraskaņa var nobraukt lielus attālumus.

Citi dzīvnieki, piemēram, tīģeris, tos izmanto, lai apdullinātu savu laupījumu. Infraskaņa tiek izmantota arī lielu priekšmetu noteikšanai.

Ultraskaņa

Viņu frekvences pārsniedz 20 000 Hz, un tos plaši izmanto daudzās jomās. Viens no ievērojamākajiem ultraskaņas pielietojumiem ir kā medicīnisks līdzeklis gan diagnostikā, gan ārstēšanā. Attēli, kas iegūti ar ultraskaņu, nav invazīvi un neizmanto jonizējošo starojumu.

Ultraskaņas tiek izmantotas arī, lai atrastu defektus konstrukcijās, noteiktu attālumus, atklātu šķēršļus navigācijas laikā un daudz ko citu. Dzīvnieki izmanto arī ultraskaņu, un faktiski tieši tā tika atklāta.

Sikspārņi izstaro skaņas impulsus un pēc tam interpretē viņu radīto atbalsi, lai novērtētu attālumus un noteiktu laupījumu. No savas puses suņi var dzirdēt arī ultraskaņas, un tāpēc viņi reaģē uz suņa svilpi, ko viņu īpašnieks nedzird.

Monofoniskā skaņa un stereofoniskā skaņa

4. attēls. Ierakstu studijā skaņu atbilstoši modificē elektroniskas ierīces. Avots: Pixabay.

Monofoniskā skaņa ir signāls, kas ierakstīts ar vienu mikrofonu vai audio kanālu. Klausoties ar austiņām vai skaņas signāliem, abas ausis dzird tieši to pašu. Turpretī stereofoniskā skaņa reģistrē signālus ar diviem neatkarīgiem mikrofoniem.

Mikrofoni atrodas dažādās pozīcijās, lai tie varētu uzņemt dažādu skaņas spiedienu pēc tā, ko vēlaties ierakstīt.

Tad katra auss saņem vienu no šīm signālu kopām, un, kad smadzenes tos savāc un interpretē, rezultāts ir daudz reālistiskāks nekā klausoties monofoniskās skaņas. Tāpēc tā ir vēlamā metode, kad runa ir par mūziku un filmām, lai arī radio monofonisko vai mono skaņu joprojām izmanto, it īpaši intervijās un sarunās.

Homofonija un polifonija

Muzikāli runājot, homofonija sastāv no vienas un tās pašas melodijas, ko spēlē divas vai vairākas balsis vai instrumenti. No otras puses, polifonijā ir divas vai vairākas vienlīdz svarīgas balsis vai instrumenti, kas seko melodijām un pat dažādiem ritmiem. Rezultātā iegūtais šo skaņu ansamblis ir harmonisks, piemēram, Baha mūzika.

Bass un augstās skaņas

Cilvēka auss izšķir dzirdamās frekvences kā augstas, zemas vai vidējas. Tas ir tas, ko sauc par skaņas piķi.

Augstākās frekvences no 1600 līdz 20 000 Hz tiek uzskatītas par akūtām skaņām, josla starp 400 un 1600 Hz atbilst skaņām ar vidēju signālu, un visbeidzot, frekvences diapazonā no 20 līdz 400 Hz ir basa signāli.

Basu skaņas atšķiras no trīskāršotības ar to, ka pirmās tiek uztvertas kā dziļas, tumšas un plaukstošas, savukārt pēdējās ir vieglas, skaidras, dzīvespriecīgas un caurdurtas. Arī auss tos interpretē kā intensīvākus, atšķirībā no basa skaņām, kas rada mazākas intensitātes sajūtu.

Atsauces

1. Figueroa, D. 2005. Viļņu un kvantu fizika. Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. Rediģēja D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. Eds Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Piezīmes par muzikālo akustiku. Atgūts no: eumus.edu.uy.
4. Servejs, R., Jewett, J. (2008). Fizika zinātnei un inženierijai. 1. sējums. 7. Ed. Cengage mācīšanās.
5. Wikipedia. Akustika. Atgūts no: es.wikipedia.org.