LJUD: HISTORIA, EGENSKAPER, HUR DET PRODUCERAS, TYPER - FYSISK - 2025

Det ljud definieras som en störning till som utbreder sig i ett medium såsom luft, alternerande den producerar kompressioner och expansioner i den. Dessa förändringar i lufttryck och densitet når örat och tolkas av hjärnan som hörselkänslor.

Ljud har åtföljt livet sedan starten och utgör en del av de verktyg som djur måste kommunicera med varandra och med sin miljö. Vissa hävdar att växter också lyssnar, men i alla fall kan de uppleva vibrationerna i miljön även om de inte har en hörsel som högre djur.

Bild 1. Brott i ljudbarriären

Förutom att använda ljud för att kommunicera genom tal, använder människor det som ett konstnärligt uttryck genom musik. Alla kulturer, forntida och nyligen, har musikaliska manifestationer av alla slag genom vilka de berättar sina historier, seder, religiösa övertygelser och känslor.

Historia

På grund av dess betydelse blev mänskligheten intresserad av att studera dess natur och skapade akustik, en gren av fysik som ägnas åt ljudvågens egenskaper och beteende.

Det är känt att den berömda matematikern Pythagoras (569-475 f.Kr.) tillbringade en lång tid på att studera skillnaderna i höjd (frekvens) mellan ljud. Å andra sidan hävdade Aristoteles, som spekulerade i alla aspekter av naturen, korrekt att ljudet bestod av expansioner och kompressioner i luften.

Senare skrev den berömda romerska ingenjören Vitruvius (80-15 f.Kr.) en avhandling om akustik och dess tillämpningar vid byggandet av teatrar. Isaac Newton själv (1642-1727) studerade spridningen av ljud i fasta medier och bestämde en formel för dess propagationshastighet.

Med tiden gjorde de matematiska beräkningsverktygen det möjligt att på ett tillfredsställande sätt uttrycka alla komplexiteten hos vågbeteenden.

Ljudegenskaper (egenskaper)

I sin enklaste form kan en ljudvåg beskrivas som en sinusformad våg som sprider sig i tid och rum, som den som visas i figur 2. Där observeras att vågen är periodisk, det vill säga den har en ett sätt som upprepar sig i tid.

Som en longitudinell våg är spridningsriktningen och riktningen i vilken partiklarna i det vibrerande mediet rör sig.

Parametrar för ljudvåg

Bild 2. Ljudet är en längsgående våg, störningen sprider sig i samma riktning som molekylerna upplever sin förskjutning. Källa: Wikimedia Commons.

Parametrarna för en ljudvåg är:

Period T: är den tid det tar att upprepa en fas av vågen. I det internationella systemet mäts det i sekunder.

Cykel : är den del av vågen som ingår i perioden och täcker från en punkt till en annan som har samma höjd och samma lutning. Det kan vara från en dal till nästa, från en ås till nästa eller från en punkt till en annan som uppfyller specifikationen som beskrivs.

Våglängd λ : är avståndet mellan en vapen och en annan av vågen, mellan en dal och en annan, eller i allmänhet mellan en punkt och nästa med samma höjd och lutning. Som en längd mäts det i meter, även om andra enheter är mer lämpliga beroende på vågtyp.

Frekvens f : definieras som antalet cykler per tidsenhet. Dess enhet är Hertz (Hz).

Amplitude A: motsvarar vågens maximala höjd med avseende på den horisontella axeln.

Hur produceras och sprids ljud?

Ljud produceras när ett föremål som är nedsänkt i ett materialmedium vibreras, som visas längst ner i figur 2. Det spända membranet på högtalaren till vänster vibrerar och överför störningen genom luften tills når lyssnaren.

När störningen sprids överförs energi till molekylerna i miljön, som interagerar med varandra, genom expansioner och kompressioner. Du behöver alltid ett material för spridning av ljud, vare sig det är fast, flytande eller gas.

När störningen i luften når örat orsakar variationer i lufttryck trumhinnan att vibrera. Detta ger upphov till elektriska impulser som överförs till hjärnan via hörselnerven, och en gång där översätts impulserna till ljud.

Ljudets hastighet

Hastigheten hos mekaniska vågor i ett givet medium följer detta förhållande:

När man till exempel sprider sig i en gasliknande luft kan ljudets hastighet beräknas som:

När temperaturen ökar, gör även ljudets hastighet, eftersom molekylerna i mediet är mer villiga att vibrera och överföra vibrationen genom sina rörelser. Trycket å andra sidan påverkar inte dess värde.

Förhållande mellan våglängd och frekvens

Vi har redan sett att den tid det tar för vågen att slutföra en cykel är perioden, medan det sträckta avståndet under den tidsperioden är lika med en våglängd. Därför definieras hastigheten v för ljudet som:

Å andra sidan är frekvensen och perioden relaterade, varav den ena är den andra omvända, så här:

Som leder till:

Det hörbara frekvensområdet hos människor är mellan 20 och 20 000 Hz, därför är ljudvåglängden mellan 1,7 cm och 17 m när värdena i ovanstående ekvation ersätts.

Dessa våglängder är storleken på vanliga objekt, vilket påverkar spridningen av ljudet, eftersom det är en våg, det upplever reflektion, brytning och diffraktion när det möter hinder.

Att uppleva diffraktion innebär att ljudet påverkas när det möter hinder och öppningar som är nära eller mindre i storlek som dess våglängd.

Basljud kan spridas bättre över långa avstånd, varför elefanter använder infrasound (mycket lågfrekventa ljud, som inte hörs av det mänskliga örat) för att kommunicera över sina enorma territorier.

Även när det finns musik i ett närliggande rum hörs basen bättre än diskanten, eftersom dess våglängd är ungefär storleken på dörrar och fönster. Å andra sidan, när man lämnar rummet går de höga ljuden lätt förlorade och slutar därför att höras.

Hur mäts ljudet?

Ljudet består av en serie av kompressioner och sällsynta effekter av luften, på ett sådant sätt att när det sprider sig, orsakar ljudet ökningar och minskningar i trycket. I det internationella systemet mäts trycket i pascaler, som är förkortat Pa.

Det som händer är att dessa förändringar är mycket små jämfört med atmosfärstrycket, vilket är värt cirka 101 000 Pa.

Till och med de högsta ljuden ger fluktuationer på så lite som 20-30 Pa (smärttröskel), en ganska liten mängd i jämförelse. Men om du kan mäta dessa förändringar, har du ett sätt att mäta ljud.

Ljudtryck är skillnaden mellan atmosfärstryck med ljud och atmosfärstryck utan ljud. Som sagt har de högsta ljuden producerat ljudtryck på 20 Pa, medan de svagaste orsakar cirka 0,00002 Pa (ljudtröskel).

Eftersom området för ljudtryck sträcker sig över flera krafter på 10, bör en logaritmisk skala användas för att indikera dem.

Å andra sidan bestämdes det experimentellt att människor uppfattar förändringar i lågintensitetsljud mer märkbart än förändringar av samma storlek men i intensiva ljud.

Om exempelvis ljudtrycket ökar med 1, 2, 4, 8, 16 …, uppfattar örat ökningar med 1, 2, 3, 4 … i intensitet. Av detta skäl är det bekvämt att definiera en ny mängd som kallas ljudtrycksnivån (Ljudtrycksnivå) L _P , definierad som:

Där P _o är referenstrycket som tas som hörseltröskeln och P ₁ är den genomsnittliga effektiva trycket eller RMS tryck. Detta RMS eller genomsnittligt tryck är vad örat uppfattar som ljudsignalens genomsnittliga energi.

decibel

Resultatet av ovanstående uttryck för L _P , när de utvärderas för olika värden på P ₁ , ges i decibel, en dimensionslös storhet. Det är mycket bekvämt att uttrycka ljudtrycksnivån eftersom logaritmer konverterar stora nummer till mindre och mer hanterbara nummer.

I många fall är det emellertid att föredra att använda ljudintensitet för att bestämma decibel, snarare än ljudtryck.

Ljudintensitet är energin som strömmar under en sekund (effekt) genom en enhetsytororienterad vinkelrätt mot den riktning i vilken vågen sprider sig. Liksom ljudtryck är det en skalmängd och betecknas I. Enheterna på I är W / m ² , det vill säga effekt per enhetsarea.

Det kan visas att ljudets intensitet är proportionell mot kvadratet för ljudtrycket:

I detta uttryck är ρ densitet för mediet och c är ljudets hastighet. Därefter definieras ljudintensitetsnivån L _I som:

Vilket uttrycks också i decibel och ibland betecknas med den grekiska bokstaven β. Referensvärdet I _o är 1 x 10 ^-12 W / m ² . Således representerar 0 dB den nedre gränsen för mänsklig hörsel, medan smärttröskeln är 120 dB.

Eftersom det är en logaritmisk skala, måste det betonas att små skillnader i antalet decibel gör stor skillnad när det gäller ljudintensitet.

Ljudnivån mätare

En ljudnivåmätare eller decibelmätare är en enhet som används för att mäta ljudtryck, som indikerar mätningen i decibel. Det är utformat för att svara på det på samma sätt som det mänskliga örat skulle göra.

Bild 3. Ljudnivåmätaren eller decibelmetern används för att mäta ljudtrycksnivån. Källa: Wikimedia Commons.

Den består av en mikrofon för att samla in signalen, fler kretsar med förstärkare och filter, som ansvarar för att adekvat transformera denna signal till en elektrisk ström, och slutligen en skala eller en skärm för att visa resultatet av avläsningen.

De används ofta för att bestämma påverkan som vissa ljud har på människor och miljön. Till exempel ljud i fabriker, industrier, flygplatser, trafikbuller och många andra.

Ljudtyper (infrasound, ultraljud, mono, stereo, polyfon, homofon, bas, diskant)

Ljudet kännetecknas av dess frekvens. Enligt de som det mänskliga örat kan fånga, klassificeras alla ljud i tre kategorier: de som vi kan höra eller det hörbara spektrumet, de som har en frekvens under den nedre gränsen för det hörbara spektrumet eller infrasound, och de som är över det hörbara spektrumet. övre gräns, kallad ultraljud.

I alla fall, eftersom ljudvågor kan överlappa linjärt består vardagsljud, som vi ibland tolkar som unika, faktiskt av olika ljud med olika men nära frekvenser.

Bild 4. Ljudspektrum och frekvensområden. Källa: Wikimedia Commons.

Hörbart spektrum

Det mänskliga örat är utformat för att ta upp ett brett frekvensområde: mellan 20 och 20 000 Hz, men inte alla frekvenser i detta intervall uppfattas med samma intensitet.

Öra är mer känsligt i frekvensbandet mellan 500 och 6 000 Hz, men det finns andra faktorer som påverkar förmågan att uppfatta ljud, som ålder.

Infra

Det är ljud vars frekvens är mindre än 20 Hz, men det faktum att människor inte kan höra dem betyder inte att andra djur inte kan. Till exempel använder elefanter dem för att kommunicera, eftersom infrasound kan resa långa sträckor.

Andra djur, som tigern, använder dem för att bedöva sitt rov. Infrasound används också vid detektering av stora föremål.

Ultraljud

De har frekvenser större än 20 000 Hz och används ofta i många fält. En av de mest anmärkningsvärda användningarna av ultraljud är som ett verktyg för medicin, både diagnostisk och behandling. Bilderna erhållna med ultraljud är icke-invasiva och använder inte joniserande strålning.

Ultraljud används också för att hitta fel i strukturer, bestämma avstånd, upptäcka hinder under navigering och mer. Djur använder också ultraljud, och det är faktiskt hur dess existens upptäcktes.

Fladdermöss avger ljudpulser och tolkar sedan ekot som de producerar för att uppskatta avstånd och lokalisera byten. För sin del kan hundar också höra ultraljud, och det är därför de svarar på hundfluitan som deras ägare inte kan höra.

Monofoniskt ljud och stereofoniskt ljud

Bild 4. I en inspelningsstudio modifieras ljudet på lämpligt sätt av elektroniska enheter. Källa: Pixabay.

Monofoniskt ljud är en signal inspelad med en enda mikrofon eller ljudkanal. När du lyssnar med hörlurar eller ljudhorn hör båda öronen exakt samma sak. Däremot spelar stereofoniskt ljud signaler med två oberoende mikrofoner.

Mikrofonerna är placerade i olika positioner så att de kan ta upp olika ljudtryck av vad du vill spela in.

Sedan får varje öra en av dessa uppsättningar signaler, och när hjärnan samlar och tolkar dem är resultatet mycket mer realistiskt än när man lyssnar på monofoniska ljud. Det är därför den föredragna metoden när det gäller musik och film, även om monofoniskt eller monauralt ljud fortfarande används på radio, särskilt för intervjuer och konversationer.

Homofoni och polyfoni

Musikaliskt sett består homofoni av samma melodi som spelas av två eller flera röster eller instrument. Å andra sidan finns det i polyfoni två eller flera röster eller instrument av lika betydelse som följer melodier och till och med olika rytmer. Den resulterande ensemblen av dessa ljud är harmonisk, till exempel musik från Bach.

Bas- och diskantljud

Det mänskliga örat diskriminerar hörbara frekvenser som höga, låga eller medelstora. Det här är det som kallas ljudets tonhöjd.

De högsta frekvenserna, mellan 1600 och 20 000 Hz, betraktas som akuta ljud, bandet mellan 400 och 1600 Hz motsvarar ljud med en medium ton och slutligen är frekvenserna i intervallet 20 till 400 Hz bastonerna.

Basljud skiljer sig från diskanten genom att de förstnämnda uppfattas som djupa, mörka och blomstrande, medan de senare är ljusa, tydliga, glada och genomträngande. Dessutom tolkar örat dem som mer intensiva, till skillnad från basljud, som ger känslan av mindre intensitet.

referenser

1. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Redigerad av D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6:e. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Anteckningar om musikalisk akustik. Återställd från: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysik för vetenskap och teknik. Volym 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Akustik. Återställd från: es.wikipedia.org.