Ljud

Vi förklarar vad ljudet, dess egenskaper, hur det inträffar och de typer som är

Figur 1. Bruset i ljudbarriären

Vad är ljudet?

han ljud Det definieras som en störning att genom att sprida sig i en medium som luft, växelvis producerar kompressioner och utvidgningar i den. Dessa förändringar i lufttryck och densitet når örat och tolkas av hjärnan som hörselupplevelser.

Ljuden följer livet sedan starten och är en del av de verktyg som djur måste kommunicera med varandra och med sin omgivning. Vissa människor säger att växter också lyssnar, men i alla fall kan de uppfatta miljöns vibrationer även om de inte har en hörselapparat som högre djur.

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

Ljudegenskaper (egenskaper)

I sin enklaste form kan en ljudvåg beskrivas som en sinusformad våg som sprider sig över tid och rum, till exempel den som är lägre. Där observeras att vågen är periodisk, det vill säga den har en form som upprepas över tid.

Att vara en longitudinell våg, förökningsriktningen och riktningen i vilken partiklarna på mediet som är vibrerande är desamma.

Ljudvågparametrar

figur 2. Ljudet är en longitudinell våg, störningen sprids i samma riktning som molekylerna upplever deras förskjutning. Källa: Wikimedia Commons.

Parametrarna för en ljudvåg är:

• T -period: Det är den tid det tar att upprepa en vågfas. I det internationella systemet mäts det på några sekunder.
• Cykel: Det är den del av vågen som finns 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 vapen till nästa eller från någon punkt till en annan som uppfyller den beskrivna specifikationen.
• Våglängd λ: Det 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 pågående. Att vara en längd mäts i meter, även om andra enheter är mer lämpliga beroende på vågtyp.
• Frekvens f: Det definieras som antalet cykler per tidsenhet. Hans enhet är Hertz (Hz).
• Amplitud A: motsvarar den maximala våghöjden med avseende på den horisontella axeln.

Hur producerar och sprider ljudet?

Ljudet uppstår när ett objekt som är nedsänkt i ett materialmedium vibreras. När störningen sprids överförs energi till de medelstora molekylerna, som interagerar med varandra, genom utvidgningar och kompressioner. Ett materialmedium behövs alltid för ljudspridning, vare sig det är fast, vätska eller gas.

När luftstörningar når örat gör variationer i lufttryck trumhinnan Viber. Detta resulterar i elektriska impulser som överförs till hjärnan av hörselnerven, och när impulserna översätts till ljud.

Ljudets hastighet

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

Kan tjäna dig: diffraktion av ljud: vad är, exempel, applikationer

Ljud är en mekanisk våg, därför kommer ljudhastigheten i ett medium att bero på hur komprimerbart det är (elastisk egendom) och hur tät (tröghetsegenskap).

Till exempel när du förökar i en gas som luft kan ljudets hastighet beräknas som:

Där B är luften eller medelstora kompressibilitetsmodul och ρ dess densitet. I luften är ljudets hastighet 343 m/s, men detta värde, även om det kan betraktas som konstant för många applikationer, påverkas av andra variabler som temperatur.

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

Förhållandet mellan våglängd och frekvens

Vi har redan sett att tiden det tar för vågen att slutföra en cykel är perioden, medan avståndet som reste under den perioden motsvarar en våglängd. Därför definieras ljudets hastighet V som:

V = λ/t

Å andra sidan är frekvensen och perioden relaterad, som är en invers av den andra, så här:

F = 1/t

Som leder till:

v = λ.F

Det hörbara frekvensområdet hos människor är mellan 20 och 20.000 Hz, därför är ljudets våglängd mellan 1.7 cm och 17 m när du ersätter värdena i föregående ekvation.

Dessa våglängder är storleken på vanliga föremål, vilket påverkar förökningen av ljud, eftersom det är en våg, upplever reflektion, brytning och diffraktion när du möter hinder.

Att experimentera diffraktion innebär att ljudet påverkas när det går med hinder och öppningar vars storlek liknar dess eller mindre våglängden.

Allvarliga ljud kan spridas bättre genom långa avstånd, så elefanter använder infrasoniska (mycket låga frekvensljud, ohörliga för mänskligt öra) för att kommunicera genom sina omfattande territorier.

Även när det finns musik i ett närliggande rum hörs de låga bättre än de akuta, eftersom deras våglängd är mer eller mindre lik storleken på dörrar och fönster. Å andra sidan, när de lämnar rummet, går de akuta ljuden lätt förlorade och det är därför de slutar lyssna.

Hur mäts ljudet?

Ljudet består av en serie kompressioner och rarefaktioner i luften, så att ljudet orsakar och minskas i tryck vid spridning ökar och minskar i tryck. I det internationella systemet mäts trycket i Pascal, som förkortas PA.

Vad som händer är att dessa förändringar är mycket små jämfört med atmosfärstryck, vilket är värt cirka 101.000 PA.

Även de mest intensiva ljuden ger fluktuationer på cirka 20-30 Pa (smärttröskel), en ganska liten mängd jämfört. Men om dessa förändringar mäts, finns det ett sätt att mäta ljudet.

Ljudtrycket är skillnaden mellan atmosfärstryck med ljud och atmosfärstryck utan ljud. Som vi har sagt ger de mest intensiva ljuden ljudtryck på 20 PA, medan den svagaste orsaken cirka 0.00002 PA (ljudtröskel).

Eftersom utbudet av ljudtryck täcker flera krafter på 10, skulle det vara bekvämt att använda en logaritmisk skala för att indikera dem.

Kan tjäna dig: slumpmässigt fel: formel och ekvationer, beräkning, exempel, övningar

Å andra sidan bestämdes det att människor uppfattar förändringarna i lite intensiva ljud än förändringar av lika stor storlek men i intensiva ljud mer intensiva.

Till exempel, om ljudtrycket ökar med 1, 2, 4, 8, 16 ..., uppfattar örat ökningar av 1, 2, 3, 4 ... i intensitet. Det är därför det är bekvämt att definiera en ny storlek som heter Ljudtrycksnivå (Ljudtrycksnivå) l_P, definierad som:

L_P = 20 log (P₁ / P_antingen)

Där p_antingen Det är referenstrycket taget som hörseltröskeln och P₁ Det är Effektivt genomsnittstryck eller rms -tryck. Detta rms eller medeltryck är det som uppfattar örat som den genomsnittliga ljudsignalenergin.

Decibel

Resultatet av det tidigare uttrycket för L_P, När utvärderas för olika p -värden₁, Det ges i decibel, Ett extra belopp. Att uttrycka ljudtrycksnivån är mycket bekvämt, eftersom logaritmer förvandlar stora antal till mindre och mer hanterbara siffror.

Men i många fall föredras det att använda ljudintensitet För att bestämma decibelarna och inte ljudtrycket.

Ljudets intensitet är energin som rinner en sekund (kraft) genom en enhetlig ytorienterad vinkelrätt mot den riktning i vilken vågen förökas. Som ljudtrycket är det en skalarnas storlek och betecknar som jag. Enheterna i jag är w/m², det vill säga kraft per enhetsområde.

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

I = p² /ρc

I detta uttryck är ρ tätheten för mediet och C är ljudets hastighet. Sedan Ljudintensitetsnivå L_Yo som:

L_Yo = 10 log (i₁ / Yo_antingen)

Vilket också uttrycks i decibel och ibland visas betecknad med den grekiska bokstaven ß. Referensvärdet i_antingen är 1 x 10^-12 W/m². På detta sätt representerar 0 dB den nedre gränsen för mänsklig hörsel, medan smärtgränsen är i 120 dB.

Eftersom det är en logaritmisk skala är det nödvändigt att betona vilka små skillnader mängden decibel gör en stor skillnad när det gäller ljudintensitet.

Ljudmätaren

En ljud eller decibelimeter är en enhet som används för att mäta ljudtryck, vilket indikerar måtten i decibeln. Är utformad för att svara på henne på samma sätt som det mänskliga örat skulle göra det.

Figur 3. Sonometer eller decibelimeter används för att mäta ljudtrycksnivån. Källa: Wikimedia Commons.

Den består av en mikrofon för att samla signalen, fler kretsar med förstärkare och filter, som är ansvariga för att ordentligt omvandla denna signal till en elektrisk ström, och slutligen en skala eller skärm där man ska visa resultatet av läsningen.

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

Ljudtyper

Ljudet kännetecknas av dess frekvens. Enligt de som det mänskliga örat kan fånga, klassificeras alla ljud i tre kategorier: de vi kan höra eller Hörbart spektrum, De som ofta ligger under den nedre gränsen för det hörbara spektrumet eller Infrasonider, Och de som är över den övre gränsen, som kallas ultraljud.

I vilket fall som helst, eftersom ljudvågor kan överlagras linjärt, är vardagliga ljud, som vi ibland tolkar som de unika, faktiskt av olika ljud med olika men nära frekvenser.

Kan tjäna dig: stängd elektrisk kretsFigur 4. Ljudspektrum och frekvensområden. Källa: Wikimedia Commons.

Hörbart spektrum

Det mänskliga örat är utformat för att fånga ett brett spektrum av frekvenser: mellan 20 och 20.000 Hz. Men inte alla frekvenser i detta intervall uppfattas med samma intensitet.

Örat är mer känsligt i frekvensbandet mellan 500 och 6.000 Hz. Men det finns andra faktorer som påverkar förmågan för uppfattning av ljud, till exempel ålder.

Infrasonider

De är ljuden vars frekvens är mindre än 20 Hz, men det faktum att människor inte kan lyssna på dem, betyder inte att andra djur inte kan göra det. Till exempel använder elefanter dem för att kommunicera, eftersom infrasonider kan resa långa avstånd.

Andra djur, som tigern, använder dem för att bedöva sitt byte. Infrasonider används också för att upptäcka stora objekt.

Ultraljud

Har frekvenser större än 20.000 Hz och används allmänt inom många områden. En av de mest anmärkningsvärda användningarna av ultraljud är som ett verktyg för medicin, både diagnostisk och behandling. De bilder som erhållits av ultraljud är icke -invasiva och använder inte joniserande strålning.

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

Fladdermössen avger ljudpulser och tolkar sedan ekot de producerar för att uppskatta avstånd och lokalisera dammarna. För sin del kan hundar också lyssna på ultraljud och det är därför de svarar på hund visselpipa som deras ägare inte kan höra.

Singelefonic ljud och stereo -ljud

Figur 4. I en inspelningsstudie modifieras ljudet korrekt av elektroniska enheter

Monofonic Sound är en inspelad signal med en enda mikrofon eller ljudkanal. När du lyssnar med hörlurar eller ljudbuglar hör båda öronen exakt samma. Å andra sidan registrerar stereo -ljud signaler med två oberoende mikrofoner med varandra.

Mikrofonerna finns i olika positioner så att de kan samla olika ljudtryck av vad du vill spela in.

Då får varje öra en av dessa signaluppsättningar, och när hjärnan samlas och tolkar dem är resultatet mycket mer realistiskt än när man lyssnar på monofoniska ljud. Därför är det den föredragna metoden när det gäller musik och film, även om det enda eller monoaurala ljudet fortfarande används på radio, särskilt för intervjuer och samtal.

Homofoni och polyfoni

Musikaliskt sett består homofoni av samma melodi som spelas av två eller flera röster eller instrument. Å andra sidan visas två eller flera röster eller instrument i polyfonin som följer melodier och till och med olika rytmer. Uppsättningen som är resultatet av dessa ljud är harmonisk, till exempel Bachs musik.

Allvarliga och akuta ljud

Mänskligt öra diskriminerar hörbara frekvenser som akuta, allvarliga eller strumpor. Detta är vad som kallas tona ljud.

De högsta frekvenserna mellan 1600 och 20.000 Hz, betraktas som akuta ljud, bandet mellan 400 och 1600 Hz motsvarar medelstora ljud och slutligen är frekvenserna i intervallet 20 till 400 Hz de allvarliga tonerna.

Allvarliga ljud skiljer sig från de akuta där de förstnämnda uppfattas som djupa, mörka och rumble, medan de senare är lätta, tydliga, glada och penetrerande. Örat tolkar dem också som mer intensiva, till skillnad från allvarliga ljud, som ger känslan av mindre intensitet.