Ona sonora: fórmula, propietats. Fonts d'ones sonores

2024 Autora: Angel Austin | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 05:19

Una ona sonora és un procés ondulatori que es produeix en medis gasosos, líquids i sòlids, que, quan arriba als òrgans auditius humans, és percebut per aquests com a so. La freqüència d'aquestes ones es troba en el rang de 20 a 20.000 oscil·lacions per segon. Donem fórmules per a una ona sonora i considerem les seves propietats amb més detall.

Per què hi ha una ona sonora?

Molta gent es pregunta què és una ona sonora. La naturalesa del so rau en l'aparició de pertorbacions en un medi elàstic. Per exemple, quan es produeix una pertorbació de pressió en forma de compressió en un determinat volum d'aire, aquesta àrea tendeix a estendre's a l'espai. Aquest procés condueix a la compressió de l'aire a les zones adjacents a la font, que també tendeixen a expandir-se. Aquest procés cobreix cada cop més l'espai fins que arriba a algun receptor, per exemple, l'oïda humana.

Característiques generals de les ones sonores

Considerem què és una ona sonora i com la percep l'oïda humana. Ona sonoraés longitudinal, quan entra a la closca de l'orella provoca vibracions del timpà amb una certa freqüència i amplitud. També podeu representar aquestes fluctuacions com a canvis periòdics de pressió en el microvolum d'aire adjacent a la membrana. En primer lloc, augmenta en relació a la pressió atmosfèrica normal, i després disminueix, obeint les lleis matemàtiques del moviment harmònic. L'amplitud dels canvis en la compressió de l'aire, és a dir, la diferència entre la pressió màxima o mínima creada per una ona sonora, amb la pressió atmosfèrica és proporcional a l'amplitud de la pròpia ona sonora.

Molts experiments físics han demostrat que la pressió màxima que l'oïda humana pot percebre sense fer-la mal és de 2800 µN/cm². Per comparar, diguem que la pressió atmosfèrica prop de la superfície terrestre és de 10 milions de µN/cm^{2. Tenint en compte la proporcionalitat de la pressió i l'amplitud de l'oscil·lació, podem dir que aquest darrer valor és insignificant fins i tot per a les ones més fortes. Si parlem de la longitud d'una ona sonora, per a una freqüència de 1.000 vibracions per segon, serà una mil·lèsima part de centímetre.}

Els sons més febles creen fluctuacions de pressió de l'ordre de 0,001µN/cm², l'amplitud d'oscil·lació d'ona corresponent per a una freqüència de 1000 Hz és de 10^{- 9}cm, mentre que el diàmetre mitjà de les molècules d'aire és de 10^{-8 cm, és a dir, l'oïda humana és un òrgan extremadament sensible.}

El concepte de la intensitat de les ones sonores

Amb geomètricDes del punt de vista d'una ona sonora, és una vibració d'una forma determinada, des del punt de vista físic, la propietat principal de les ones sonores és la seva capacitat de transferir energia. L'exemple més important de transferència d'energia ondulatòria és el sol, les ones electromagnètiques radiades del qual proporcionen energia a tot el nostre planeta.

La intensitat d'una ona sonora en física es defineix com la quantitat d'energia transportada per una ona a través d'una unitat de superfície, que és perpendicular a la propagació de l'ona, i per unitat de temps. En resum, la intensitat d'una ona és la seva potència transferida a través d'una unitat d'àrea.

La força de les ones sonores normalment es mesura en decibels, que es basen en una escala logarítmica, convenient per a l'anàlisi pràctica dels resultats.

Intensitat de diversos sons

La següent escala de decibels dóna una idea del significat de les diferents intensitats sonores i de les sensacions que provoca:

llindar per a sensacions desagradables i incòmodes comença a 120 decibels (dB);
martell de reblat genera un soroll de 95 dB;
tren d' alta velocitat - 90 dB;
carrer de trànsit - 70 dB;
el volum d'una conversa normal entre persones és de 65 dB;
El cotxe modern que es mou a velocitat moderada genera un soroll de 50 dB;
volum mitjà de la ràdio - 40 dB;
conversa tranquil·la - 20 dB;
soroll del fullatge dels arbres - 10 dB;
El llindar mínim de sensibilitat del so humà és proper als 0 dB.

Depèn la sensibilitat de l'oïda humanafreqüència del so i és el valor màxim per a ones sonores amb una freqüència de 2000-3000 Hz. Per a un so en aquest rang de freqüències, el llindar inferior de sensibilitat humana és de 10-5 dB. Les freqüències més altes i més baixes que l'interval especificat provoquen un augment del llindar de sensibilitat inferior de manera que una persona escolta freqüències properes als 20 Hz i 20.000 Hz només a la seva intensitat de diverses desenes de dB.

Pel que fa al llindar superior d'intensitat, després del qual el so comença a causar molèsties a una persona i fins i tot dolor, cal dir que pràcticament no depèn de la freqüència i es troba en el rang de 110-130 dB.

Característiques geomètriques d'una ona sonora

Una ona sonora real és un complex paquet oscil·latori d'ones longitudinals, que es pot descompondre en vibracions harmòniques simples. Cada una d'aquestes oscil·lacions es descriu des d'un punt de vista geomètric per les característiques següents:

Amplitud: la desviació màxima de cada secció de l'ona des de l'equilibri. Per a aquest valor, la designació A.
Període. Aquest és el temps que triga una ona simple a completar la seva oscil·lació completa. Passat aquest temps, cada punt de l'ona comença a repetir el seu procés oscil·latori. El període sol indicar-se amb la lletra T i es mesura en segons en el sistema SI.
Freqüència. Aquesta és una magnitud física que mostra quantes oscil·lacions fa una ona donada per segon. És a dir, en el seu significat, és un valor invers al període. Es denota amb la lletra llatina f. Per a la freqüència d'una ona sonora, la fórmula per determinar-la a través d'un període és la següent: f=1/T.
La longitud d'una ona és la distància que recorre en un període d'oscil·lació. Geomètricament, la longitud d'ona és la distància entre dos màxims més propers o dos mínims més propers en una corba sinusoïdal. La longitud d'oscil·lació d'una ona sonora és la distància entre les zones més properes de compressió d'aire o els llocs més propers de la seva rarefacció a l'espai on es mou l'ona. Normalment es denota amb la lletra grega λ.
La velocitat de propagació de l'ona sonora és la distància sobre la qual l'àrea de compressió o l'àrea de rarefacció de l'ona es propaga per unitat de temps. Aquest valor es denota amb la lletra v. Per a la velocitat d'una ona sonora, la fórmula és: v=λf.

La geometria d'una ona sonora pura, és a dir, una ona de puresa constant, obeeix a una llei sinusoïdal. En el cas general, la fórmula d'una ona sonora és: y=Asin(ωt), on y és el valor de la coordenada d'un punt donat de l'ona, t és el temps, ω=2pif és la freqüència d'oscil·lació cíclica.

So aperiòdic

Moltes fonts sonores es poden considerar periòdiques, per exemple, el so d'instruments musicals com la guitarra, el piano, la flauta, però també hi ha un gran nombre de sons a la natura que són aperiòdics, és a dir, canvien les vibracions sonores. la seva freqüència i forma a l'espai. Tècnicament, aquest tipus de so s'anomena soroll. brillantexemples de so aperiòdic són el soroll urbà, el so del mar, els sons d'instruments de percussió, com ara un tambor, i altres.

Mitjà de propagació del so

A diferència de la radiació electromagnètica, els fotons de la qual no necessiten cap mitjà material per a la seva propagació, la naturalesa del so és tal que es necessita un determinat medi per a la seva propagació, és a dir, segons les lleis de la física, les ones sonores no poden propagar al buit.

El so pot viatjar a través de gasos, líquids i sòlids. Les característiques principals d'una ona sonora que es propaga en un medi són les següents:

ona es propaga linealment;
s'estén per igual en totes les direccions en un medi homogeni, és a dir, el so divergeix de la font, formant una superfície esfèrica perfecta.
independentment de l'amplitud i la freqüència del so, les seves ones es propaguen a la mateixa velocitat en un medi determinat.

La velocitat de les ones sonores en diversos mitjans

La velocitat de propagació del so depèn de dos factors principals: el medi en què es mou l'ona i la temperatura. En general, s'aplica la següent regla: com més dens és el medi i com més alta és la seva temperatura, més ràpid es mou el so en ell.

Per exemple, la velocitat de propagació d'una ona sonora a l'aire prop de la superfície terrestre a una temperatura de 20 ℃ i una humitat del 50% és de 1235 km/h o 343 m/s. Aleshores, a l'aigua a una temperatura determinada, el so viatja 4,5 vegades més ràpidhi ha uns 5735 km/h o 1600 m/s. Pel que fa a la dependència de la velocitat del so de la temperatura de l'aire, augmenta 0,6 m/s amb un augment de la temperatura per cada grau centígrad.

Timbre i to

Si es permet que una corda o una placa metàl·lica vibri lliurement, produirà sons de diferents freqüències. És molt rar trobar un cos que emeti un so d'una freqüència determinada, normalment el so d'un objecte té un conjunt de freqüències en un interval determinat.

El timbre d'un so ve determinat pel nombre d'harmònics presents en ell i les seves respectives intensitats. El timbre és un valor subjectiu, és a dir, és la percepció d'un objecte sonor per part d'una persona concreta. El timbre sol caracteritzar-se pels següents adjectius: agut, brillant, sonor, melòdic, etc.

El to és una sensació sonora que permet classificar-la com a alta o baixa. Aquest valor també és subjectiu i no es pot mesurar amb cap instrument. El to s'associa amb una quantitat objectiva: la freqüència d'una ona sonora, però no hi ha una relació inequívoca entre ells. Per exemple, per a un so d'una sola freqüència d'intensitat constant, el to augmenta a mesura que augmenta la freqüència. Si la freqüència del so es manté constant, però la seva intensitat augmenta, el to es torna més baix.

Forma de les fonts de so

Segons la forma del cos que vibra mecànicament i, per tant, genera so, hi ha tres tipus principals de fonts d'ones sonores:

Font puntual. Produeix ones sonores de forma esfèrica i decaen ràpidament amb la distància de la font (aproximadament 6 dB si la distància des de la font es duplica).
Font de línia. Crea ones cilíndriques la intensitat de les quals disminueix més lentament que la d'una font puntual (per cada duplicació de la distància des de la font, la intensitat disminueix en 3 dB).
Una font plana o bidimensional. Genera ones només en una direcció determinada. Un exemple d'aquesta font seria un pistó que es mou en un cilindre.

Fonts de so electròniques

Per crear una ona sonora, les fonts electròniques utilitzen una membrana especial (altaveu), que realitza vibracions mecàniques a causa del fenomen de la inducció electromagnètica. Aquestes fonts inclouen les següents: