Acustica - Sunetul

 

 

Cuvantul fizica provine de la grecescul “physis” - natura. Ea este stiinta naturii care studiaza structura materiei, proprietatile generale si legile care le guverneaza. S-a pastrat multa vreme impartirea fizicii in capitole corespunzatoare in mare parte organelor de simt afectate de fenomenele, din fizica, studiate printre care si fenomenele legate de simtul auzului, care a generat un capitol intitulat acustica.

Acustica provine si ea de al cuvantul grecesc “akoustikos” din “akouein” care inseamna “a auzi”. Aceasta este stiinta care se ocupa cu studiul producerii, propagarii si receptionarii energiei acustice incluzand si efectele produse de aceasta energie asupra organelor omului cat si asupra corpurilor.

Omul este cufundat intr-un ocean de sunete produse de cele mai variate surse sonore, liniste depina nu exista.

Sursele sonore pot fi de la tic-tacul ceasului din casa, zgomotul strazii generat de mijloacele de locomotie, mersul si vocile trecatorilor, la oras, sau latratul cainelui, cantecul cocosului si fosnetul frunzelor la tara. Murmurul oceanului si al marii este si el o sursa de zgomote, chiar si in apa lacurilor “lumea tacerii” este plina de sunete de tot feluri.

Corpurile care produc sunete se numesc surse sonore.

Sursele sonore produc vibratii ale mediului.

Sunetul este un fenomen fizic care stimuleaza simtul auzului.

Sunetele pot fi placute precum sunetele muzicale sau neplacute care se numesc zgomote. Acestea din urma, daca sunt puternice, pot provoca durere.

La oameni auzul are loc cand sunetul are vibratii sau frecvente intre 15 - 20 000 de hertzi.

Hertii, prescurtat Hz, sunt unitatea de masura a frecventei echivalenta cu un ciclu per secunda. Aceste vibratii ajung la urechea interioara cand sunt transmise prin aer Iar termenul de sunet este limitat la astfel de unde - vibratii aerene. Fizicienii moderni deobicei extind termenul si includ si undele de sunet similare, dar in medii diferite, cum ar fi lichid sau metal - solid. Sunetele cu frecvente mai mari de 20 000 Hz sunt numite ultrasunete.

Ultrasunetul este o ramura a fizicii care se ocupa cu frecvente mari ce depasesc limita de auz a oamenilor.

Generatoarele moderne de ultrasunete pot produce pana la cateva milioane de Hz prin transformarea curentului electric in oscilatii mecanice.

In general undele pot fi propagate transversal sau longitudinal. In ambele cazuri este propagata doar energia miscarii undelor prin mediu. De exemplu, o sfoara poate fi legata foarte bine de un stalp la un capat, iar celalalt capat este tras si scuturat o data. O unda va merge pe sfoara pana la stalp, iar la un anumit punct se va reflecta si se va intoarce la mana. Nici o parte a sforii nu se misca longitudinal spre stalp, dar toata succesiunea de parte de sfoara se misca transversal. O astfel de miscare se numeste miscare transversala a undei. La fel este si daca o piatra este aruncata  in apa o serie de miscari de unde transversale se deplaseaza de la punctul de impact spre exterior. Un dop care pluteste langa punctul de impact se va misca in sus si in jos; el va avea o miscare transversala odata cu undele produse, dar se va misca si longitudinal, insa foarte putin,

Pe de alta parte o unda sonora se misca longitudinal. In timp ce energia miscarii undei este propagata spre exterior de centru, de sursa sonora, moleculele individuale de aer propaga sunetul in fata si in spate, paralel cu directia miscarii undei. Astfel o unda sonora se defineste ca alternari de comprimari si rarefieri ale aerului. Fiecare molecula individuala transmite energia unei molecule din apropiere, dar dupa ce undele sonore au trecutm, fiecare molecula ramane aproximativ in acelasi loc.

Undele sonore sunt captate de pavilionul urechii si transmise la nervul auditiv printr-o membrana numita timpan care vibreaza si prin intermediul ciocanasului, nicovalei, scaritei si melcului.

Caracteristici fizice:

Orice sunet, cum ar fi o nota muzicala poate fi descris complet prin trei caracteristici: inaltimea, intensitatea - taria si calitatea - diferenta de timbru. Aceste trei caracteristici ale sunetului corespund la trei caracteristici fizice: frecventa, amplitudinea si formatia armonica.

Frecventa:

Sunetul poate fi produs la frecventa dorita prin diferite modalitati: exemplu, un sunet de 440 Hz poate fi creat prin reglarea difuzorului la frecventa dorita; acesta poate fi intrerupt de o roata zimtata (44 dinti) ce se roteste cu 10 revolutii/sec., utilizata la sirena. Sunetul difuzorului si sunetul sirenei au “calitate” total diferita dar inaltimea sunetelor aproape corespund.

O lege fundamentala a armoniei spune ca doua note la diferenta de o octava, apasate concomitent, produc o combinatie “eufonica”’; eufonia fiind o succesiune armonioasa a notelor cu efect placut.

 

Galagia este un sunet complex, un amestec de multe frecvente diferite, sau note ce nu au legatura armonica - fara armonie.

 

Noi percepem frecventa ca sunete mai inalte sau mai joase. Frecventa unui sunet este numarul de cicluri sau oscilatii, o unda de sunet, care reprezinta numarul de oscilatii intr-un timp dat. ­­­

Unda este o forma de propagere din aproape in aproape, cu viteza finita, de obicei periodic. Cele mai importante caracteristici ale unei unde sunt: viteza, elongatia si amplitudinea.

Deoarece amplitudinea undelor sonore ramane constanta suntem in stare sa auzim aceeasi nota la frecvente diferite: de la 110 Hz, sunetele joase, pana la 880 Hz, sunetele ridicate.

Amplitudine si volum:

Amplitudinea este caracteristica undelor sonore perceputa de noi ca volum. Distanta maxima parcursa de unda sonora de la pozitia normala sau “zero” este amplitudinea. Distanta corespunde gradelor de miscare a moleculelor in aer ale unei unde, ce corespund rarefierii sau compresii de aer ce acompaniaza unda.

In timp ce gradele de miscare ale moleculelor cresc, acestea lovesc timpanul cu o forta din ce in ce mai mare. Din aceasta cauza urechea percepe un sunet mai tare. O comparatie intre exemplele de amplitudine joasa, medie, mare demonstreaza schimbarea volumului sunetului cauzata de schimbarea amplitudinii. Aceste trei unde au aceeasi frecventa asa ca sunetul este identic cu o diferenta perceptibila de volum.

 

Amplitudinea unei unde sonore poate fi evidentiata prin masurarea disatantei de dispersie a moleculelor din aer, sau prin presiunea diferentiata la compresia si rarefierea aerului sau presiunea indusa. Exemplu: un discurs la microfon produce o energie sonora de aproximativ 1/100 000 dintr-un watt, masuratori ce sunt foarte greu de facut, dar oricum intensitatea - taria sunetelor sunt raportate la on intensitate standard masurata in decibeli (db).

Intensitatea

 

Intensitatea sunetului este masurata in db. Exemplu: Intensitatea la pragul de jos al auzului este de 0 db. Intensitatea soptitului este de 10 db, iar intensitatea fosnetului frunzelor ajunge la 20 db. Intensitatile sunetului sunt aranjate intr-o scala logaritmica ce inseamna ca o crestere de 10 db corespunde unei cresteri in in tensitate de zece ori. Astfel fosnetul frunzelor este de zece ori mai tare decat soptitul.

Distanta la care unsunet poate fi auzit depinde de intensitatea sa, care este rata de energie per unitate perpendicular pe directia de propagare.

Calitatea:

 

 

Calitatea este caracteristica sunetului care permite urechii sa distinga tonurile create de diferite instrumente, chiar cand undele sonore sunt identice ca frecventa si amplitudine.

Tonurile ridicate sunt componente aditionale la unda ce vibreaza, in simple multiplicari ale frecventei de baza, cauzand diferenta de calitate sau timbru. Urechea percepe diferite calitati ale aceleiasi note cand este produsa de un diapazon vioara sau pian. Intre aceste trei surse cel mai simplu ton este produs de diapazon, sunetul constand dintr-o vibratie care este aproape in intregime de 440 Hz (nota “la”).

Datorita proprietatii acustice a urechii si  a proprietatilor rezonante  ale timpanului, este de necrezut ca un ton pur ajunge la mecanismul urechii intr-o forma nemodificata.

Principalele componente produse de pian sau de vioara deasemeni au 440 Hz, dar aceste note contin de asemenea componente care sunt multiple de 440 Hz si care se numesc tonuri ridicate (880 Hz, 1320 Hz, 1760 Hz). Intensitatea exacta a acestor componente care se numesc armonice determina calitatea notei.

Viteza sunetului:

Fenomenul prin care sunetul ajunge, de la o sursa sonora in alte puncte ale unui mediu (aer, apa, otel) se numeste propagarea sunetului.

Daca sunetul se propaga printr-un mediu fara a intalni alte obstacole, raportul dintre distanta sursa - receptor si intervalul de timp, de la producerea sunetului pana la receptionarea sa, se numeste: viteza de propagare a sunetului prin acel mediu.

Sunetele nu se propaga prin vid !!!

Viteza de propagare a sunetului in aer este de 340m/s, iar in otel este de 5100m/s.