Intensità del suono (intensità del suono)

Intensità il suono è una quantità fisica pari all'energia media temporale trasferita per unità di tempo da un'onda sonora attraverso un'area unitaria orientata perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda (densità del flusso di energia). Per il suono periodico, la media viene effettuata su un periodo di tempo maggiore rispetto al periodo oppure su un numero intero di periodi.

Per un’onda armonica piana, l’intensità del suono è pari a:

dov'è l'ampiezza della pressione sonora; – ampiezza della velocità di oscillazione; - densità del mezzo in cui si propaga il suono; – velocità del suono nel mezzo (fase o gruppo; se la dispersione è piccola, allora le velocità sono quasi le stesse).

Nel sistema di unità internazionale SI, l'intensità del suono è misurata in .

Livello di intensità

Livello di intensità– un valore di intensità stimato espresso in decibel (dB). Il numero di decibel N è pari a:

(2)

dove è l'intensità di un dato suono, è l'intensità di soglia.

Intensità di soglia

Intensità di soglia– intensità corrispondente alla soglia di sensibilità dell'orecchio umano. Si assume che l'intensità di soglia sia:

(3)

Un'altra caratteristica quantitativa del suono è pressione sonora effettiva, Perché una persona percepisce fisiologicamente l'intensità del suono come la pressione che le onde sonore esercitano sugli organi dell'udito. Anche in questo caso lo è una misura quantitativa livello di pressione sonora . Dovrebbe essere distinto pressione sonora da pressione sonora. La pressione di radiazione sonora (altrimenti nota come pressione sonora, pressione di radiazione) è la pressione costante sperimentata da un corpo situato in un campo sonoro stazionario. La pressione della radiazione sonora è proporzionale alla densità dell'energia sonora. È piccolo rispetto alla pressione sonora. La pressione sonora è diverse centinaia di volte maggiore della pressione sonora.

Pressione sonora efficace– valore effettivo (o efficace) della pressione sonora (rms):

(4)

Vedi formula (1).

Livello di pressione sonora

Livello di pressione sonora– valore stimato della pressione, espresso in bel (B) o decibel (dB):

(5)

dov'è la soglia uditiva condizionale; k – coefficiente di normalizzazione. Se k=1, allora il livello di pressione sonora viene misurato in bel (B); se k=10, il livello di pressione sonora viene misurato in dB.

Soglia uditiva condizionale

Soglia uditiva condizionaleè specificato come valore numerico della pressione sonora alle frequenze di 1,5 - 3 kHz, pari a

La teoria può essere letta più dettagliatamente nelle linee guida “Rumore e Vibrazioni”, nonché nell'elenco di riferimenti allegati alla fine di questo lavoro.

Descrizione del dispositivo

Il dispositivo universale SLM 329 (Fonometro 329) consente di misurare il livello di pressione sonora effettivo in un ampio intervallo. I limiti di misurazione e le specifiche del dispositivo sono riportati nella Tabella 1. La fase di misurazione e l'errore dello strumento sono riportati nella Tabella 2.

Dispositivo non può essere usato nelle condizioni:

alta umidità;

temperatura elevata (più);

nei raggi luminosi diretti del sole; Se esposto a luce intensa o calore notevole, il display a cristalli liquidi potrebbe diventare nero e lo strumento stesso potrebbe diventare inadatto alle misurazioni. Tuttavia, se le condizioni estreme non comportano ancora danni al dispositivo, dopo averlo raffreddato per 1-2 ore il dispositivo sarà nuovamente pronto per l'uso;

polvere pesante o vicino a fiamme libere;

durante un temporale o in un'area con forti campi elettromagnetici.

Prima di iniziare il lavoro, il dispositivo deve raggiungere la temperatura ambiente, quindi quando lo porti dentro dal freddo, non iniziare subito la misurazione, attendi che il dispositivo si riscaldi.

L'alimentazione è fornita da una batteria da 9 volt. Quando la durata della batteria è bassa, sul lato sinistro del display viene visualizzata l'icona corrispondente. La batteria deve essere cambiata. La batteria può essere sostituita solo da un assistente di laboratorio o da un insegnante.

Non accendere mai il dispositivo quando il vano batterie è aperto.

Tabella 1

Caratteristiche tecniche e limiti di misura dell'SLM 329 (specifiche del dispositivo)

№	Parametro	Senso
	Schermo	Cristalli liquidi a quattro cifre
	Massima velocità di misurazione	2 misurazioni al secondo
	Allineare	Da 40 dB a 130 dB
	Frequenze dei segnali misurati	Da 125 Hz a 8 kHz
	Tempo per una misurazione	In modalità VELOCE 125 ms, in modalità LENTA 1 s
	Temperatura di lavoro	Da A
	Umidità relativa	Dal 10% al 75% non è consentita la formazione di condensa
	Temperatura ottimale per le misurazioni
	Indicazione della necessità di sostituire la batteria	Se la tensione della batteria scende sotto i 7,5 V, sul display appare l'icona .
	Batterie consigliate	NEDA 1604 9V o 6F22 9V (“Corona”)
	Tempo di funzionamento continuo senza sostituzione dell'alimentazione	Nella modalità di misurazione continua, il tempo di funzionamento non supera le 10 ore
	Peso	170 g con batteria
	Dimensioni: lunghezza larghezza altezza	231 53 33 mm

Tavolo 2

Precisione del passo e della misurazione

Controlli

1 – microfono capacitivo,

2, 4 – display digitale a cristalli liquidi,

3 – tasto di accensione/spegnimento (ON/OFF),

5 – tasto per l'impostazione dei filtri: “A” per segnali audio normali, “C” - per segnali a bassa frequenza o contenenti componenti a bassa frequenza,

6- tasto “Fast/Slow” (FAST/SLOW) per impostare la velocità di misurazione: “Fast” (FAST) per la modalità normale, “Slow” (SLOW) per misurare segnali con intensità crescente o decrescente,

7 – Tasto “Livello” (LEVEL) per cambiare gli intervalli di misurazione (40 dB, 70 dB) (60 dB, 90 dB) (80 dB, 110 dB) (100 dB, 130 dB),

8 – interruttore a levetta “CAL” per la calibrazione.

La procedura per accendere il dispositivo e impostare le modalità di misurazione necessarie

1. Per accendere il dispositivo, premere il tasto, quello in alto sul pannello frontale. Utilizzare lo stesso tasto per spegnere il dispositivo dopo aver completato le misurazioni.

2. Attivare la modalità segnale massimo utilizzando il tasto MAX, il secondo dall'alto sul pannello frontale. La modalità abilitata è indicata sul display in alto a destra. Se per qualche motivo l'indicazione scompare, premere nuovamente il tasto. Apparirà e la modalità si attiverà.

3. Successivamente è necessario installare il filtro. Se nel segnale studiato non sono previste componenti a bassa frequenza, è necessario installare il filtro A premendo il tasto A/C. Se è destinato a misurare segnali a bassa frequenza o contenenti una componente a bassa frequenza, è necessario che il filtro C essere installato utilizzando la stessa chiave.L'indicazione del filtro installato si trova sulla destra del display.

4. Impostare la velocità di misurazione utilizzando il tasto FAST/SLOW. Di norma, la modalità FAST è conveniente per effettuare misurazioni. Ma se si presuppone che l'intensità del segnale possa cambiare durante il processo di misurazione, è necessario impostare la modalità SLOW. Indicazione sul display in alto a destra.

5. È necessario selezionare l'intervallo di misurazione. La selezione si effettua tramite il tasto LEVEL. Indicazione nella parte inferiore del display. Fino a quando non si ottengono i risultati della misurazione e l'intervallo non viene chiarito, è possibile concentrarsi sui seguenti livelli sonori:

(40 dB, 70 dB) – il solito livello “casalingo”: conversazione, TV funzionante, elettrodomestici silenziosi;

(60 dB, 90 dB) – suoni tecnici, ad esempio un trapano funzionante, un aspirapolvere, automobili che passano nelle vicinanze, ecc.;

(80 dB, 110 dB) – si tratta di suoni già piuttosto forti, ad esempio una motocicletta sportiva, un'auto senza marmitta, un'auto che guida in modalità Formula 1, ecc.;

(100 dB, 130 dB) - il livello dei suoni al limite delle sensazioni dolorose, in cui l'interlocutore non viene ascoltato - un aereo in decollo, un motore turbo ruggente, cannoneggiamenti, colpi di pistola, fuochi d'artificio di cannoni proprio "sopra il orecchio." Suoni di questo livello possono essere pericolosi per gli organi uditivi. Pertanto, se intendete effettuare misurazioni in questo intervallo, utilizzate per sicurezza delle cuffie speciali.

Per garantire il corretto funzionamento del dispositivo, è necessario calibrarlo una volta all'anno.

Processo di calibrazione

Come sorgente del segnale sonoro viene utilizzata una sorgente con un livello di pressione sonora effettivo di 94 dB, una frequenza di 1 kHz e una forma di impulso sinusoidale. Per effettuare le misure si impostano le seguenti modalità:

filtro A,

Tempo di misurazione VELOCE,

modalità di misurazione senza indicazione MAX,

gamma (80 dB, 110 dB).

Sul lato destro è presente una piccola presa per una chiave che può essere utilizzata per la calibrazione, ruotando la quale si possono ottenere letture sul display fino ad un valore di 94 dB.

Solo un tecnico di laboratorio può calibrare il dispositivo.

Ordine di lavoro

La forza, o intensità, del suono in un'onda passante (cioè non stazionaria) è la quantità di energia che fluisce attraverso le aree ogni secondo, perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda.

L'intensità (forza) del suono viene misurata in o in unità 10 volte più grandi, vale a dire in (microwatt - milionesimo di watt).

I calcoli mostrano che l'intensità del suono è uguale al rapporto tra il quadrato dell'ampiezza della sovrappressione e il doppio della resistenza acustica del mezzo:

Questo vale sia per le onde piane che per quelle sferiche. Nel caso delle onde piane, se si trascurano le perdite dovute all'attrito interno, l'intensità del suono non dovrebbe cambiare con la distanza. Nel caso delle onde sferiche, le ampiezze dello spostamento, della velocità delle particelle e della sovrappressione diminuiscono come l'inverso della prima potenza della distanza dalla sorgente sonora. Di conseguenza, nel caso delle onde sferiche, l'intensità del suono diminuisce in maniera inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente sonora.

I microfoni vengono solitamente utilizzati per misurare l'intensità del suono (la loro struttura è descritta nel secondo volume del corso, nel capitolo sulle vibrazioni elettriche). Per misurare l'intensità del suono, viene utilizzato anche un disco di Rayleigh: si tratta di un piccolo disco sottile (costituito da una piastra di mica spessa 2-3 centesimi di millimetro) con un diametro sospeso su un filo molto sottile. Nel campo delle onde sonore sul disco

agisce una coppia rotante, il cui momento è proporzionale alla forza del suono e non dipende dalla frequenza del suono. Questa coppia rotante si sforza di ruotare il disco in modo che il suo piano sia perpendicolare alla direzione di propagazione delle onde sonore. Tipicamente, un disco di Rayleigh è sospeso in un campo sonoro con un angolo di 45° rispetto alla direzione di propagazione delle onde e l'intensità del suono viene misurata determinando l'angolo di rotazione del disco.

Per determinare l'intensità del suono, puoi anche misurare la pressione che le onde sonore esercitano su una parete solida. Questa pressione è proporzionale alla potenza del suono:

ecco il rapporto tra la capacità termica del mezzo a pressione costante e la capacità termica a volume costante, c è la velocità del suono.

Confrontando la formula precedente con la formula (6), vediamo che la pressione esercitata dalle onde sonore su una parete solida è proporzionale al quadrato dell'ampiezza della sovrapressione e inversamente proporzionale alla densità del mezzo.

La definizione di intensità sonora data all'inizio di questa sezione perde il suo significato per un'onda stazionaria. Infatti, se le ampiezze di pressione nelle onde dirette e riflesse sono uguali, allora quantità uguali di energia fluiscono attraverso una piattaforma posta perpendicolare all'asse dell'onda in direzioni opposte. Pertanto, il flusso di energia risultante attraverso il sito è zero. In questo caso l’intensità del suono è caratterizzata dalla densità dell’energia sonora, cioè dall’energia contenuta nel campo sonoro.

Per calcolare la densità di energia sonora nel campo di un'onda piana passante, immaginiamo un volume cilindrico di sezione in e di lunghezza numericamente pari alla velocità del suono; lasciamo che l'asse del cilindro coincida con la direzione del propagazione dell'onda. È chiaro che la quantità totale di energia contenuta all'interno del cilindro è numericamente uguale all'intensità del suono, mentre se sezionato nel volume del cilindro è numericamente uguale, quindi la densità di energia sonora risulta essere uguali

L'idea del movimento dell'energia e i concetti attualmente più importanti di densità di energia in un punto nel mezzo e velocità del movimento dell'energia furono introdotti nella scienza nel 1874 da N. A. Umov nella sua tesi di dottorato, dove, in particolare, a è stata fornita una giustificazione rigorosa dell'equazione (7). Dieci anni dopo, le idee di Umov furono sviluppate dal fisico inglese Poynting applicandole alle onde elettromagnetiche.

Spieghiamo come viene calcolata l'intensità del suono in un'onda sonora riflessa e in un'onda rifratta.

Le leggi di riflessione e rifrazione delle onde sonore sono simili alle leggi di riflessione e rifrazione della luce. Quando un'onda sonora viene riflessa, l'angolo formato dalla direzione dell'onda con la normale alla superficie riflettente (angolo di incidenza) è uguale all'angolo formato dalla direzione dell'onda riflessa con la stessa normale (angolo di riflessione) .

Quando un'onda sonora passa da un mezzo all'altro, l'angolo di incidenza e l'angolo di rifrazione sono legati dalla relazione

dove sono le velocità del suono nel primo e nel secondo mezzo.

Se l'intensità del suono è nel primo mezzo, allora con la normale incidenza delle onde sull'interfaccia, l'intensità del suono nel secondo mezzo sarà:

dove, come dimostrato da Rayleigh, il coefficiente di penetrazione del suono è determinato dalla formula

Ovviamente il coefficiente di riflessione è pari a

Dalla formula di Rayleigh vediamo che quanto più differiscono le resistenze acustiche dei mezzi, tanto minore è la frazione di energia sonora che penetra attraverso l'interfaccia tra i mezzi. Non è difficile comprendere che quando la resistenza acustica del secondo mezzo è molto grande rispetto alla resistenza acustica del primo mezzo, allora

Questo caso si verifica quando il suono passa dall'aria in uno specchio d'acqua o nello spessore del cemento o del legno; la resistenza acustica di questi mezzi è diverse migliaia di volte maggiore della resistenza acustica dell'aria. Pertanto, durante la normale incidenza del suono dall'aria su corpi d'acqua, cemento e legno, non più di un millesimo dell'intensità del suono penetra in questi ambienti. Tuttavia, una parete in cemento o legno può essere abbastanza fonoconduttiva se è sottile; in questo caso la parete percepisce e trasmette vibrazioni elastiche, come una grande membrana. La formula di cui sopra non è applicabile a questo caso.

A causa delle diverse condizioni di temperatura, i singoli strati di aria atmosferica possono avere una resistenza acustica diversa; Il suono viene riflesso dall'interfaccia tra tali strati d'aria. Ciò spiega che la gamma di udibilità dei suoni nell'atmosfera è soggetta a fluttuazioni significative. Il campo uditivo, a seconda del grado di omogeneità dell'aria, può variare 10 volte o più. Le condizioni atmosferiche (pioggia, neve, nebbia) non influiscono sulla conduttività acustica dell'aria. In una giornata limpida e in caso di nebbia fitta, l'udibilità può essere la stessa. E, al contrario, nelle giornate in cui il tempo è visibilmente lo stesso, la conduttività sonora dell'aria può essere molto diversa se il grado di omogeneità degli strati d'aria non è lo stesso.

Uno dei compiti importanti dell'acustica è chiarire le condizioni che influenzano l'intensità del suono degli emettitori acustici. Quando un corpo-emettitore oscillante cede energia sonora all'ambiente esterno, questo corpo agisce contro la reazione del campo sonoro, cioè contro le forze causate dall'eccesso di pressione nell'onda emessa e inibendo il movimento oscillatorio dell'emettitore.

Dal calcolo risulta che quando l'emettitore ha dimensioni maggiori della lunghezza d'onda, emette un'onda piana, e la potenza della radiazione sonora è pari alla metà del prodotto dell'ampiezza della velocità del movimento oscillatorio dell'emettitore per l'area di ​​l'emettitore 5 e la resistenza acustica del mezzo:

Se l'emettitore è piccolo rispetto alla lunghezza d'onda, emette un'onda sferica e la potenza della radiazione in questo caso è determinata dalla formula

Per qualsiasi emettitore di determinate dimensioni (ad esempio, per un disco oscillante con un'area, la prima delle due formule di potenza date determina la potenza di radiazione delle alte frequenze (onde corte), la seconda determina la potenza di radiazione delle basse frequenze (onde lunghe).

Spesso è richiesto che l'emettitore abbia la stessa potenza nelle frequenze alte, medie e basse (le membrane del grammofono e i diffusori degli altoparlanti devono avere questa qualità). Ma per una data ampiezza del movimento oscillatorio, emettitori di piccole dimensioni con potenza di emissione soddisfacente per i suoni acuti hanno una potenza di emissione molto bassa per i suoni bassi. Questo li rende musicalmente inferiori.

Da quanto detto risultano evidenti gli svantaggi degli emettitori di piccole dimensioni. Gli emettitori di grandi dimensioni hanno il notevole inconveniente che la loro massa è notevole e, quindi, per imprimere loro un movimento oscillatorio con l'ampiezza richiesta, è necessario applicare forze molto grandi. Pertanto, da un punto di vista tecnico, è opportuno posizionare un emettitore di piccole dimensioni nelle condizioni acustiche più favorevoli.

Questo problema può essere risolto utilizzando un dispositivo speciale che collega l'emettitore allo spazio aperto, vale a dire un clacson. Il corno è un tubo che si espande gradualmente, all'estremità stretta del quale (nella gola) vibra l'emettitore. Le pareti rigide della tromba non consentono all'onda sonora di “diffondersi” ai lati. Pertanto, il fronte d'onda mantiene una forma più o meno piatta, realizzando la prima delle formule sopra indicate

per la potenza di radiazione applicabile non solo nella gamma delle alte frequenze, ma anche nella gamma delle basse frequenze.

Tipicamente, gli studi sull'intensità del suono devono essere condotti in spazi confinati. Lo studio del suono negli spazi chiusi è importante per la progettazione di auditorium, teatri, sale da concerto, ecc. e per correggere i difetti acustici in ambienti costruiti senza calcoli acustici preliminari. Il ramo della tecnologia che si occupa di queste problematiche si chiama acustica architettonica.

La caratteristica principale dei processi acustici negli spazi chiusi è la presenza di molteplici riflessioni del suono dalle superfici circostanti (pareti, soffitti). In un ambiente di medie dimensioni, un'onda sonora subisce diverse centinaia di riflessioni prima che la sua energia scenda fino alla soglia dell'udibilità. In ambienti di grandi dimensioni, si può udire un suono di sufficiente intensità dopo aver spento la sorgente per diverse decine di secondi a causa della esistenza di onde riflesse che si muovono in tutte le direzioni possibili. È abbastanza ovvio che uno sbiadimento così graduale del suono, da un lato, è benefico, poiché il suono viene amplificato a causa dell'energia delle onde riflesse; tuttavia, d'altra parte, una dissolvenza eccessivamente lenta può peggiorare significativamente la percezione del suono coerente (discorso, musica) a causa del fatto che ogni nuova parte di un contesto coerente (ad esempio, ogni nuova sillaba del discorso) si sovrappone alla precedente quelli che non sono ancora stati ascoltati. Già da queste considerazioni sommarie è chiaro che per creare una buona udibilità, il tempo di eco nell'auditorium deve avere un certo valore ottimale.

Ad ogni riflessione, parte dell'energia viene persa a causa dell'assorbimento. Il rapporto tra l’energia sonora assorbita e l’energia incidente è chiamato coefficiente di assorbimento acustico. Ecco i suoi valori per una serie di casi:

Ovviamente quanto maggiore è il coefficiente di assorbimento acustico caratteristico delle pareti di una stanza, e quanto minori sono le dimensioni di questa stanza, tanto più breve sarà il tempo di risposta.

Riso. 162. Riverberazione ottimale per ambienti di varie dimensioni.

Il tempo dell'eco, durante il quale l'intensità del suono diminuisce fino alla soglia dell'udibilità, dipende non solo dalle proprietà della stanza, ma anche dall'intensità del suono iniziale. Per aggiungere certezza al calcolo delle proprietà acustiche degli auditorium, è consuetudine (in modo del tutto arbitrario) calcolare il tempo durante il quale la densità di energia sonora diminuisce fino a un milionesimo del valore iniziale. Questo tempo è chiamato tempo di riverbero standard o semplicemente riverbero.

Il valore di riverbero ottimale al quale l'udibilità può essere considerata la migliore è stato determinato sperimentalmente molte volte. In piccolo

ambienti (con un volume non superiore al riverbero ottimale di 1,06 sec. Con un ulteriore aumento del volume, il riverbero ottimale aumenta proporzionalmente come mostrato in Fig. 162. In ambienti con scarse proprietà acustiche (troppo “rimbombanti”), il riverbero al posto del il valore ottimale di 1-2 secondi è 3-5 secondi.

18 febbraio 2016

Il mondo dell'intrattenimento domestico è piuttosto vario e può comprendere: guardare film su un buon sistema home theater; gameplay emozionante ed emozionante o ascoltando musica. Di norma, ognuno trova qualcosa di proprio in quest'area o combina tutto in una volta. Ma qualunque siano gli obiettivi di una persona nell'organizzare il proprio tempo libero e qualunque estremo raggiunga, tutti questi collegamenti sono saldamente collegati da una parola semplice e comprensibile: "suono". In effetti, in tutti i casi sopra menzionati, saremo guidati per mano dal suono. Ma questa domanda non è così semplice e banale, soprattutto nei casi in cui si desidera ottenere un suono di alta qualità in una stanza o in qualsiasi altra condizione. Per fare questo, non sempre è necessario acquistare costosi componenti hi-fi o hi-end (anche se sarà molto utile), ma è sufficiente una buona conoscenza della teoria fisica, che può eliminare gran parte dei problemi che si presentano a chiunque. che si propone di ottenere una recitazione vocale di alta qualità.

Successivamente verrà considerata la teoria del suono e dell'acustica dal punto di vista della fisica. In questo caso, cercherò di renderlo il più accessibile possibile alla comprensione di chiunque, forse, è lontano dal conoscere leggi o formule fisiche, ma sogna comunque con passione di realizzare il sogno di creare un sistema acustico perfetto. Non ho la presunzione di dire che per ottenere buoni risultati in questo ambito a casa (o in macchina, per esempio), sia necessario conoscere a fondo queste teorie, ma comprenderne le basi ti permetterà di evitare molti errori stupidi e assurdi. e ti consentirà anche di ottenere il massimo effetto sonoro dal sistema a qualsiasi livello.

Teoria generale del suono e terminologia musicale

Che cos'è suono? Questa è la sensazione che percepisce l'organo uditivo "orecchio"(il fenomeno stesso esiste senza la partecipazione dell '"orecchio" al processo, ma questo è più facile da capire), che si verifica quando il timpano viene eccitato da un'onda sonora. L'orecchio in questo caso funge da “ricevitore” di onde sonore di varie frequenze.
Onda sonora si tratta essenzialmente di una serie sequenziale di compattazioni e scarichi del mezzo (molto spesso l'aria in condizioni normali) di varie frequenze. La natura delle onde sonore è oscillatoria, causata e prodotta dalla vibrazione di qualsiasi corpo. La comparsa e la propagazione di un'onda sonora classica è possibile in tre mezzi elastici: gassoso, liquido e solido. Quando un'onda sonora si verifica in uno di questi tipi di spazio, si verificano inevitabilmente alcuni cambiamenti nel mezzo stesso, ad esempio un cambiamento nella densità o pressione dell'aria, il movimento delle particelle della massa d'aria, ecc.

Poiché un'onda sonora ha una natura oscillatoria, ha una caratteristica come la frequenza. Frequenza misurato in hertz (in onore del fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz), e denota il numero di oscillazioni in un periodo di tempo pari a un secondo. Quelli. ad esempio, una frequenza di 20 Hz indica un ciclo di 20 oscillazioni in un secondo. Il concetto soggettivo della sua altezza dipende anche dalla frequenza del suono. Più vibrazioni sonore si verificano al secondo, più “alto” appare il suono. Un'onda sonora ha anche un'altra caratteristica importante, che ha un nome: lunghezza d'onda. Lunghezza d'onda Si è soliti considerare la distanza che percorre un suono di una certa frequenza in un periodo pari ad un secondo. Ad esempio, la lunghezza d'onda del suono più basso nella gamma udibile dall'uomo a 20 Hz è di 16,5 metri e la lunghezza d'onda del suono più alto a 20.000 Hz è di 1,7 centimetri.

L'orecchio umano è progettato in modo tale da poter percepire le onde solo in un intervallo limitato, circa 20 Hz - 20.000 Hz (a seconda delle caratteristiche di una determinata persona, alcuni sono in grado di sentire un po' di più, altri di meno). . Ciò non significa quindi che non esistano suoni al di sotto o al di sopra di queste frequenze, semplicemente non vengono percepiti dall'orecchio umano, andando oltre la gamma udibile. Viene chiamato il suono al di sopra della gamma udibile ultrasuoni, viene chiamato il suono al di sotto della gamma udibile infrasuoni. Alcuni animali sono in grado di percepire gli ultra e gli infrasuoni, alcuni addirittura sfruttano questa gamma per orientarsi nello spazio (pipistrelli, delfini). Se il suono passa attraverso un mezzo che non è in contatto diretto con l'organo uditivo umano, tale suono potrebbe non essere udito o successivamente risultare notevolmente attenuato.

Nella terminologia musicale del suono ci sono designazioni importanti come ottava, tono e sovratono del suono. Ottava indica un intervallo in cui il rapporto di frequenza tra i suoni è 1 a 2. Un'ottava è solitamente molto distinguibile a orecchio, mentre i suoni all'interno di questo intervallo possono essere molto simili tra loro. Un'ottava può anche essere definita un suono che vibra il doppio di un altro suono nello stesso periodo di tempo. Ad esempio, la frequenza di 800 Hz non è altro che un'ottava più alta di 400 Hz, e la frequenza di 400 Hz a sua volta è l'ottava successiva del suono con una frequenza di 200 Hz. L'ottava, a sua volta, è composta da toni e sovratoni. L'orecchio umano percepisce le vibrazioni variabili in un'onda sonora armonica della stessa frequenza tono musicale. Le vibrazioni ad alta frequenza possono essere interpretate come suoni acuti, mentre le vibrazioni a bassa frequenza possono essere interpretate come suoni gravi. L'orecchio umano è in grado di distinguere chiaramente i suoni con una differenza di un tono (nell'intervallo fino a 4000 Hz). Nonostante ciò, la musica utilizza un numero estremamente ridotto di toni. Ciò si spiega con considerazioni sul principio della consonanza armonica; tutto si basa sul principio delle ottave.

Consideriamo la teoria dei toni musicali usando l'esempio di una corda tesa in un certo modo. Tale corda, a seconda della forza di tensione, sarà “sintonizzata” su una frequenza specifica. Quando questa corda è esposta a qualcosa con una forza specifica, che la fa vibrare, verrà osservato costantemente uno specifico tono di suono e sentiremo la frequenza di accordatura desiderata. Questo suono è chiamato tono fondamentale. La frequenza della nota “LA” della prima ottava è ufficialmente accettata come tono fondamentale in campo musicale, pari a 440 Hz. Tuttavia, la maggior parte degli strumenti musicali non riproducono mai da soli i toni fondamentali puri; sono inevitabilmente accompagnati da sovratoni chiamati sovratoni. Qui è opportuno richiamare un'importante definizione dell'acustica musicale, il concetto di timbro sonoro. Timbro- questa è una caratteristica dei suoni musicali che conferisce agli strumenti musicali e alle voci la loro specificità sonora unica e riconoscibile, anche quando si confrontano suoni della stessa altezza e volume. Il timbro di ogni strumento musicale dipende dalla distribuzione dell'energia sonora tra gli armonici nel momento in cui appare il suono.

Gli armonici formano una colorazione specifica del tono fondamentale, grazie alla quale possiamo facilmente identificare e riconoscere uno strumento specifico, nonché distinguere chiaramente il suo suono da un altro strumento. Esistono due tipi di sovratoni: armonici e non armonici. Sovratoni armonici per definizione sono multipli della frequenza fondamentale. Al contrario, se gli armonici non sono multipli e si discostano notevolmente dai valori, vengono chiamati non armonico. In musica l'operare con più sovratoni è praticamente escluso, per cui il termine si riduce al concetto di “sovratono”, che significa armonico. In alcuni strumenti, come il pianoforte, la nota fondamentale non ha nemmeno il tempo di formarsi; in breve tempo l'energia sonora degli armonici aumenta, per poi diminuire altrettanto rapidamente. Molti strumenti creano quello che viene chiamato effetto di "tono di transizione", in cui l'energia di alcuni armonici è massima in un certo momento, di solito all'inizio, ma poi cambia bruscamente e si sposta su altri armonici. La gamma di frequenze di ciascuno strumento può essere considerata separatamente ed è solitamente limitata alle frequenze fondamentali che quel particolare strumento è in grado di produrre.

Nella teoria del suono esiste anche un concetto come RUMORE. Rumore- si tratta di qualsiasi suono creato da una combinazione di fonti incoerenti tra loro. Tutti conoscono il suono delle foglie degli alberi che ondeggiano al vento, ecc.

Cosa determina il volume del suono? Ovviamente tale fenomeno dipende direttamente dalla quantità di energia trasferita dall'onda sonora. Per determinare gli indicatori quantitativi del volume, esiste un concetto: l'intensità del suono. Intensità del suonoè definito come il flusso di energia che passa attraverso un'area dello spazio (ad esempio cm2) per unità di tempo (ad esempio al secondo). Durante una normale conversazione l'intensità è di circa 9 o 10 W/cm2. L'orecchio umano è in grado di percepire i suoni in un intervallo di sensibilità abbastanza ampio, mentre la sensibilità delle frequenze è eterogenea all'interno dello spettro sonoro. In questo modo viene percepita meglio la gamma di frequenze compresa tra 1000 Hz e 4000 Hz, che copre maggiormente il parlato umano.

Poiché i suoni variano così tanto in intensità, è più conveniente pensarli come una quantità logaritmica e misurarli in decibel (dal nome dello scienziato scozzese Alexander Graham Bell). La soglia inferiore della sensibilità uditiva dell'orecchio umano è 0 dB, quella superiore è 120 dB, chiamata anche “soglia del dolore”. Anche il limite superiore di sensibilità non viene percepito allo stesso modo dall'orecchio umano, ma dipende dalla frequenza specifica. I suoni a bassa frequenza devono avere un’intensità molto maggiore rispetto ai suoni ad alta frequenza per attivare la soglia del dolore. Ad esempio, la soglia del dolore a bassa frequenza di 31,5 Hz si verifica ad un livello di intensità sonora di 135 dB, mentre ad una frequenza di 2000 Hz la sensazione di dolore apparirà a 112 dB. Esiste anche il concetto di pressione sonora, che di fatto amplia la consueta spiegazione della propagazione di un'onda sonora nell'aria. Pressione sonora- si tratta di una sovrappressione variabile che si forma in un mezzo elastico a seguito del passaggio di un'onda sonora attraverso di esso.

Natura ondulatoria del suono

Per comprendere meglio il sistema di generazione delle onde sonore, immagina un classico altoparlante situato in un tubo pieno d'aria. Se l'altoparlante fa un brusco movimento in avanti, l'aria nelle immediate vicinanze del diffusore viene momentaneamente compressa. L'aria si espanderà quindi, spingendo la zona dell'aria compressa lungo il tubo.
Questo movimento ondulatorio diventerà successivamente suono quando raggiungerà l'organo uditivo ed “ecciterà” il timpano. Quando si verifica un'onda sonora in un gas, si creano una pressione eccessiva e una densità eccessiva e le particelle si muovono a velocità costante. Per quanto riguarda le onde sonore, è importante ricordare il fatto che la sostanza non si muove insieme all'onda sonora, ma si verifica solo un disturbo temporaneo delle masse d'aria.

Se immaginiamo un pistone sospeso nello spazio libero su una molla e che esegue movimenti ripetuti “avanti e indietro”, allora tali oscillazioni saranno chiamate armoniche o sinusoidali (se immaginiamo l'onda come un grafico, in questo caso otterremo un puro sinusoide con ripetute diminuzioni e aumenti). Se immaginiamo un altoparlante in un tubo (come nell'esempio sopra descritto) che esegue oscillazioni armoniche, allora nel momento in cui l'altoparlante si muove “in avanti” si ottiene il noto effetto della compressione dell'aria, e quando l'altoparlante si muove “indietro” il si verifica l'effetto opposto di rarefazione. In questo caso, un'onda di compressione e rarefazione alternata si propagherà attraverso il tubo. Verrà chiamata la distanza lungo il tubo tra massimi o minimi (fasi) adiacenti lunghezza d'onda. Se le particelle oscillano parallelamente alla direzione di propagazione dell'onda, allora si chiama onda longitudinale. Se oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione, si chiama onda trasversale. Tipicamente, le onde sonore nei gas e nei liquidi sono longitudinali, ma nei solidi possono verificarsi onde di entrambi i tipi. Le onde trasversali nei solidi nascono a causa della resistenza al cambiamento di forma. La differenza principale tra questi due tipi di onde è che l'onda trasversale ha la proprietà di polarizzazione (le oscillazioni si verificano su un determinato piano), mentre l'onda longitudinale no.

Velocità del suono

La velocità del suono dipende direttamente dalle caratteristiche del mezzo in cui si propaga. È determinato (dipendente) da due proprietà del mezzo: elasticità e densità del materiale. La velocità del suono nei solidi dipende direttamente dal tipo di materiale e dalle sue proprietà. La velocità nei mezzi gassosi dipende da un solo tipo di deformazione del mezzo: compressione-rarefazione. La variazione di pressione in un'onda sonora avviene senza scambio di calore con le particelle circostanti ed è chiamata adiabatica.
La velocità del suono in un gas dipende principalmente dalla temperatura: aumenta all'aumentare della temperatura e diminuisce al diminuire della temperatura. Inoltre, la velocità del suono in un mezzo gassoso dipende dalla dimensione e dalla massa delle molecole di gas stesse: minore è la massa e la dimensione delle particelle, maggiore è la "conduttività" dell'onda e, di conseguenza, maggiore è la velocità.

Nei mezzi liquidi e solidi il principio di propagazione e la velocità del suono sono simili a come si propaga un'onda nell'aria: per compressione-scarica. Ma in questi ambienti, oltre alla stessa dipendenza dalla temperatura, sono molto importanti anche la densità del mezzo e la sua composizione/struttura. Minore è la densità della sostanza, maggiore è la velocità del suono e viceversa. La dipendenza dalla composizione del mezzo è più complessa e viene determinata caso per caso, tenendo conto della posizione e dell'interazione delle molecole/atomi.

Velocità del suono nell'aria a t,°C 20: 343 m/s
Velocità del suono in acqua distillata a t,°C 20: 1481 m/s
Velocità del suono nell'acciaio a t,°C 20: 5000 m/s

Onde stazionarie e interferenze

Quando un altoparlante crea onde sonore in uno spazio ristretto, si verifica inevitabilmente l'effetto delle onde riflesse dai confini. Di conseguenza, ciò si verifica molto spesso effetto di interferenza- quando due o più onde sonore si sovrappongono. Casi particolari di fenomeni di interferenza sono la formazione di: 1) Onde battenti oppure 2) Onde stazionarie. Battiti delle onde- questo è il caso in cui si verifica l'aggiunta di onde con frequenze e ampiezze simili. L'immagine del verificarsi dei battiti: quando due onde di frequenze simili si sovrappongono. Ad un certo punto nel tempo, con tale sovrapposizione, i picchi di ampiezza possono coincidere “in fase” e i declini possono anche coincidere in “antifase”. Ecco come sono caratterizzati i ritmi sonori. È importante ricordare che, a differenza delle onde stazionarie, le coincidenze di fase dei picchi non si verificano costantemente, ma a determinati intervalli di tempo. All'orecchio, questo schema di battiti si distingue abbastanza chiaramente e viene udito rispettivamente come un aumento e una diminuzione periodici del volume. Il meccanismo con cui si verifica questo effetto è estremamente semplice: quando i picchi coincidono il volume aumenta, mentre quando coincidono le valli il volume diminuisce.

Onde stazionarie si verificano nel caso di sovrapposizione di due onde della stessa ampiezza, fase e frequenza, quando tali onde “si incontrano” una si muove in direzione avanti e l'altra in direzione opposta. Nell'area dello spazio (dove si è formata l'onda stazionaria), appare un'immagine della sovrapposizione di due ampiezze di frequenza, con massimi alternati (i cosiddetti antinodi) e minimi (i cosiddetti nodi). Quando si verifica questo fenomeno, la frequenza, la fase e il coefficiente di attenuazione dell'onda nel luogo di riflessione sono estremamente importanti. A differenza delle onde viaggianti, in un'onda stazionaria non vi è alcun trasferimento di energia poiché le onde in avanti e all'indietro che formano quest'onda trasferiscono energia in quantità uguali sia nella direzione in avanti che in quella opposta. Per comprendere chiaramente il verificarsi di un’onda stazionaria, immaginiamo un esempio tratto dall’acustica domestica. Diciamo che abbiamo sistemi di altoparlanti da pavimento in uno spazio limitato (stanza). Facendoli suonare qualcosa con molti bassi, proviamo a cambiare la posizione dell'ascoltatore nella stanza. Pertanto, un ascoltatore che si trova nella zona di minimo (sottrazione) di un'onda stazionaria sentirà l'effetto che ci sono pochissimi bassi, e se l'ascoltatore si trova in una zona di massimo (addizione) di frequenze, allora il contrario si ottiene l'effetto di un aumento significativo della regione dei bassi. In questo caso, l'effetto si osserva in tutte le ottave della frequenza base. Ad esempio, se la frequenza di base è 440 Hz, il fenomeno di “addizione” o “sottrazione” si osserverà anche alle frequenze di 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, ecc.

Fenomeno di risonanza

La maggior parte dei solidi ha una frequenza di risonanza naturale. È abbastanza facile comprendere questo effetto usando l'esempio di un tubo normale, aperto solo ad un'estremità. Immaginiamo una situazione in cui all'altra estremità del tubo è collegato un altoparlante che può riprodurre una frequenza costante, che può anche essere modificata successivamente. Quindi, il tubo ha una propria frequenza di risonanza, in termini semplici: questa è la frequenza alla quale il tubo "risuona" o emette il proprio suono. Se la frequenza dell'altoparlante (come risultato della regolazione) coincide con la frequenza di risonanza del tubo, si verificherà l'effetto di aumentare il volume più volte. Ciò accade perché l'altoparlante eccita le vibrazioni della colonna d'aria nel tubo con un'ampiezza significativa fino a quando non viene ritrovata la stessa “frequenza di risonanza” e si verifica l'effetto di addizione. Il fenomeno risultante può essere descritto come segue: il tubo in questo esempio “aiuta” l'oratore risuonando a una frequenza specifica, i loro sforzi si sommano e “si traducono” in un effetto forte udibile. Usando l'esempio degli strumenti musicali, questo fenomeno può essere facilmente osservato, poiché la struttura della maggior parte degli strumenti contiene elementi chiamati risonatori. Non è difficile indovinare a cosa serve lo scopo di potenziare una determinata frequenza o tono musicale. Ad esempio: il corpo di una chitarra con un risonatore a forma di foro accoppiato al volume; Il design del tubo flauto (e di tutti i tubi in generale); La forma cilindrica del corpo del tamburo, che a sua volta è un risonatore di una certa frequenza.

Spettro di frequenza del suono e risposta in frequenza

Poiché in pratica non esistono praticamente onde della stessa frequenza, diventa necessario scomporre l'intero spettro sonoro della gamma udibile in sovratoni o armoniche. A questo scopo esistono grafici che mostrano la dipendenza dell'energia relativa delle vibrazioni sonore dalla frequenza. Questo grafico è chiamato grafico dello spettro di frequenza del suono. Spettro di frequenza del suono Ne esistono due tipi: discreti e continui. Un grafico dello spettro discreto mostra le singole frequenze separate da spazi vuoti. Lo spettro continuo contiene tutte le frequenze sonore contemporaneamente.
Nel caso della musica o dell'acustica, viene spesso utilizzato il grafico normale Caratteristiche di ampiezza-frequenza(abbreviato in "AFC"). Questo grafico mostra la dipendenza dell'ampiezza delle vibrazioni sonore dalla frequenza nell'intero spettro di frequenze (20 Hz - 20 kHz). Osservando un grafico di questo tipo, è facile capire, ad esempio, i punti di forza o di debolezza di un particolare altoparlante o sistema acustico nel suo insieme, le aree più forti di produzione di energia, cali e aumenti di frequenza, attenuazione e anche tracciare la pendenza del declino.

Propagazione delle onde sonore, fase e antifase

Il processo di propagazione delle onde sonore avviene in tutte le direzioni dalla sorgente. L'esempio più semplice per comprendere questo fenomeno è un sasso gettato nell'acqua.
Dal punto in cui è caduta la pietra, le onde iniziano a diffondersi sulla superficie dell'acqua in tutte le direzioni. Tuttavia, immaginiamo una situazione in cui si utilizza un altoparlante a un certo volume, ad esempio una scatola chiusa, collegata a un amplificatore e che riproduce una sorta di segnale musicale. È facile notare (soprattutto se si applica un potente segnale a bassa frequenza, ad esempio una grancassa) che l'altoparlante fa un rapido movimento “in avanti”, e poi lo stesso rapido movimento “all'indietro”. Ciò che resta da capire è che quando l'altoparlante avanza, emette un'onda sonora che sentiremo successivamente. Ma cosa succede quando l’oratore si sposta all’indietro? E paradossalmente accade la stessa cosa, l'altoparlante emette lo stesso suono, solo che nel nostro esempio si propaga interamente all'interno del volume della scatola, senza oltrepassarne i limiti (la scatola è chiusa). In generale, nell'esempio sopra si possono osservare molti fenomeni fisici interessanti, il più significativo dei quali è il concetto di fase.

L'onda sonora che l'altoparlante, trovandosi nel volume, emette in direzione dell'ascoltatore è “in fase”. L'onda inversa, che entra nel volume della scatola, sarà corrispondentemente antifase. Resta solo da capire cosa significano questi concetti? Fase del segnale– questo è il livello di pressione sonora in un determinato momento nello spazio. Il modo più semplice per comprendere la fase è mediante l'esempio della riproduzione di materiale musicale da parte di una coppia stereo convenzionale di sistemi di altoparlanti domestici da pavimento. Immaginiamo che due di questi altoparlanti da pavimento siano installati in una determinata stanza e suonino. In questo caso, entrambi i sistemi acustici riproducono un segnale sincrono di pressione sonora variabile e la pressione sonora di un altoparlante viene aggiunta alla pressione sonora dell'altro altoparlante. Un effetto simile si verifica a causa della sincronicità della riproduzione del segnale rispettivamente dagli altoparlanti sinistro e destro, in altre parole, i picchi e le valli delle onde emesse dagli altoparlanti sinistro e destro coincidono.

Ora immaginiamo che le pressioni sonore cambino ancora allo stesso modo (non abbiano subito cambiamenti), ma solo ora sono opposte tra loro. Ciò può accadere se si collega un sistema di altoparlanti su due con polarità inversa (cavo "+" dall'amplificatore al terminale "-" del sistema di altoparlanti e cavo "-" dall'amplificatore al terminale "+" del sistema di altoparlanti). In questo caso, il segnale opposto causerà una differenza di pressione, che può essere rappresentata in numeri come segue: l'altoparlante sinistro creerà una pressione di “1 Pa” e l'altoparlante destro creerà una pressione di “meno 1 Pa”. Di conseguenza, il volume audio totale nella posizione dell'ascoltatore sarà pari a zero. Questo fenomeno è chiamato antifase. Se osserviamo l'esempio più in dettaglio per capirlo, si scopre che due altoparlanti che suonano "in fase" creano identiche aree di compattazione e rarefazione dell'aria, aiutandosi così a vicenda. Nel caso di un'antifase idealizzata, l'area di spazio d'aria compressa creata da un altoparlante sarà accompagnata da un'area di spazio d'aria rarefatta creata dal secondo altoparlante. Ciò assomiglia approssimativamente al fenomeno della mutua cancellazione sincrona delle onde. È vero, in pratica il volume non scende a zero e sentiremo un suono molto distorto e indebolito.

Il modo più accessibile per descrivere questo fenomeno è il seguente: due segnali con le stesse oscillazioni (frequenza), ma spostati nel tempo. In considerazione di ciò, è più conveniente immaginare questi fenomeni di spostamento usando l'esempio di un normale orologio rotondo. Immaginiamo che ci siano diversi orologi rotondi identici appesi al muro. Quando le lancette dei secondi di questo orologio funzionano in modo sincrono, su un orologio 30 secondi e sull'altro 30, allora questo è un esempio di segnale che è in fase. Se le lancette dei secondi si muovono con uno spostamento, ma la velocità è sempre la stessa, ad esempio, su un orologio è di 30 secondi e su un altro è di 24 secondi, allora questo è un classico esempio di sfasamento. Allo stesso modo, la fase si misura in gradi, all'interno di un cerchio virtuale. In questo caso, quando i segnali vengono spostati l'uno rispetto all'altro di 180 gradi (mezzo periodo), si ottiene l'antifase classica. Spesso nella pratica si verificano piccoli spostamenti di fase, che possono essere determinati anche in gradi ed eliminati con successo.

Le onde sono piane e sferiche. Un fronte d’onda piano si propaga in una sola direzione e nella pratica lo si incontra raramente. Un fronte d'onda sferico è un tipo semplice di onda che ha origine da un singolo punto e viaggia in tutte le direzioni. Le onde sonore hanno la proprietà diffrazione, cioè. capacità di aggirare ostacoli e oggetti. Il grado di flessione dipende dal rapporto tra la lunghezza d'onda del suono e la dimensione dell'ostacolo o del foro. La diffrazione si verifica anche quando c'è qualche ostacolo nel percorso del suono. In questo caso sono possibili due scenari: 1) Se la dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda, allora il suono viene riflesso o assorbito (a seconda del grado di assorbimento del materiale, dello spessore dell'ostacolo, ecc. ), e dietro l'ostacolo si forma una “zona d'ombra acustica”. 2) Se la dimensione dell'ostacolo è paragonabile alla lunghezza d'onda o addirittura inferiore ad essa, il suono si diffrange in una certa misura in tutte le direzioni. Se un'onda sonora, mentre si muove in un mezzo, colpisce l'interfaccia con un altro mezzo (ad esempio, un mezzo aereo con un mezzo solido), allora possono verificarsi tre scenari: 1) l'onda verrà riflessa dall'interfaccia 2) l'onda può passare in un altro mezzo senza cambiare direzione 3) un'onda può passare in un altro mezzo con un cambio di direzione al confine, questo è chiamato “rifrazione dell'onda”.

Il rapporto tra la sovrappressione di un'onda sonora e la velocità volumetrica oscillatoria è chiamato resistenza dell'onda. In parole semplici, impedenza d'onda del mezzo può essere definita la capacità di assorbire le onde sonore o di “resistere” ad esse. I coefficienti di riflessione e trasmissione dipendono direttamente dal rapporto tra le impedenze d'onda dei due mezzi. La resistenza alle onde in un mezzo gassoso è molto inferiore rispetto all'acqua o ai solidi. Pertanto, se un'onda sonora nell'aria colpisce un oggetto solido o la superficie dell'acqua profonda, il suono viene riflesso dalla superficie o assorbito in larga misura. Ciò dipende dallo spessore della superficie (acqua o solido) su cui cade l'onda sonora desiderata. Quando lo spessore di un mezzo solido o liquido è basso, le onde sonore “passano” quasi completamente, e viceversa, quando lo spessore del mezzo è grande, le onde vengono riflesse più spesso. Nel caso della riflessione delle onde sonore, questo processo avviene secondo una nota legge fisica: “L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione”. In questo caso, quando un'onda proveniente da un mezzo a densità minore colpisce il confine con un mezzo a densità maggiore, si verifica il fenomeno rifrazione. Consiste nella flessione (rifrazione) di un'onda sonora dopo aver “incontrato” un ostacolo ed è necessariamente accompagnata da un cambiamento di velocità. La rifrazione dipende anche dalla temperatura del mezzo in cui avviene la riflessione.

Nel processo di propagazione delle onde sonore nello spazio, la loro intensità inevitabilmente diminuisce; possiamo dire che le onde si attenuano e il suono si indebolisce. In pratica, riscontrare un effetto simile è abbastanza semplice: ad esempio, se due persone si trovano in un campo a una certa distanza (un metro o più vicino) e iniziano a dirsi qualcosa. Se successivamente aumenti la distanza tra le persone (se iniziano ad allontanarsi l'una dall'altra), lo stesso livello di volume della conversazione diventerà sempre meno udibile. Questo esempio dimostra chiaramente il fenomeno della diminuzione dell'intensità delle onde sonore. Perché sta succedendo? La ragione di ciò sono vari processi di scambio termico, interazione molecolare e attrito interno delle onde sonore. Molto spesso, nella pratica, l'energia sonora viene convertita in energia termica. Tali processi si verificano inevitabilmente in uno qualsiasi dei 3 mezzi di propagazione del suono e possono essere caratterizzati come assorbimento delle onde sonore.

L'intensità e il grado di assorbimento delle onde sonore dipendono da molti fattori, come la pressione e la temperatura del mezzo. L'assorbimento dipende anche dalla specifica frequenza del suono. Quando un'onda sonora si propaga attraverso liquidi o gas, si verifica un effetto di attrito tra diverse particelle, chiamato viscosità. Come risultato di questo attrito a livello molecolare, avviene il processo di conversione di un'onda dal suono al calore. In altre parole, maggiore è la conduttività termica del mezzo, minore è il grado di assorbimento delle onde. L'assorbimento acustico nei mezzi gassosi dipende anche dalla pressione (la pressione atmosferica cambia con l'aumentare dell'altitudine rispetto al livello del mare). Per quanto riguarda la dipendenza del grado di assorbimento dalla frequenza del suono, tenendo conto delle suddette dipendenze della viscosità e della conduttività termica, maggiore è la frequenza del suono, maggiore è l'assorbimento del suono. Ad esempio, a temperatura e pressione normali nell'aria, l'assorbimento di un'onda con una frequenza di 5.000 Hz è di 3 dB/km, e l'assorbimento di un'onda con una frequenza di 50.000 Hz sarà di 300 dB/m.

Nei mezzi solidi, tutte le dipendenze di cui sopra (conduttività termica e viscosità) vengono preservate, ma a queste vengono aggiunte molte altre condizioni. Sono associati alla struttura molecolare dei materiali solidi, che può essere diversa, con le proprie disomogeneità. A seconda di questa struttura molecolare solida interna, l'assorbimento delle onde sonore in questo caso può essere diverso e dipende dal tipo di materiale specifico. Quando il suono attraversa un corpo solido, l'onda subisce una serie di trasformazioni e distorsioni, che molto spesso portano alla dispersione e all'assorbimento dell'energia sonora. A livello molecolare, un effetto di dislocazione può verificarsi quando un'onda sonora provoca uno spostamento dei piani atomici, che poi ritornano nella loro posizione originale. Oppure, il movimento delle dislocazioni porta ad una collisione con dislocazioni perpendicolari ad esse o difetti nella struttura cristallina, che provoca la loro inibizione e, di conseguenza, un certo assorbimento dell'onda sonora. Tuttavia, l'onda sonora può anche risuonare con questi difetti, il che porterà alla distorsione dell'onda originale. L'energia dell'onda sonora al momento dell'interazione con gli elementi della struttura molecolare del materiale viene dissipata a seguito di processi di attrito interno.

In questo articolo cercherò di analizzare le caratteristiche della percezione uditiva umana e alcune sottigliezze e caratteristiche della propagazione del suono.

Intensità del suono

Descrizione

L'intensità I di un'onda sonora (IW) è l'energia media nel tempo trasferita da un'onda sonora attraverso un'unità di area perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda per unità di tempo. Per le onde periodiche, la media viene eseguita su un periodo di tempo maggiore del periodo o su un numero intero di periodi.

Per un'onda sinusoidale piana IZ

I = pv ¤ 2 = p 2 ¤ 2 r c = v 2 r c ¤ 2 , (1)

dove p è l'ampiezza della pressione sonora;

v è l'ampiezza della velocità vibrazionale delle particelle;

r è la densità del mezzo;

c è la velocità del suono al suo interno.

In un'onda sferica, IZ è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente. In un'onda sonora stazionaria I = 0, cioè In media non c'è flusso di energia sonora.

A PARTIRE DAL di un'onda viaggiante armonica piana è uguale alla densità di energia dell'onda sonora moltiplicata per la velocità del suono. Il flusso di energia sonora è caratterizzato dal vettore Umov - il vettore della densità del flusso di energia dell'onda, che può essere rappresentato come il prodotto di IZ per il vettore normale dell'onda, cioè vettore unitario perpendicolare al fronte d’onda.

Se il campo sonoro è una sovrapposizione di onde armoniche di frequenze diverse, allora la proprietà di additività è soddisfatta per il vettore della densità media del flusso energetico.

In termini pratici, per gli emettitori che creano un'onda piana, IR si riferisce all'intensità della radiazione - la potenza specifica dell'emettitore, cioè potenza sonora per unità di area della superficie irradiata.

IZ è misurato in unità SI in W/m2. Nella tecnologia ad ultrasuoni viene spesso utilizzata l'unità W/cm2. Il suono viene valutato anche in base all'intensità su una scala di decibel: numero di decibel N = 10lg(I ¤ I 0), dove I è l'intensità di un dato suono, I 0 = 10-12 W/m2.

Caratteristiche temporali

Tempo di avvio (registra da -12 a 1);

Durata (log tc da -10 a 3);

Tempo di degradazione (log td da -12 a 1);

Tempo di sviluppo ottimale (log tk da -1 a 1).

Diagramma:

Implementazioni tecniche dell'effetto

Implementazione tecnica dell'effetto

La sorgente di onde elastiche crea un campo sonoro nel mezzo, caratterizzato da una certa distribuzione della pressione sonora e dal valore associato di IZ. Per misurare la pressione sonora vengono utilizzati vari tipi di ricevitori, principalmente trasduttori piezoelettrici. A frequenze vicine a quelle ipersoniche vengono utilizzati convertitori piezo-semiconduttori e film. Nei liquidi ad elevata intensità sonora viene utilizzato un radiometro; alle alte frequenze vengono utilizzati ricevitori di suoni termici. Uno dei metodi di riferimento per la misurazione di IZ si basa sull'effetto del disco Rayleigh (vedi la descrizione “Disco Rayleigh”), che consente di determinare la velocità oscillatoria, dal valore della quale viene calcolato il valore della pressione sonora e IZ.

Applicazione di un effetto

IZ determina l'efficacia di tali tecnologie ad ultrasuoni come pulizia ad ultrasuoni, dispersione ad ultrasuoni, indurimento, metallizzazione e saldatura (vedi descrizioni). Durante la cavitazione acustica (vedi descrizione) e gli effetti correlati, il valore di IZ ha un'influenza decisiva sul processo di cavitazione e sulla dinamica delle bolle di cavitazione.

Letteratura

1. Ultrasuoni / Ed. IP Golyamina.- M.: Enciclopedia Sovietica, 1979.- 400 p.

Parole chiave

• ampiezza
• onda viaggiante
• onda armonica
• onda piatta
• onda stazionaria
• onda sferica
• pressione sonora
• decibel
• intensità del suono
• velocità del suono
• potenza sonora
• normale
• media densità
• densità del flusso energetico
• campo sonoro
• densità di potenza
• vettore umova
• ultrasuoni
• fronte d'onda
• energia delle onde

Sezioni di scienze naturali:

Nella sensazione uditiva ci sono altezza, volume e timbro del suono . Queste caratteristiche della sensazione uditiva sono legate alla frequenza, all'intensità e allo spettro armonico, le caratteristiche oggettive dell'onda sonora. Lo scopo del sistema di misurazione del suono è quello di stabilire questa connessione e consentire così, quando si studia l'udito in persone diverse, di confrontare in modo uniforme la valutazione soggettiva della sensazione uditiva con i dati di misurazione oggettivi.

Pece - una caratteristica soggettiva determinata dalla frequenza del suo tono fondamentale: maggiore è la frequenza, più alto è il suono.

In misura molto minore, l'altezza dipende dall'intensità dell'onda: a parità di frequenza, un suono più forte viene percepito come più basso.

Il timbro di un suono è determinato quasi esclusivamente dalla sua composizione spettrale. Ad esempio, l'orecchio distingue la stessa nota suonata su diversi strumenti musicali. I suoni del parlato che sono uguali nelle frequenze fondamentali in persone diverse differiscono anche nel timbro. Quindi, il timbro è una caratteristica qualitativa della sensazione uditiva, determinata principalmente dallo spettro armonico del suono.

Volume del suono E - questo è il livello di sensazione uditiva sopra la sua soglia. Dipende innanzitutto da intensità suono. Sebbene soggettivo, il volume può essere quantificato confrontando la sensazione uditiva di due fonti.

Livelli di intensità sonora e livelli di volume. Unità. Legge di Weber-Fechner.

Un'onda sonora crea la sensazione del suono quando l'intensità del suono supera un certo valore minimo chiamato soglia di udibilità. Un suono la cui intensità è al di sotto della soglia dell'udibilità non viene percepito dall'orecchio: è troppo debole per questo. La soglia uditiva è diversa per le diverse frequenze (Fig. 3). L'orecchio umano è più sensibile alle vibrazioni con frequenze comprese tra 1000 e 3000 Hz; per quest'area la soglia uditiva raggiunge un valore dell'ordine di io 0= 10 -12 W/m2. L'orecchio è molto meno sensibile alle frequenze più basse e più alte.

Vibrazioni molto forti, dell'ordine di diverse decine di W/m2, non vengono più percepite come suono: provocano una sensazione tattile di pressione nell'orecchio, che poi si trasforma in una sensazione dolorosa. Il valore massimo dell'intensità del suono, al di sopra del quale si manifesta il dolore, è chiamato soglia del tatto o soglia del dolore (Fig. 3). Alla frequenza di 1 kHz equivale a I m = 10 W/m 2.

La soglia del dolore è diversa per le diverse frequenze. Tra la soglia dell'udito e la soglia del dolore si trova la regione dell'udibilità mostrata nella Figura 3.

Riso. 3. Diagramma dell'udibilità.

Il rapporto di intensità sonora per queste soglie è 10 13 . È conveniente utilizzare una scala logaritmica e confrontare non i valori stessi, ma i loro logaritmi. Abbiamo ricevuto una scala dei livelli di intensità del suono. Senso io 0 presa come livello iniziale della scala, qualsiasi altra intensità IO espresso attraverso il logaritmo decimale del suo rapporto a io 0 :

Viene misurato il logaritmo del rapporto tra due intensità bella (B).

Bel (B)— un'unità della scala del livello di intensità sonora, corrispondente a una variazione del livello di intensità di un fattore 10. Insieme ai bianchi sono molto utilizzati decibel (dB), in questo caso la formula (6) va scritta così:

	0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 dB

Riso. 4. Intensità di alcuni suoni.

La creazione di una scala del livello di volume si basa sull'importante legge psicofisica di Weber-Fechner. Se, secondo questa legge, aumentiamo l'irritazione in progressione geometrica (cioè dello stesso numero di volte), allora la sensazione di questa irritazione aumenterà in progressione aritmetica (cioè della stessa quantità).

Incremento elementare dE il volume del suono è direttamente proporzionale al rapporto di incremento dI intensità all'intensità stessa IO suono:

Dove K- coefficiente di proporzionalità, dipendente dalla frequenza e dall'intensità.

Poi il livello del volume E di un dato suono è determinato integrando l'espressione 8 oltre un certo livello zero io 0 ad un dato livello IO intensità.

Così, Legge di Weber-Fechnerè così formulato:

Il livello del volume di un dato suono (a una certa frequenza di vibrazioni sonore) è direttamente proporzionale al logaritmo del rapporto tra la sua intensità I valorizzare io 0 , corrispondente alla soglia uditiva:

La scala comparativa, oltre alle unità bel e decibel, viene utilizzata anche per caratterizzare i livelli di pressione sonora.

Le unità per misurare i livelli di sonorità hanno gli stessi nomi: bel e decibel, ma per distinguerli dalla scala del livello di intensità sonora, i decibel sono chiamati decibel nella scala del livello di sonorità sfondi (F).

Bel - variazione del livello del volume di un tono con una frequenza di 1000 Hz quando il livello di intensità del suono cambia di 10 volte. Per un tono di 1000 Hz, i valori numerici in bel del livello del volume e del livello dell'intensità sono gli stessi.

Se costruisci curve per diversi livelli di volume, ad esempio, in passaggi ogni 10 sfondi, otterrai un sistema di grafici (Fig. 1.5), che consente di trovare la dipendenza del livello di intensità del suono dalla frequenza a qualsiasi livello di volume .

In generale, il sistema di curve di uguale volume riflette la relazione tra la frequenza, il livello di intensità e il livello di volume del suono e consente di utilizzare due di queste quantità note per trovare la terza, sconosciuta.

Lo studio dell'acuità uditiva, cioè della sensibilità dell'organo uditivo ai suoni di diverse altezze, si chiama audiometria. Tipicamente, lo studio trova punti sulla curva della soglia uditiva alle frequenze al confine tra le ottave. Un'ottava è un intervallo di altezze in cui il rapporto delle frequenze estreme è pari a due. Esistono tre metodi principali di audiometria: test dell'udito con parlato, diapason e audiometro.

Viene chiamato il grafico della soglia uditiva rispetto alla frequenza del suono audiogramma. La perdita dell'udito viene determinata confrontando l'audiogramma del paziente con una curva normale. Il dispositivo utilizzato in questo caso - un audiometro - è un generatore di suoni con regolazione indipendente e precisa della frequenza e del livello di intensità del suono. L'apparecchio è dotato di telefoni per conduzione aerea e ossea e di un pulsante di segnalazione, con il quale il soggetto rileva la presenza di una sensazione uditiva.

Se il coefficiente K era costante, quindi da LIBBRE E E Ne conseguirebbe che la scala logaritmica delle intensità sonore corrisponde alla scala dell’intensità sonora. In questo caso, l’intensità del suono, così come l’intensità, verrebbero misurate in bel o decibel. Tuttavia, forte dipendenza K dalla frequenza e dall'intensità del suono non consente di ridurre la misurazione del volume al semplice utilizzo della formula 16.

Convenzionalmente, si presume che alla frequenza di 1 kHz le scale di volume e intensità del suono coincidano completamente, cioè k = 1 E

Il volume ad altre frequenze può essere misurato confrontando il suono di interesse con un suono a 1 kHz. Per fare ciò, viene creato un suono con una frequenza di 1 kHz utilizzando un generatore di suoni. L'intensità di questo suono viene modificata fino a quando non si verifica una sensazione uditiva, simile alla sensazione del volume del suono studiato. L'intensità di un suono con una frequenza di 1 kHz in decibel, misurata dal dispositivo, sarà uguale al volume di questo suono in sottofondo.

La curva inferiore corrisponde alle intensità dei suoni udibili più deboli - la soglia di udibilità; per tutte le frequenze E f = 0 F, per intensità sonora di 1 kHz Io 0 = 10 - 12W/m2(Fig..5.). Dalle curve sopra si può vedere che l'orecchio umano medio è più sensibile alle frequenze comprese tra 2500 e 3000 Hz. La curva superiore corrisponde alla soglia del dolore; per tutte le frequenze E f » 130 F, per 1kHz io = 10 W/m2 .

Ciascuna curva intermedia corrisponde allo stesso volume, ma a un'intensità sonora diversa per frequenze diverse. Come notato, solo per una frequenza di 1 kHz il volume del suono di sottofondo è uguale all'intensità del suono in decibel.

Usando la curva di uguaglianza del volume, puoi trovare le intensità che, a determinate frequenze, provocano la sensazione di questo volume.

Ad esempio, supponiamo che l'intensità di un suono con una frequenza di 200 Hz sia 80 dB.

Qual è il volume di questo suono? Nella figura troviamo un punto con coordinate: 200 Hz, 80 dB. Si trova sulla curva corrispondente ad un livello di volume di 60 F, che è la risposta.

Le energie corrispondenti ai suoni ordinari sono molto piccole.

Per illustrare ciò, si può fornire il seguente curioso esempio.

Se 2.000 persone parlassero ininterrottamente per un’ora e mezza, l’energia delle loro voci sarebbe sufficiente solo a far bollire un bicchiere d’acqua.

Riso. 5. Livelli di volume sonoro per suoni di diversa intensità.