En la sensación auditiva hay tono, volumen y timbre del sonido . Estas características sensación auditiva están asociados con la frecuencia, la intensidad y el espectro armónico: las características objetivas de una onda sonora. El objetivo del sistema de medición del sonido es establecer esta conexión y así permitir la investigación de la audición en diferentes personas comparar uniformemente la evaluación subjetiva de la sensación auditiva con datos de medición objetivos.

Paso - una característica subjetiva determinada por la frecuencia de su tono fundamental: cuanto mayor es la frecuencia, mayor es el sonido.

En mucha menor medida, la altura depende de la intensidad de la onda: a la misma frecuencia, un sonido más fuerte se percibe como más bajo.

El timbre de un sonido está determinado casi exclusivamente por su composición espectral. Por ejemplo, el oído distingue la misma nota tocada en diferentes instrumentos musicales. Los sonidos del habla que son iguales en frecuencias fundamentales entre diferentes personas también difieren en timbre. Entonces, el timbre es una característica cualitativa de la sensación auditiva, determinada principalmente por el espectro armónico del sonido.

Volumen de sonido E - este es el nivel de sensación auditiva por encima de su umbral. Depende, en primer lugar, de intensidad sonido. Aunque subjetiva, la sonoridad se puede cuantificar comparando la sensación auditiva de dos fuentes.

Niveles de intensidad del sonido y niveles de volumen. Unidades de medida. ley weber-fechner.

Una onda sonora crea la sensación de sonido cuando la intensidad del sonido excede un cierto valor mínimo llamado umbral de audibilidad. Un sonido cuya intensidad está por debajo del umbral de audibilidad no es percibido por el oído: es demasiado débil para ello. El umbral de audición es diferente para diferentes frecuencias (Fig. 3). El oído humano es más sensible a vibraciones con frecuencias en la región de 1000 a 3000 Hz; para esta zona el umbral de audición alcanza un valor del orden de yo 0

= 10-12W/m2. El oído es mucho menos sensible a las frecuencias más bajas y más altas. Las vibraciones muy fuertes, del orden de varias decenas de W/m2, ya no se perciben como sonido: provocan una sensación táctil de presión en el oído, que luego se convierte en una sensación dolorosa. El valor máximo de intensidad del sonido por encima del cual se produce el dolor se denomina umbral del tacto o dolor (Figura 3). A una frecuencia de 1 kHz es igual a I m = 10 W/m 2.

El umbral del dolor es diferente para diferentes frecuencias. Entre el umbral de audición y el umbral del dolor se encuentra la región de audibilidad que se muestra en la Figura 3.

Arroz. 3. Diagrama de audibilidad.

La relación de intensidad del sonido para estos umbrales es 10 13 . Es conveniente utilizar una escala logarítmica y comparar no los valores en sí, sino sus logaritmos. Recibimos una escala de niveles de intensidad del sonido. Significado Un sonido cuya intensidad está por debajo del umbral de audibilidad no es percibido por el oído: es demasiado débil para ello. El umbral de audición es diferente para diferentes frecuencias (Fig. 3). El oído humano es más sensible a vibraciones con frecuencias en la región de 1000 a 3000 Hz; para esta zona el umbral de audición alcanza un valor del orden de tomado como nivel inicial de la escala, cualquier otra intensidad I expresado a través del logaritmo decimal de su relación con Un sonido cuya intensidad está por debajo del umbral de audibilidad no es percibido por el oído: es demasiado débil para ello. El umbral de audición es diferente para diferentes frecuencias (Fig. 3). El oído humano es más sensible a vibraciones con frecuencias en la región de 1000 a 3000 Hz; para esta zona el umbral de audición alcanza un valor del orden de :

El logaritmo de la relación de dos intensidades se mide en belá (B).

Bel (B)— una unidad de la escala de niveles de intensidad sonora, correspondiente a un cambio en el nivel de intensidad por un factor de 10. Junto con los blancos son muy utilizados. decibeles (dB), en este caso, la fórmula (6) debe escribirse de la siguiente manera:

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

Arroz. 4. Intensidades de algunos sonidos.

La creación de una escala de niveles de sonoridad se basa en la importante ley psicofísica de Weber-Fechner. Si, según esta ley, aumentamos la irritación en progresión geométrica (es decir, el mismo número de veces), entonces la sensación de esta irritación aumentará en progresión aritmética (es decir, en la misma cantidad).

Incremento elemental Delaware El volumen del sonido es directamente proporcional a la relación de incremento. yo intensidad a la intensidad misma I sonido:

Dónde k— coeficiente de proporcionalidad, en función de la frecuencia y la intensidad.

Entonces el nivel de volumen mi de un sonido dado se determina integrando la expresión 8 sobre un cierto nivel cero Un sonido cuya intensidad está por debajo del umbral de audibilidad no es percibido por el oído: es demasiado débil para ello. El umbral de audición es diferente para diferentes frecuencias (Fig. 3). El oído humano es más sensible a vibraciones con frecuencias en la región de 1000 a 3000 Hz; para esta zona el umbral de audición alcanza un valor del orden de a un nivel dado I intensidad.

De este modo, ley weber-fechner se formula de la siguiente manera:

El nivel de volumen de un sonido dado (a una cierta frecuencia de vibraciones sonoras) es directamente proporcional al logaritmo de la relación de su intensidad I valorar yo 0 , correspondiente al umbral de audición:

La escala comparativa, así como la unidad de belio y decibelio, también se utiliza para caracterizar los niveles de presión sonora.

Las unidades para medir los niveles de sonoridad tienen los mismos nombres: bel y decibel, pero para distinguirlas de la escala de niveles de intensidad del sonido, los decibeles se llaman decibelios en la escala de niveles de sonoridad. fondos (F).

Bel: cambio en el nivel de volumen de un tono con una frecuencia de 1000 Hz cuando el nivel de intensidad del sonido cambia 10 veces. Para un tono de 1000 Hz, los valores numéricos en belios del nivel de volumen y del nivel de intensidad son los mismos.

Si trazamos curvas para diferentes niveles volumen, por ejemplo, en pasos cada 10 fondos, obtendrá un sistema de gráficos (Fig. 1.5), que permite encontrar la dependencia del nivel de intensidad del sonido de la frecuencia en cualquier nivel de volumen.

En general, el sistema de curvas de sonoridad igual refleja la relación entre la frecuencia, el nivel de intensidad y el nivel de sonoridad del sonido y permite utilizar dos cantidades conocidas de estas cantidades para encontrar la tercera, la desconocida.

El estudio de la agudeza auditiva, es decir, la sensibilidad del órgano auditivo a sonidos de diferentes alturas, se llama audiometría. Normalmente, el estudio encuentra puntos en la curva del umbral auditivo en frecuencias que bordean las octavas. Una octava es un intervalo de tonos en el que la proporción de frecuencias extremas es igual a dos. Hay tres métodos principales de audiometría: pruebas de audición con el habla, diapasones y un audiómetro.

La gráfica del umbral de audición versus la frecuencia del sonido se llama audiograma. La pérdida auditiva se determina comparando el audiograma del paciente con una curva normal. El dispositivo utilizado en este caso, un audiómetro, es un generador de sonido con ajuste fino e independiente de la frecuencia y el nivel de intensidad del sonido. El dispositivo está equipado con teléfonos para aire y conducción ósea y un botón de señal, con el que el sujeto nota la presencia de una sensación auditiva.

Si el coeficiente k fue constante, luego de LB Y mi De ello se deduciría que la escala logarítmica de intensidades de sonido corresponde a la escala de sonoridad. En este caso, el volumen del sonido, así como la intensidad, se medirían en belios o decibeles. Sin embargo, una fuerte dependencia k a partir de la frecuencia y la intensidad del sonido no permite reducir la medición del volumen al simple uso de la fórmula 16.

Convencionalmente se cree que a una frecuencia de 1 kHz las escalas de volumen e intensidad del sonido coinciden completamente, es decir k = 1 Y

El volumen en otras frecuencias se puede medir comparando el sonido de interés con un sonido a una frecuencia de 1 kHz. Para ello, se crea un sonido con una frecuencia de 1 kHz mediante un generador de sonido. La intensidad de este sonido va cambiando hasta que se produce una sensación auditiva similar a la sensación del volumen del sonido que se está estudiando. La intensidad de un sonido con una frecuencia de 1 kHz en decibeles, medida por el dispositivo, será igual al volumen de este sonido de fondo.

La curva inferior corresponde a las intensidades de los sonidos audibles más débiles: el umbral de audibilidad; para todas las frecuencias mi f = 0 f, para intensidad de sonido de 1 kHz Yo 0 = 10 - 12W/m2(Figura 5.). De las curvas anteriores se puede ver que el oído humano promedio es más sensible a frecuencias de 2500 - 3000 Hz. La curva superior corresponde al umbral del dolor; para todas las frecuencias E f » 130 F, para 1kHz yo = 10 W/m2 .

Cada curva intermedia corresponde al mismo volumen, pero diferente intensidad de sonido para diferentes frecuencias. Como se señaló, sólo para una frecuencia de 1 kHz el volumen del sonido de fondo es igual a la intensidad del sonido en decibeles.

Utilizando la curva de igual sonoridad, se pueden encontrar las intensidades que, en determinadas frecuencias, provocan la sensación de esta sonoridad.

Por ejemplo, supongamos que la intensidad de un sonido con una frecuencia de 200 Hz sea de 80 dB.

¿Cuál es el volumen de este sonido? En la figura encontramos un punto con coordenadas: 200 Hz, 80 dB. Se encuentra en la curva correspondiente a un nivel de sonoridad de 60 F, que es la respuesta.

Las energías correspondientes a los sonidos ordinarios son muy pequeñas.

Para ilustrar esto, se puede dar el siguiente ejemplo curioso.

Si 2.000 personas hablaran continuamente durante hora y media, la energía de sus voces sólo alcanzaría para hervir un vaso de agua.

Arroz. 5. Niveles de volumen de sonido para sonidos de diferentes intensidades.

Contenido del artículo

SONIDO Y ACÚSTICA. El sonido son vibraciones, es decir. perturbación mecánica periódica en medios elásticos: gaseosos, líquidos y sólidos. Tal indignación, que representa cierta cambio fisico en un medio (por ejemplo, un cambio de densidad o presión, desplazamiento de partículas), se propaga en él en forma de onda sonora. El área de la física que se ocupa del origen, propagación, recepción y procesamiento de las ondas sonoras se denomina acústica. Un sonido puede ser inaudible si su frecuencia está más allá de la sensibilidad del oído humano, o si viaja a través de un medio, como un sólido, que no puede tener contacto directo con el oído, o si su energía se disipa rápidamente en el medio. Por tanto, el proceso de percepción del sonido que nos es habitual es sólo una cara de la acústica.

ONDAS DE SONIDO

Considere un tubo largo lleno de aire. Desde el extremo izquierdo se inserta un pistón que se ajusta firmemente a las paredes (Fig. 1). Si el pistón se mueve bruscamente hacia la derecha y se detiene, el aire en las inmediaciones se comprimirá por un momento (Fig. 1, A). Luego, el aire comprimido se expandirá, empujando el aire adyacente hacia la derecha, y la región de compresión, que inicialmente apareció cerca del pistón, se moverá a lo largo de la tubería a una velocidad constante (Fig. 1, b). Esta onda de compresión es la onda sonora en el gas.

Una onda de sonido en un gas se caracteriza por un exceso de presión, un exceso de densidad, el desplazamiento de partículas y su velocidad. Para las ondas sonoras, estas desviaciones de los valores de equilibrio son siempre pequeñas. Por tanto, el exceso de presión asociado con la onda es mucho menor que la presión estática del gas. De lo contrario, estamos ante otro fenómeno: una onda de choque. En una onda sonora correspondiente al habla normal, el exceso de presión es sólo aproximadamente una millonésima parte de la presión atmosférica.

Lo importante es que la sustancia no sea arrastrada por la onda sonora. Una onda es sólo una perturbación temporal que atraviesa el aire, después de la cual el aire vuelve a un estado de equilibrio.

El movimiento ondulatorio, por supuesto, no es exclusivo del sonido: las señales de luz y de radio viajan en forma de ondas, y todo el mundo está familiarizado con las ondas en la superficie del agua. Todos los tipos de ondas se describen matemáticamente mediante la llamada ecuación de ondas.

Ondas armónicas.

La onda en la tubería de la Fig. 1 se llama pulso sonoro. Un tipo de onda muy importante se genera cuando el pistón oscila hacia adelante y hacia atrás como un peso suspendido de un resorte. Estas oscilaciones se denominan armónicas simples o sinusoidales, y la onda excitada en este caso se llama armónica.

Con oscilaciones armónicas simples, el movimiento se repite periódicamente. El intervalo de tiempo entre dos estados de movimiento idénticos se llama período de oscilación y el número de períodos completos por segundo se llama frecuencia de oscilación. Denotaremos el período por t y frecuencia – a través de F; entonces podemos escribir eso F= 1/T. Si, por ejemplo, la frecuencia es de 50 ciclos por segundo (50 Hz), entonces el período es 1/50 de segundo.

Matemáticamente, las oscilaciones armónicas simples se describen mediante una función simple. Desplazamiento del pistón durante oscilaciones armónicas simples en cualquier momento t se puede escribir en la forma

Aquí d - desplazamiento del pistón desde la posición de equilibrio, y D– multiplicador constante, que es igual al valor máximo de la cantidad d y se llama amplitud de desplazamiento.

Supongamos que el pistón oscila según la fórmula de oscilación armónica. Luego, cuando se mueve hacia la derecha, se produce compresión, como antes, y cuando se mueve hacia la izquierda, la presión y la densidad disminuirán en relación con sus valores de equilibrio. Lo que ocurre no es la compresión, sino la rarefacción del gas. En este caso, la derecha se extenderá, como se muestra en la Fig. 2, una ola de compresión y rarefacción alternas. En cada momento, la curva de distribución de presión a lo largo de la tubería se verá como una sinusoide, y esta sinusoide se moverá hacia la derecha a la velocidad del sonido. v. La distancia a lo largo de la tubería entre fases de onda idénticas (por ejemplo, entre máximos adyacentes) se llama longitud de onda. Generalmente se denota con la letra griega. yo(lambda). Longitud de onda yo es la distancia recorrida por la onda en el tiempo t. Es por eso yo = TELEVISOR, o v = l f.

Ondas longitudinales y transversales.

Si las partículas oscilan paralelamente a la dirección de propagación de la onda, entonces la onda se llama longitudinal. Si oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación, entonces la onda se llama transversal. Las ondas sonoras en gases y líquidos son longitudinales. En los sólidos existen ondas de ambos tipos. Una onda transversal en un sólido es posible debido a su rigidez (resistencia al cambio de forma).

La diferencia más significativa entre estos dos tipos de ondas es que una onda transversal tiene la propiedad polarización(las oscilaciones ocurren en un plano determinado), pero las longitudinales no. En algunos fenómenos, como la reflexión y transmisión del sonido a través de cristales, mucho depende de la dirección del desplazamiento de las partículas, al igual que en el caso de las ondas luminosas.

Velocidad de las ondas sonoras.

La velocidad del sonido es una característica del medio en el que se propaga la onda. Está determinado por dos factores: elasticidad y densidad del material. Las propiedades elásticas de los sólidos dependen del tipo de deformación. Por tanto, las propiedades elásticas de una varilla de metal no son las mismas durante la torsión, la compresión y la flexión. Y las vibraciones de las ondas correspondientes se propagan a diferentes velocidades.

El elástico es un medio en el que la deformación, ya sea torsión, compresión o flexión, es proporcional a la fuerza que provoca la deformación. Dichos materiales obedecen la ley de Hooke:

Voltaje = doґ Deformación relativa,

Dónde CON– módulo elástico, dependiendo del material y tipo de deformación.

Velocidad del sonido v para un tipo dado de deformación elástica viene dada por la expresión

Dónde r– densidad del material (masa por unidad de volumen).

Velocidad del sonido en una varilla sólida.

Una varilla larga se puede estirar o comprimir aplicando una fuerza en el extremo. Sea la longitud de la varilla L, fuerza de tracción aplicada – F, y el aumento de longitud es D l. Valor D l/l la llamaremos deformación relativa y la fuerza por unidad de área de la sección transversal de la varilla, la llamaremos tensión. Entonces el voltaje es F/A, Dónde A -área de la sección transversal de la varilla. Cuando se aplica a dicha varilla, la ley de Hooke tiene la forma

Dónde Y– Módulo de Young, es decir Módulo de elasticidad de una varilla por tensión o compresión, que caracteriza el material de la varilla. El módulo de Young es pequeño para materiales fácilmente estirables, como el caucho, y grande para materiales rígidos, como el acero.

Si ahora excitamos una onda de compresión golpeando el extremo de la varilla con un martillo, se propagará a una velocidad donde r, como antes, es la densidad del material del que está hecha la varilla. Los valores de velocidad de onda para algunos materiales típicos se dan en la tabla. 1.

Tabla 1. VELOCIDAD DEL SONIDO PARA DIFERENTES TIPOS DE ONDAS EN MATERIALES SÓLIDOS
Material	Ondas longitudinales en muestras sólidas extendidas (m/s)	Ondas de corte y torsión (m/s)	Ondas de compresión en varillas (m/s)
Aluminio
Latón
Dirigir
Hierro
Plata
Acero inoxidable
pedernal
Copa de corona
Plexiglás
Polietileno
Poliestireno

La onda considerada en la varilla es una onda de compresión. Pero no puede considerarse estrictamente longitudinal, ya que el movimiento de la superficie lateral de la varilla está asociado a la compresión (Fig.3, A).

También son posibles otros dos tipos de ondas en la varilla: una onda de flexión (Fig. 3, b) y onda de torsión (Fig.3, V). Las deformaciones por flexión corresponden a una onda que no es ni puramente longitudinal ni puramente transversal. Deformaciones torsionales, es decir La rotación alrededor del eje de la varilla da una onda puramente transversal.

La velocidad de la onda de flexión en la varilla depende de la longitud de onda. Esta onda se llama "dispersiva".

Las ondas de torsión en la varilla son puramente transversales y no dispersivas. Su velocidad está dada por la fórmula

Dónde metro– módulo de corte, que caracteriza las propiedades elásticas del material con respecto al corte. En la tabla se dan algunas velocidades típicas de las ondas de corte. 1.

Velocidad en medios sólidos extendidos.

En medios sólidos de gran volumen, donde se puede despreciar la influencia de los límites, son posibles ondas elásticas de dos tipos: longitudinales y transversales.

La deformación en una onda longitudinal es una deformación plana, es decir compresión unidimensional (o rarefacción) en la dirección de propagación de la onda. La deformación correspondiente a una onda transversal es un desplazamiento cortante perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

La velocidad de las ondas longitudinales en materiales sólidos está dada por

Dónde CL – módulo de elasticidad para simple tensión plana. Está relacionado con el módulo de volumen. EN(cuya definición se da a continuación) y el módulo de corte m del material por la relación CL = B + 4/3metro. en la mesa La Tabla 1 muestra los valores de las velocidades de las ondas longitudinales para diversos materiales sólidos.

La velocidad de las ondas de corte en un medio sólido extendido es la misma que la velocidad de las ondas de torsión en una varilla del mismo material. Por tanto viene dado por la expresión . Sus valores para materiales sólidos ordinarios se dan en la tabla. 1.

Velocidad en gases.

En los gases sólo es posible un tipo de deformación: compresión - rarefacción. Módulo de elasticidad correspondiente EN llamado módulo de volumen. Está determinada por la relación

-D PAG = B(D V/V).

Aquí D. PAG– cambio de presión, D V/V– cambio relativo de volumen. El signo menos indica que a medida que aumenta la presión, el volumen disminuye.

Magnitud EN Depende de si la temperatura del gas cambia o no durante la compresión. En el caso de una onda sonora, se puede demostrar que la presión cambia muy rápidamente y el calor liberado durante la compresión no tiene tiempo de salir del sistema. Por tanto, el cambio de presión en una onda sonora se produce sin intercambio de calor con las partículas circundantes. Este cambio se llama adiabático. Se ha establecido que la velocidad del sonido en un gas depende únicamente de la temperatura. A una temperatura determinada, la velocidad del sonido es aproximadamente la misma para todos los gases. A una temperatura de 21,1° C, la velocidad del sonido en el aire seco es de 344,4 m/s y aumenta al aumentar la temperatura.

Velocidad en líquidos.

Las ondas sonoras en los líquidos son ondas de compresión-rarefacción, como en los gases. La velocidad viene dada por la misma fórmula. Sin embargo, el líquido es mucho menos comprimible que el gas y, por lo tanto, su valor es muchas veces mayor. EN, más y densidad r. La velocidad del sonido en los líquidos es más cercana a la velocidad en los sólidos que en los gases. Es mucho menor que en los gases y depende de la temperatura. Por ejemplo, la velocidad en agua dulce es de 1460 m/s a 15,6 °C. En agua de mar con salinidad normal es de 1504 m/s a la misma temperatura. La velocidad del sonido aumenta al aumentar la temperatura del agua y la concentración de sal.

Ondas estacionarias.

Cuando una onda armónica se excita en un espacio confinado de modo que se refleja desde los límites, se producen las llamadas ondas estacionarias. Una onda estacionaria es el resultado de la superposición de dos ondas, una que viaja en dirección de avance y la otra en dirección opuesta. Aparece un patrón de oscilaciones, que no se mueve en el espacio, con antinodos y nodos alternos. En los antinodos, las desviaciones de las partículas oscilantes de sus posiciones de equilibrio son máximas y en los nodos son cero.

Ondas estacionarias en una cuerda.

Las ondas transversales surgen en una cuerda estirada y la cuerda se desplaza con respecto a su posición recta original. Al fotografiar ondas en una cuerda, los nodos y antinodos del tono fundamental y los armónicos son claramente visibles.

La imagen de las ondas estacionarias facilita enormemente el análisis de los movimientos oscilatorios de una cuerda de una longitud determinada. Que haya una cuerda de longitud. l, fijado en los extremos. Cualquier tipo de vibración de dicha cuerda se puede representar como una combinación de ondas estacionarias. Como los extremos de la cuerda son fijos, sólo son posibles ondas estacionarias que tengan nodos en los puntos límite. La frecuencia más baja de vibración de la cuerda corresponde a la máxima longitud de onda posible. Dado que la distancia entre nodos es yo/2, la frecuencia es mínima cuando la longitud de la cuerda es igual a la mitad de la longitud de onda, es decir, en yo= 2l. Este es el llamado modo fundamental de vibración de la cuerda. Su frecuencia correspondiente, llamada frecuencia fundamental o tono fundamental, viene dada por F = v/2l, Dónde v– velocidad de propagación de la onda a lo largo de la cuerda.

Existe toda una secuencia de oscilaciones de frecuencias más altas que corresponden a ondas estacionarias con un mayor número de nodos. La siguiente frecuencia más alta, que se llama segundo armónico o primer sobretono, está dada por

F = v/l.

La secuencia de armónicos se expresa mediante la fórmula. f = nv/2l, Dónde norte= 1, 2, 3, etc. Este es el llamado Frecuencias naturales de las vibraciones de las cuerdas. Aumentan en proporción a los números de la serie natural: armónicos más altos en 2, 3, 4... etc. veces la frecuencia de la vibración fundamental. Esta serie de sonidos se llama escala natural o armónica.

Todo esto es importante en la acústica musical, que se analizará con más detalle a continuación. Por ahora, observemos que el sonido producido por una cuerda contiene todas sus propias frecuencias. La contribución relativa de cada uno de ellos depende del punto en el que se excitan las vibraciones de la cuerda. Si, por ejemplo, tocas una cuerda por el medio, la frecuencia fundamental será la más excitada, ya que este punto corresponde al antinodo. El segundo armónico estará ausente, ya que su nodo se ubica en el centro. Lo mismo puede decirse de otros armónicos ( vea abajo Acústica musical).

La velocidad de las ondas en la cuerda es igual a

Dónde T- tensión de las cuerdas y r L – masa por unidad de longitud de cuerda. Por lo tanto, el espectro de frecuencias naturales de la cuerda está dado por

Por tanto, un aumento de la tensión de la cuerda conduce a un aumento de las frecuencias de vibración. Reducir la frecuencia de oscilación en un determinado t puedes tomar una cuerda más pesada (grande rl) o aumentando su longitud.

Ondas estacionarias en tubos de órgano.

La teoría presentada en relación con una cuerda también se puede aplicar a las vibraciones del aire en un tubo como un órgano. Un tubo de órgano puede verse de manera simplista como un tubo recto en el que se excitan ondas estacionarias. La tubería puede tener extremos tanto cerrados como abiertos. Aparece un antinodo de onda estacionaria en el extremo abierto y un nudo en el extremo cerrado. Por lo tanto, una tubería con dos extremos abiertos tiene una frecuencia fundamental tal que la mitad de la longitud de onda se ajusta a lo largo de la tubería. Una tubería, en la que un extremo está abierto y el otro cerrado, tiene una frecuencia fundamental en la que un cuarto de la longitud de onda cabe a lo largo de la tubería. Por tanto, la frecuencia fundamental para una tubería abierta en ambos extremos es F =v/2l, y para una tubería abierta en un extremo, f = v/4l(Dónde l– longitud de la tubería). En el primer caso, el resultado es el mismo que para una cuerda: los armónicos se duplican, triplican, etc. el valor de la frecuencia fundamental. Sin embargo, para una tubería que está abierta en un extremo, los armónicos serán mayores que la frecuencia fundamental en factores de 3, 5, 7, etc. una vez.

En la figura. 4 y 5 muestran esquemáticamente la imagen de las ondas estacionarias de la frecuencia fundamental y el primer armónico para tubos de los dos tipos considerados. Los desplazamientos se muestran aquí como transversales por conveniencia, pero en realidad son longitudinales.

Oscilaciones resonantes.

Las ondas estacionarias están estrechamente relacionadas con el fenómeno de la resonancia. Las frecuencias naturales analizadas anteriormente son también las frecuencias resonantes de una cuerda o un tubo de órgano. Supongamos que cerca del extremo abierto del tubo de un órgano se coloca un altavoz que emite una señal de una frecuencia específica, que puede variarse a voluntad. Luego, cuando la frecuencia de la señal del altavoz coincida con la frecuencia fundamental de la pipa o uno de sus armónicos, la pipa sonará muy fuerte. Esto sucede porque el altavoz excita vibraciones de la columna de aire con una amplitud significativa. Dicen que la tubería resuena en estas condiciones.

Análisis de Fourier y espectro de frecuencias del sonido.

En la práctica, las ondas sonoras de una única frecuencia son raras. Pero las ondas sonoras complejas se pueden descomponer en armónicos. Este método se llama análisis de Fourier en honor al matemático francés J. Fourier (1768-1830), quien fue el primero en utilizarlo (en la teoría del calor).

Una gráfica de la energía relativa de las vibraciones del sonido versus la frecuencia se llama espectro de frecuencia del sonido. Hay dos tipos principales de tales espectros: discretos y continuos. Un espectro discreto consta de líneas separadas para frecuencias separadas por espacios vacíos. Un espectro continuo contiene todas las frecuencias dentro de su banda.

Vibraciones sonoras periódicas.

Las vibraciones del sonido son periódicas si el proceso oscilatorio, por complejo que sea, se repite después de un determinado intervalo de tiempo. Su espectro es siempre discreto y está formado por armónicos de una determinada frecuencia. De ahí el término “análisis armónico”. Un ejemplo son las oscilaciones rectangulares (Fig.6, A) con amplitud cambiando de +A a - A y punto T= 1/F. Otro ejemplo simple es la onda triangular en diente de sierra que se muestra en la figura. 6, b. En la figura 2.3 se muestra un ejemplo de oscilaciones periódicas de forma más compleja con sus correspondientes componentes armónicos. 7.

Los sonidos musicales son vibraciones periódicas y, por tanto, contienen armónicos (armónicos). Ya hemos visto que en una cuerda, junto con las vibraciones de la frecuencia fundamental, se excitan en un grado u otro otros armónicos. La contribución relativa de cada armónico depende de la forma en que se excita la cuerda. El conjunto de matices está determinado en gran medida. timbre sonido musical. Estas cuestiones se analizan con más detalle más adelante en la sección sobre acústica musical.

Espectro de un pulso sonoro.

El tipo de sonido habitual es un sonido de corta duración: palmadas, golpes en una puerta, el sonido de un objeto que cae al suelo, el cuco cuco. Estos sonidos no son periódicos ni musicales. Pero también se pueden descomponer en un espectro de frecuencias. En este caso, el espectro será continuo: para describir el sonido se necesitan todas las frecuencias dentro de una determinada banda, que puede ser muy amplia. Conocer este espectro de frecuencias es necesario para reproducir este tipo de sonidos sin distorsión, ya que el sistema electrónico correspondiente debe “pasar” todas estas frecuencias igualmente bien.

Las características principales de un pulso sonoro se pueden aclarar considerando un pulso de forma simple. Supongamos que el sonido es una vibración de duración D t, en el que el cambio de presión es como se muestra en la Fig. 8, A. Un espectro de frecuencia aproximado para este caso se muestra en la Fig. 8, b. La frecuencia central corresponde a las oscilaciones que tendríamos si una misma señal se extendiera indefinidamente.

La longitud del espectro de frecuencias se llamará ancho de banda D. F(Figura 8, b). El ancho de banda es el rango aproximado de frecuencias necesarias para reproducir el pulso original sin distorsión excesiva. Existe una relación fundamental muy simple entre D F y D t, es decir

D F D t» 1.

Esta relación es válida para todos los pulsos de sonido. Su significado es que cuanto más corto es el pulso, más frecuencias contiene. Supongamos que para detectar un submarino se utiliza un sonar que emite ultrasonidos en forma de pulso de 0,0005 s de duración con una frecuencia de señal de 30 kHz. El ancho de banda es 1/0,0005 = 2 kHz y las frecuencias realmente contenidas en el espectro del pulso del radar se encuentran en el rango de 29 a 31 kHz.

Ruido.

El ruido se refiere a cualquier sonido creado por numerosas fuentes inconsistentes. Un ejemplo es el sonido de las hojas de los árboles arrastradas por el viento. El ruido del motor a reacción es causado por la turbulencia del flujo de escape a alta velocidad. El ruido como sonido irritante está considerado en el art. CONTAMINACIÓN ACÚSTICA DEL MEDIO AMBIENTE.

Intensidad del sonido.

El volumen del sonido puede variar. No es difícil imaginar que esto se debe a la energía transferida por la onda sonora. Para hacer comparaciones cuantitativas del volumen, es necesario introducir el concepto de intensidad del sonido. La intensidad de una onda sonora se define como el flujo de energía promedio a través de una unidad de área del frente de onda por unidad de tiempo. En otras palabras, si se toma un área (por ejemplo, 1 cm2), que absorbería completamente el sonido, y se coloca perpendicular a la dirección de propagación de la onda, entonces la intensidad del sonido es igual a la energía acústica absorbida en un segundo. La intensidad suele expresarse en W/cm2 (o W/m2).

Demos el valor de esta cantidad para algunos sonidos familiares. La amplitud del exceso de presión que se produce durante una conversación normal es aproximadamente una millonésima parte de la presión atmosférica, lo que corresponde a una intensidad del sonido acústico del orden de 10 a 9 W/cm 2 . La potencia total del sonido producido durante una conversación normal es de sólo 0,00001 W. La capacidad del oído humano para percibir energías tan pequeñas demuestra su asombrosa sensibilidad.

El rango de intensidades de sonido que perciben nuestros oídos es muy amplio. La intensidad del sonido más fuerte que el oído puede tolerar es aproximadamente entre 10 y 14 veces mayor que el mínimo que puede oír. La potencia total de las fuentes de sonido cubre un rango igualmente amplio. Así, la potencia emitida por un susurro muy silencioso puede ser del orden de 10 a 9 W, mientras que la potencia emitida por un motor a reacción alcanza entre 10 y 5 W. Nuevamente, las intensidades difieren en un factor de 10 · 14.

Decibel.

Debido a que los sonidos varían mucho en intensidad, es más conveniente considerarlo como un valor logarítmico y medirlo en decibelios. El valor de intensidad logarítmico es el logaritmo de la relación entre el valor del valor considerado y su valor tomado como valor inicial. Nivel de intensidad j en relación con alguna intensidad seleccionada condicionalmente j 0 es igual

Nivel de intensidad del sonido = 10 lg ( j/j 0) dB.

Por tanto, un sonido que tiene una intensidad 20 dB mayor que otro tiene una intensidad 100 veces mayor.

En la práctica de las mediciones acústicas, se acostumbra expresar la intensidad del sonido en términos de la correspondiente amplitud de sobrepresión. Re. Cuando la presión se mide en decibeles en relación con alguna presión seleccionada arbitrariamente R 0 se obtiene el llamado nivel de presión sonora. Como la intensidad del sonido es proporcional a la magnitud pe 2 y lg( pe 2) = 2lg pe, el nivel de presión sonora se determina de la siguiente manera:

Nivel de presión sonora = 20 lg ( pe/PAG 0) dB.

Presión condicional R 0 = 2H 10 –5 Pa corresponde al umbral auditivo estándar para un sonido con una frecuencia de 1 kHz. en la mesa La Tabla 2 muestra los niveles de presión sonora de algunas fuentes de sonido comunes. Estos son valores integrales que se obtienen promediando todo el rango de frecuencia audible.

Tabla 2. NIVELES TÍPICOS DE PRESIÓN SONORA
fuente de sonido	Nivel de presión sonora, dB (rel. 2H 10 –5 Pa)
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Volumen.

El nivel de presión sonora no está simplemente relacionado con la percepción psicológica del volumen. El primero de estos factores es objetivo y el segundo es subjetivo. Los experimentos muestran que la percepción del volumen depende no sólo de la intensidad del sonido, sino también de su frecuencia y de las condiciones experimentales.

El volumen de los sonidos que no están sujetos a condiciones de comparación no se puede comparar. Aún así, la comparación de tonos puros es interesante. Para ello, determine el nivel de presión sonora con el que un tono determinado se percibe tan fuerte como un tono estándar con una frecuencia de 1000 Hz. En la figura. La Figura 9 muestra las curvas de sonoridad igual obtenidas en los experimentos de Fletcher y Manson. Para cada curva se indica el nivel de presión sonora correspondiente de un tono estándar de 1000 Hz. Por ejemplo, un tono con una frecuencia de 200 Hz requiere un nivel de sonido de 60 dB para ser percibido tan alto como un tono de 1000 Hz con un nivel de presión sonora de 50 dB.

Estas curvas se utilizan para determinar el fondo, una unidad de nivel de sonoridad que también se mide en decibeles. El fondo es el nivel de volumen del sonido para el cual el nivel de presión sonora de un tono puro estándar igualmente alto (1000 Hz) es de 1 dB. Así, un sonido con una frecuencia de 200 Hz a un nivel de 60 dB tiene un nivel de volumen de 50 fondos.

La curva inferior en la Fig. 9 es la curva del umbral auditivo de un buen oído. El rango de frecuencias audibles se extiende desde aproximadamente 20 a 20.000 Hz.

Propagación de ondas sonoras.

Como las ondas de un guijarro arrojado a aguas tranquilas, las ondas sonoras viajan en todas direcciones. Es conveniente caracterizar dicho proceso de propagación mediante un frente de onda. Un frente de onda es una superficie en el espacio en la que se producen oscilaciones en todos los puntos en la misma fase. Los frentes de onda de un guijarro que cae al agua son círculos.

Ondas planas.

El tipo de frente de onda más simple es el plano. Una onda plana viaja en una sola dirección y es una idealización que en la práctica sólo se realiza de forma aproximada. Una onda sonora en una tubería se puede considerar aproximadamente plana, al igual que una onda esférica a gran distancia de la fuente.

Ondas esféricas.

Los tipos simples de ondas incluyen una onda con un frente esférico que emana de un punto y se propaga en todas direcciones. Una onda de este tipo puede excitarse utilizando una pequeña esfera pulsante. La fuente que excita una onda esférica se llama fuente puntual. La intensidad de dicha onda disminuye a medida que se propaga, ya que la energía se distribuye en una esfera de radio cada vez mayor.

Si una fuente puntual que crea una onda esférica emite una potencia de 4 pQ, entonces desde el área de superficie de una esfera con radio r es igual a 4 pr 2, la intensidad del sonido en una onda esférica es igual a

j = q/r 2 ,

Dónde r– distancia de la fuente. Por tanto, la intensidad de una onda esférica disminuye en proporción inversa al cuadrado de la distancia a la fuente.

La intensidad de cualquier onda sonora durante su propagación disminuye debido a la absorción del sonido. Este fenómeno se discutirá a continuación.

Principio de Huygens.

El principio de Huygens es válido para la propagación del frente de onda. Para averiguarlo, consideremos la forma del frente de onda que conocemos en cualquier momento. Se puede encontrar incluso después del tiempo D. t, si cada punto del frente de onda inicial se considera como fuente de una onda esférica elemental que se ha propagado a lo largo de este intervalo a una distancia v D t. La envoltura de todos estos frentes de onda esféricos elementales será el nuevo frente de onda. El principio de Huygens permite determinar la forma del frente de onda durante todo el proceso de propagación. De ello se deduce también que las ondas, tanto planas como esféricas, conservan su geometría durante la propagación, siempre que el medio sea homogéneo.

Difracción de sonido.

La difracción es la curvatura de ondas alrededor de un obstáculo. La difracción se analiza utilizando el principio de Huygens. El alcance de esta curvatura depende de la relación entre la longitud de onda y el tamaño del obstáculo o agujero. Dado que la longitud de onda del sonido es muchas veces más larga que la de la luz, la difracción de las ondas sonoras nos sorprende menos que la difracción de la luz. Entonces, puedes hablar con alguien que está parado en la esquina del edificio, aunque no sea visible. Una onda de sonido dobla una esquina con facilidad, mientras que la luz, debido a su corta longitud de onda, produce sombras nítidas.

Consideremos la difracción de una onda sonora plana que incide sobre una pantalla plana sólida con un agujero. Para determinar la forma del frente de onda en el otro lado de la pantalla, necesita conocer la relación entre la longitud de onda yo y diámetro del agujero D. Si estos valores son aproximadamente iguales o yo mucho mas D, luego se completan los resultados de la difracción: el frente de onda de la onda emergente será esférico y la onda alcanzará todos los puntos detrás de la pantalla. Si yo algo menos D, entonces la onda emergente se propagará predominantemente hacia adelante. Y finalmente, si yo mucho menos D, entonces toda su energía se esparcirá en línea recta. Estos casos se muestran en la Fig. 10.

La difracción también se observa cuando hay algún obstáculo en el camino del sonido. Si el tamaño del obstáculo es mucho mayor que la longitud de onda, entonces el sonido se refleja y se forma una zona de sombra acústica detrás del obstáculo. Cuando el tamaño del obstáculo es comparable o menor que la longitud de onda, el sonido se difracta hasta cierto punto en todas las direcciones. Esto se tiene en cuenta en la acústica arquitectónica. Por ejemplo, a veces las paredes de un edificio están cubiertas de proyecciones con dimensiones del orden de la longitud de onda del sonido. (A una frecuencia de 100 Hz, la longitud de onda en el aire es de aproximadamente 3,5 m). En este caso, el sonido que incide sobre las paredes se dispersa en todas direcciones. En acústica arquitectónica, este fenómeno se denomina difusión del sonido.

Reflexión y transmisión del sonido.

Cuando una onda de sonido que viaja en un medio choca con una interfaz con otro medio, pueden ocurrir tres procesos simultáneamente. Una onda puede reflejarse desde una interfaz, puede pasar a otro medio sin cambiar de dirección o puede cambiar de dirección en el límite, es decir, refractar. En la figura. La Figura 11 muestra el caso más simple cuando una onda plana incide en ángulo recto con una superficie plana que separa dos sustancias diferentes. Si el coeficiente de reflexión de intensidad, que determina la fracción de energía reflejada, es igual a R, entonces el coeficiente de transmisión será igual a t = 1 – R.

Para una onda sonora, la relación entre el exceso de presión y la velocidad volumétrica oscilatoria se llama impedancia acústica. Los coeficientes de reflexión y transmisión dependen de la relación de las impedancias de las ondas de los dos medios; las impedancias de las ondas, a su vez, son proporcionales a las impedancias acústicas. La resistencia a las olas de los gases es mucho menor que la de los líquidos y sólidos. Por lo tanto, si una onda en el aire golpea un objeto sólido grueso o la superficie de aguas profundas, el sonido se refleja casi por completo. Por ejemplo, para la interfaz aire-agua la relación de impedancia de las olas es 0,0003. En consecuencia, la energía del sonido que pasa del aire al agua es igual a sólo el 0,12% de la energía incidente. Los coeficientes de reflexión y transmisión son reversibles: el coeficiente de reflexión es el coeficiente de transmisión en la dirección opuesta. Así, el sonido prácticamente no penetra ni desde el aire hasta la piscina de agua ni desde debajo del agua hacia el exterior, lo cual es bien conocido por todos los que han nadado bajo el agua.

En el caso de la reflexión considerada anteriormente, se supuso que el espesor del segundo medio en la dirección de propagación de la onda es grande. Pero el coeficiente de transmisión será significativamente mayor si el segundo medio es una pared que separa dos ambientes idénticos, como por ejemplo una partición sólida entre habitaciones. El hecho es que el espesor de la pared suele ser menor que la longitud de onda del sonido o comparable a ella. Si el espesor de la pared es múltiplo de la mitad de la longitud de onda del sonido en la pared, entonces el coeficiente de transmisión de la onda en incidencia perpendicular es muy grande. La partición sería absolutamente transparente al sonido de esta frecuencia si no fuera por la absorción, que aquí descuidamos. Si el espesor de la pared es mucho menor que la longitud de onda del sonido en ella, entonces la reflexión es siempre pequeña y la transmisión es grande, excepto cuando se toman medidas especiales para aumentar la absorción del sonido.

Refracción del sonido.

Cuando una onda de sonido plana incide en un ángulo sobre la interfaz, el ángulo de su reflexión es igual al ángulo de incidencia. La onda transmitida se desvía de la dirección de la onda incidente si el ángulo de incidencia es diferente de 90°. Este cambio en la dirección del movimiento de las olas se llama refracción. La geometría refractiva en un límite plano se muestra en la Fig. 12. Se indican los ángulos entre la dirección de las olas y la normal a la superficie. q 1 para onda incidente y q 2 – para pasado refractado. La relación entre estos dos ángulos incluye sólo la relación de las velocidades del sonido para los dos medios. Como en el caso de las ondas de luz, estos ángulos están relacionados entre sí mediante la ley de Snell:

Así, si la velocidad del sonido en el segundo medio es menor que en el primero, entonces el ángulo de refracción será menor que el ángulo de incidencia, pero si la velocidad en el segundo medio es mayor, entonces el ángulo de refracción será mayor que el ángulo de incidencia.

Refracción debida al gradiente de temperatura.

Si la velocidad del sonido en un medio no homogéneo cambia continuamente de un punto a otro, entonces la refracción también cambia. Dado que la velocidad del sonido tanto en el aire como en el agua depende de la temperatura, en presencia de un gradiente de temperatura, las ondas sonoras pueden cambiar la dirección de su movimiento. En la atmósfera y el océano se suelen observar gradientes verticales de temperatura debido a la estratificación horizontal. Por lo tanto, debido a los cambios en la velocidad vertical del sonido causados ​​por los gradientes de temperatura, la onda sonora puede desviarse hacia arriba o hacia abajo.

Consideremos el caso en el que en algún lugar cerca de la superficie de la Tierra el aire es más cálido que en las capas más altas. Luego, al aumentar la altitud, la temperatura del aire aquí disminuye y, con ella, la velocidad del sonido disminuye. El sonido emitido por una fuente cercana a la superficie de la Tierra viajará hacia arriba debido a la refracción. Esto se muestra en la Fig. 13, que muestra “rayos” sonoros.

La desviación de los rayos de sonido que se muestra en la Fig. 13, se describe en forma general mediante la ley de Snell. si a través q, como antes, designa el ángulo entre la vertical y la dirección de la radiación, entonces la ley de Snell generalizada tiene la forma sin q/v= constante, refiriéndose a cualquier punto del rayo. Por lo tanto, si el haz pasa a una región donde la velocidad v disminuye, entonces el ángulo q también debería disminuir. Por lo tanto, los rayos de sonido siempre se desvían en la dirección de disminución de la velocidad del sonido.

De la Fig. 13 se puede observar que existe una región situada a cierta distancia de la fuente donde los rayos sonoros no penetran en absoluto. Esta es la llamada zona de silencio.

Es muy posible que en algún lugar a una altura mayor que la que se muestra en la Fig. 13, debido al gradiente de temperatura, la velocidad del sonido aumenta con la altura. En este caso, la onda sonora que inicialmente se desvió hacia arriba se desviará hacia la superficie de la Tierra en gran distancia. Esto sucede cuando se forma una capa de inversión de temperatura en la atmósfera, como resultado de lo cual es posible recibir señales sonoras de ultra largo alcance. Además, la calidad de la recepción en puntos lejanos es incluso mejor que en los cercanos. Ha habido muchos ejemplos de recepción de alcance ultralargo en la historia. Por ejemplo, durante la Primera Guerra Mundial, cuando las condiciones atmosféricas favorecían una refracción adecuada del sonido, en Inglaterra se podían oír los cañonazos en el frente francés.

Refracción del sonido bajo el agua.

En el océano también se observa la refracción del sonido, provocada por los cambios verticales de temperatura. Si la temperatura, y por tanto la velocidad del sonido, disminuye con la profundidad, los rayos del sonido se desvían hacia abajo, dando como resultado una zona de silencio similar a la que se muestra en la figura. 13 para la atmósfera. Para el océano, se obtendrá la imagen correspondiente si simplemente se le da la vuelta a esta imagen.

La presencia de zonas de silencio dificulta la detección de submarinos con sonar, y la refracción, que desvía las ondas sonoras hacia abajo, limita significativamente su rango de propagación cerca de la superficie. Sin embargo, también se observa refracción hacia arriba. Ella puede crear más condiciones favorables para sonar.

Interferencia de ondas sonoras.

La superposición de dos o más ondas se llama interferencia de ondas.

Ondas estacionarias como resultado de interferencia.

Las ondas estacionarias analizadas anteriormente son un caso especial de interferencia. Las ondas estacionarias se forman como resultado de la superposición de dos ondas de la misma amplitud, fase y frecuencia, que se propagan en direcciones opuestas.

La amplitud en los antinodos de una onda estacionaria es igual al doble de la amplitud de cada onda. Dado que la intensidad de una onda es proporcional al cuadrado de su amplitud, esto significa que la intensidad en los antinodos es 4 veces la intensidad de cada onda o 2 veces la intensidad total de las dos ondas. Aquí no se viola la ley de conservación de la energía, ya que la intensidad en los nodos es cero.

Paliza.

También es posible la interferencia de ondas armónicas de diferentes frecuencias. Cuando dos frecuencias difieren poco, se producen los llamados latidos. Los tiempos son cambios en la amplitud del sonido que ocurren a una frecuencia igual a la diferencia en las frecuencias originales. En la figura. La Figura 14 muestra un oscilograma de los latidos.

Hay que tener en cuenta que la frecuencia de batido es la frecuencia de modulación de amplitud del sonido. El batido tampoco debe confundirse con la diferencia de frecuencia resultante de la distorsión de la señal armónica.

Los ritmos se utilizan a menudo al afinar dos tonos al unísono. La frecuencia se ajusta hasta que ya no se pueden escuchar los latidos. Incluso si la frecuencia de los latidos es muy pequeña, el oído humano es capaz de percibir el aumento y la disminución periódica del volumen del sonido. Por lo tanto, los ritmos son un método muy sensible para sintonizar el rango de audio. Si la sintonización no es precisa, entonces la diferencia de frecuencia se puede determinar de oído contando el número de latidos en un segundo. En la música, los ritmos de los componentes armónicos más altos también se perciben con el oído, que se utiliza al afinar un piano.

Absorción de ondas sonoras.

La intensidad de las ondas sonoras durante su propagación siempre disminuye debido a que se disipa una cierta parte de la energía acústica. Debido a los procesos de intercambio de calor, interacción intermolecular y fricción interna, las ondas sonoras son absorbidas en cualquier medio. La intensidad de la absorción depende de la frecuencia de la onda sonora y de otros factores como la presión y la temperatura del medio.

La absorción de ondas en un medio se caracteriza cuantitativamente por el coeficiente de absorción. a. Muestra con qué rapidez disminuye el exceso de presión dependiendo de la distancia recorrida por la onda que se propaga. Disminución de la amplitud del exceso de presión –D Re al pasar la distancia D incógnita proporcional a la amplitud del exceso de presión inicial Re y distancia D incógnita. De este modo,

-D pe = una pe D incógnita.

Por ejemplo, cuando decimos que la pérdida por absorción es de 1 dB/m, esto significa que a una distancia de 50 m el nivel de presión sonora disminuye en 50 dB.

Absorción por fricción interna y conductividad térmica.

Durante el movimiento de partículas asociado con la propagación de una onda sonora, la fricción entre diferentes partículas del medio es inevitable. En líquidos y gases, esta fricción se llama viscosidad. La viscosidad, que es responsable de la conversión irreversible de la energía de las ondas acústicas en calor, es razón principal Absorción acústica en gases y líquidos.

Además, la absorción en gases y líquidos se debe a la pérdida de calor durante la compresión en la ola. Ya hemos dicho que cuando pasa una onda, el gas en fase de compresión se calienta. En este proceso acelerado, el calor normalmente no tiene tiempo de transferirse a otras áreas del gas o a las paredes del recipiente. Pero en realidad este proceso es imperfecto y parte de la energía térmica liberada abandona el sistema. Esto está asociado con la absorción acústica debido a la conductividad térmica. Esta absorción se produce en ondas de compresión en gases, líquidos y sólidos.

La absorción del sonido, debido tanto a la viscosidad como a la conductividad térmica, generalmente aumenta con el cuadrado de la frecuencia. Por tanto, los sonidos de alta frecuencia se absorben con mucha más fuerza que los sonidos de baja frecuencia. Por ejemplo, cuando presión normal y la temperatura, el coeficiente de absorción (debido a ambos mecanismos) a una frecuencia de 5 kHz en el aire es de aproximadamente 3 dB/km. Como la absorción es proporcional al cuadrado de la frecuencia, el coeficiente de absorción a 50 kHz será de 300 dB/km.

Absorción en sólidos.

El mecanismo de absorción del sonido debido a la conductividad térmica y la viscosidad, que ocurre en gases y líquidos, también se conserva en los sólidos. Sin embargo, aquí se le añaden nuevos mecanismos de absorción. Están asociados con defectos en la estructura de los sólidos. El hecho es que los materiales sólidos policristalinos consisten en pequeños cristalitos; Cuando el sonido los atraviesa, se producen deformaciones que provocan la absorción de energía sonora. El sonido también se encuentra disperso en los límites de los cristalitos. Además, incluso los monocristales contienen defectos como dislocaciones que contribuyen a la absorción del sonido. Las dislocaciones son violaciones de la coordinación de los planos atómicos. Cuando una onda de sonido hace vibrar los átomos, las dislocaciones se desplazan y luego regresan a sus posiciones originales, disipando energía debido a la fricción interna.

La absorción debida a dislocaciones explica, en particular, por qué una campana de plomo no suena. El plomo es un metal blando en el que hay muchas dislocaciones y, por lo tanto, las vibraciones del sonido se desintegran extremadamente rápidamente. Pero sonará bien si se enfría con aire líquido. En bajas temperaturas las dislocaciones están "congeladas" en una posición fija y, por lo tanto, no se mueven ni convierten la energía sonora en calor.

ACÚSTICA MUSICAL

Sonidos musicales.

La acústica musical estudia las características. sonidos musicales, sus características relacionadas con cómo los percibimos y los mecanismos sonoros de los instrumentos musicales.

El sonido o tono musical es un sonido periódico, es decir. fluctuaciones que se repiten una y otra vez después de un cierto período. Se dijo anteriormente que el sonido periódico se puede representar como una suma de oscilaciones con frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental. F: 2F, 3F, 4F etc. También se observó que las cuerdas vibrantes y las columnas de aire producen sonidos musicales.

Los sonidos musicales se diferencian en tres aspectos: volumen, tono y timbre. Todos estos indicadores son subjetivos, pero pueden asociarse a valores mensurables. El volumen está relacionado principalmente con la intensidad del sonido; la altura de un sonido, que caracteriza su posición en la estructura musical, está determinada por la frecuencia del tono; El timbre por el que un instrumento o voz se diferencia de otro se caracteriza por la distribución de energía entre armónicos y el cambio en esta distribución a lo largo del tiempo.

Tono del sonido.

El tono de un sonido musical está estrechamente relacionado con la frecuencia, pero no es idéntico a ella, ya que la evaluación del tono es subjetiva.

Por ejemplo, se ha establecido que la evaluación de la altura de un sonido de una sola frecuencia depende en cierta medida de su nivel de volumen. Con un aumento significativo del volumen, digamos 40 dB, la frecuencia aparente puede disminuir en un 10%. En la práctica, esta dependencia del volumen no importa, ya que los sonidos musicales son mucho más complejos que el sonido de una sola frecuencia.

La cuestión de la relación entre el tono y la frecuencia es más fundamental: si los sonidos musicales están compuestos de armónicos, ¿con qué frecuencia está asociado el tono percibido? Resulta que esta puede no ser la frecuencia que corresponde a la energía máxima, ni tampoco la frecuencia más baja del espectro. Por ejemplo, un sonido musical formado por un conjunto de frecuencias de 200, 300, 400 y 500 Hz se percibe como un sonido con un tono de 100 Hz. Es decir, el tono de un sonido está asociado a la frecuencia fundamental de la serie armónica, aunque no esté en el espectro sonoro. Es cierto que la mayoría de las veces la frecuencia fundamental está presente en un grado u otro en el espectro.

Hablando de la relación entre el tono de un sonido y su frecuencia, no debemos olvidarnos de las características órgano humano audiencia Se trata de un receptor acústico especial que introduce sus propias distorsiones (sin mencionar el hecho de que existen aspectos psicológicos y subjetivos de la audición). El oído es capaz de identificar determinadas frecuencias; además, la onda sonora sufre en él distorsiones no lineales. La selectividad de frecuencia es causada por la diferencia entre el volumen de un sonido y su intensidad (Fig. 9). Es más difícil explicar las distorsiones no lineales, que se expresan en la aparición de frecuencias que están ausentes en la señal original. La no linealidad de la respuesta del oído se debe a la asimetría del movimiento de sus distintos elementos.

Uno de los rasgos característicos de un sistema receptor no lineal es que cuando es excitado por un sonido con una frecuencia F 1 en él se excitan matices armónicos 2 F 1 , 3F 1,..., y en algunos casos también subarmónicos del tipo 1/2 F 1. Además, cuando la excitación de un sistema no lineal con dos frecuencias F 1 y F 2 las frecuencias suma y diferencia se excitan en él F 1 + F 2 Y F 1 - F 2. Cuanto mayor es la amplitud de las oscilaciones iniciales, mayor es la contribución de las frecuencias “extra”.

Así, debido a la no linealidad de las características acústicas del oído, pueden aparecer frecuencias que no están presentes en el sonido. Estas frecuencias se denominan tonos subjetivos. Supongamos que el sonido se compone de tonos puros de frecuencias 200 y 250 Hz. Debido a la no linealidad de la respuesta, aparecerán frecuencias adicionales: 250 – 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2´ 200 = 400, 2´ 250 = 500 Hz, etc. Al oyente le parecerá que hay todo un conjunto de frecuencias combinadas presentes en el sonido, pero su aparición en realidad se debe a la respuesta no lineal del oído. Cuando un sonido musical consta de una frecuencia fundamental y sus armónicos, es obvio que la frecuencia fundamental se amplifica efectivamente por las diferentes frecuencias.

Es cierto que, como han demostrado los estudios, las frecuencias subjetivas surgen sólo cuando la amplitud de la señal original es suficientemente grande. Por tanto, es posible que en el pasado se haya exagerado mucho el papel de las frecuencias subjetivas en la música.

Estándares musicales y medición del tono musical.

En la historia de la música, los sonidos de diferentes frecuencias se tomaron como el tono fundamental que determina toda la estructura musical. Ahora bien, la frecuencia generalmente aceptada para la nota "A" de la primera octava es 440 Hz. Pero en el pasado variaba de 400 a 462 Hz.

La forma tradicional de determinar el tono de un sonido es compararlo con el tono de un diapasón estándar. La desviación de la frecuencia de un sonido determinado del estándar se juzga por la presencia de latidos. Los diapasones todavía se utilizan hoy en día, aunque ahora existen instrumentos más convenientes para determinar el tono del sonido, como un generador de frecuencia estable estándar (con un resonador de cuarzo), que se puede sintonizar suavemente en todo el rango de audio. Es cierto que es bastante difícil calibrar con precisión un dispositivo de este tipo.

Un método estroboscópico ampliamente utilizado para medir el tono es en el que el sonido de un instrumento musical establece la frecuencia de los destellos de una lámpara estroboscópica. La lámpara ilumina el patrón en un disco que gira a una frecuencia conocida, y la frecuencia fundamental del tono se determina a partir de la frecuencia aparente de movimiento del patrón en el disco bajo iluminación estroboscópica.

El oído es muy sensible a los cambios de tono, pero su sensibilidad depende de la frecuencia. Es máximo cerca del umbral inferior de audibilidad. Incluso el oído no entrenado puede detectar una diferencia de frecuencia de sólo el 0,3% en el rango de 500 a 5000 Hz. La sensibilidad se puede aumentar mediante el entrenamiento. Los músicos tienen un sentido del tono muy desarrollado, pero no siempre resulta útil para determinar la frecuencia del tono puro producido por un oscilador de referencia. Esto sugiere que al determinar de oído la frecuencia de un sonido, su timbre juega un papel importante.

Timbre.

El timbre se refiere a aquellas características de los sonidos musicales que dan a los instrumentos musicales y a las voces su especificidad única, incluso cuando se comparan sonidos del mismo tono y volumen. Esta es, por así decirlo, calidad de sonido.

El timbre depende del espectro de frecuencias del sonido y de sus cambios con el tiempo. Está determinado por varios factores: la distribución de energía sobre los armónicos, las frecuencias que surgen en el momento en que aparece o se detiene el sonido (los llamados tonos de transición) y su atenuación, así como la lenta modulación de amplitud y frecuencia del sonido ( “vibrato”).

Intensidad de armónicos.

Consideremos una cuerda estirada, que se excita punteando en su parte media (Fig. 15, A). Dado que todos los armónicos pares tienen nodos en el medio, estarán ausentes y las oscilaciones consistirán en armónicos impares de frecuencia fundamental igual a F 1 = v/2yo, Dónde v – la velocidad de la onda en la cuerda, y yo– su longitud. Por lo tanto, sólo estarán presentes las frecuencias F 1 , 3F 1 , 5F 1, etc Las amplitudes relativas de estos armónicos se muestran en la Fig. 15, b.

Este ejemplo nos permite sacar la siguiente importante conclusión general. El conjunto de armónicos de un sistema resonante está determinado por su configuración, y la distribución de energía entre los armónicos depende del método de excitación. Cuando se excita una cuerda, la frecuencia fundamental domina en su centro y los armónicos pares se suprimen por completo. Si la cuerda se fija en su parte media y se toca en otro lugar, se suprimirán la frecuencia fundamental y los armónicos impares.

Todo esto se aplica a otros instrumentos musicales famosos, aunque los detalles pueden variar mucho. Los instrumentos suelen tener una cavidad de aire, una caja de resonancia o una bocina para emitir el sonido. Todo esto determina la estructura de los armónicos y la aparición de los formantes.

Formantes.

Como se indicó anteriormente, la calidad del sonido de los instrumentos musicales depende de la distribución de energía entre los armónicos. Cuando cambia el tono de muchos instrumentos, y especialmente de la voz humana, la distribución de los armónicos cambia de modo que los armónicos fundamentales siempre se encuentran aproximadamente en el mismo rango de frecuencia, que se llama rango de formantes. Una de las razones de la existencia de los formantes es el uso de elementos resonantes para amplificar el sonido, como la caja armónica y el resonador de aire. La amplitud de las resonancias naturales suele ser grande, por lo que la eficiencia de la radiación en las frecuencias correspondientes es mayor. En los instrumentos de metal, los formantes están determinados por la campana de la que emerge el sonido. Los armónicos dentro del rango de formantes siempre se enfatizan fuertemente, ya que se emiten con la máxima energía. Los formantes determinan en gran medida los rasgos cualitativos característicos de los sonidos de un instrumento musical o de una voz.

Cambiando de tono con el tiempo.

El tono de cualquier instrumento rara vez permanece constante en el tiempo y el timbre está significativamente relacionado con esto. Incluso cuando el instrumento sostiene una nota larga, hay una ligera modulación periódica de frecuencia y amplitud que enriquece el sonido: "vibrato". Esto es especialmente cierto en el caso de instrumentos de cuerda como el violín y la voz humana.

Para muchos instrumentos, por ejemplo el piano, la duración del sonido es tal que no tiene tiempo de formarse un tono constante: el sonido excitado aumenta rápidamente y luego decae rápidamente. Dado que la atenuación de los armónicos suele ser causada por efectos dependientes de la frecuencia (como la radiación acústica), es obvio que la distribución de los armónicos cambia a lo largo del sonido del tono.

La naturaleza del cambio de tono a lo largo del tiempo (la velocidad de subida y bajada del sonido) para algunos instrumentos se muestra esquemáticamente en la Fig. 18. Como es fácil ver, los instrumentos de cuerda (punteados y de teclado) prácticamente no tienen un tono constante. En tales casos, podemos hablar del espectro de armónicos solo de forma condicional, ya que el sonido cambia rápidamente con el tiempo. Las características de ascenso y descenso también son una parte importante del timbre de dichos instrumentos.

Tonos transicionales.

La composición armónica de un tono suele cambiar rápidamente a lo largo del tiempo. poco tiempo después de que el sonido se excita. En aquellos instrumentos en los que el sonido se excita golpeando las cuerdas o punteando, la energía atribuible a los armónicos más altos (así como a numerosos componentes no armónicos) es máxima inmediatamente después de que comienza el sonido, y después de una fracción de segundo estas frecuencias mueren. afuera. Estos sonidos, llamados de transición, dan un color específico al sonido del instrumento. En un piano, se producen por la acción de un martillo al golpear una cuerda. A veces, los instrumentos musicales con la misma estructura de armónicos sólo se pueden distinguir por sus tonos de transición.

EL SONIDO DE LOS INSTRUMENTOS MUSICALES

Los sonidos musicales pueden excitarse y modificarse de muchas maneras, razón por la cual los instrumentos musicales tienen diversas formas. Los instrumentos fueron creados y mejorados en su mayoría por los propios músicos y artesanos expertos que no recurrieron a teoría científica. Por tanto, la ciencia acústica no puede explicar, por ejemplo, por qué un violín tiene la forma que tiene. Sin embargo, es muy posible describir las propiedades sonoras de un violín basándose en principios generales juegos sobre él y sus diseños.

Se suele entender por rango de frecuencias de un instrumento el rango de frecuencias de sus tonos fundamentales. La voz humana abarca aproximadamente dos octavas y un instrumento musical abarca al menos tres (un órgano grande abarca diez). En la mayoría de los casos, los armónicos se extienden hasta el borde mismo del rango audible.

Los instrumentos musicales constan de tres partes principales: un elemento vibratorio, un mecanismo para excitarlo y un resonador auxiliar (bocina o tapa armónica) para la comunicación acústica entre el elemento vibratorio y el aire circundante.

El sonido musical es periódico en el tiempo y los sonidos periódicos constan de una serie de armónicos. Dado que las frecuencias naturales de vibración de cuerdas y columnas de aire de longitud fija están armoniosamente relacionadas entre sí, en muchos instrumentos los principales elementos vibratorios son las cuerdas y las columnas de aire. Con algunas excepciones (la flauta es una de ellas), los instrumentos no pueden producir un sonido de una sola frecuencia. Cuando se excita el vibrador principal, aparece un sonido que contiene matices. Para algunos vibradores, las frecuencias resonantes no son componentes armónicos. Los instrumentos de este tipo (por ejemplo, tambores y platillos) se utilizan en la música orquestal para lograr una expresividad especial y enfatizar el ritmo, pero no para el desarrollo melódico.

Instrumentos de cuerda.

La cuerda vibrante en sí misma es un mal emisor de sonido y, por lo tanto, el instrumento de cuerda debe tener un resonador adicional para excitar un sonido de intensidad notable. Puede ser un volumen de aire cerrado, una caja de resonancia o una combinación de ambos. El carácter sonoro del instrumento también está determinado por la forma en que se excitan las cuerdas.

Vimos anteriormente que la frecuencia fundamental de vibración de una cuerda fija de longitud l viene dada por la expresión

Dónde t es la fuerza de tensión de la cuerda, y rl– masa por unidad de longitud de la cuerda. Por tanto, podemos cambiar la frecuencia de tres formas: cambiando longitud, tensión o masa. Muchos instrumentos utilizan una pequeña cantidad de cuerdas de igual longitud, cuyas frecuencias fundamentales están determinadas por la selección adecuada de tensión y masa. Otras frecuencias se obtienen acortando la longitud de la cuerda con los dedos.

Otros instrumentos, como el piano, tienen una de las muchas cuerdas preafinadas para cada nota. Afinar un piano, donde el rango de frecuencia es grande, no es una tarea fácil, especialmente en la región de bajas frecuencias. La fuerza de tensión de todas las cuerdas del piano es casi la misma (aproximadamente 2 kN) y se logra una variedad de frecuencias cambiando la longitud y el grosor de las cuerdas.

Se puede agitar un instrumento de cuerda punteando (por ejemplo, en un arpa o banjo), golpeando (en un piano) o usando un arco (en el caso de instrumentos musicales de la familia del violín). En todos los casos, como se muestra arriba, el número de armónicos y su amplitud dependen del método de excitación de la cuerda.

Piano.

Un ejemplo típico de instrumento en el que la cuerda se excita al golpear es el piano. La gran caja armónica del instrumento proporciona una amplia gama de formantes, por lo que su timbre es muy uniforme para cualquier nota excitada. Los formantes principales alcanzan su punto máximo en frecuencias de alrededor de 400 a 500 Hz, y en frecuencias más bajas los tonos son especialmente ricos en armónicos, siendo la amplitud de la frecuencia fundamental más pequeña que la de algunos sobretonos. En un piano, el martillo de todas las cuerdas excepto las más cortas se golpea en un punto ubicado a 1/7 de la longitud de la cuerda desde uno de sus extremos. Esto suele explicarse por el hecho de que en este caso el séptimo armónico, disonante con respecto a la frecuencia fundamental, está significativamente suprimido. Pero debido al ancho finito del martillo, también se suprimen otros armónicos situados cerca del séptimo.

Familia de violines.

En la familia de instrumentos del violín, los sonidos largos son producidos por un arco, con la ayuda del cual se aplica una fuerza motriz variable a la cuerda, manteniendo las vibraciones de la cuerda. Bajo la acción de un arco en movimiento, la cuerda se tira hacia un lado debido a la fricción hasta que se rompe debido al aumento de la fuerza de tensión. Volviendo a la posición inicial, nuevamente se deja llevar por el arco. Este proceso se repite de modo que una fuerza externa periódica actúa sobre la cuerda.

En orden creciente de tamaño y rango de frecuencia decreciente, los principales instrumentos de cuerda frotada se organizan de la siguiente manera: violín, viola, violonchelo y contrabajo. Los espectros de frecuencia de estos instrumentos son especialmente ricos en armónicos, lo que sin duda confiere especial calidez y expresividad a su sonido. En la familia del violín, la cuerda vibrante está conectada acústicamente con la cavidad de aire y el cuerpo del instrumento, lo que determina principalmente la estructura de los formantes, que ocupan un rango de frecuencia muy amplio. Los grandes representantes de la familia del violín tienen un conjunto de formantes desplazados a la región de baja frecuencia. Por tanto, una misma nota tocada en dos instrumentos de la familia del violín adquiere un color tímbrico diferente debido a la diferencia en la estructura de los armónicos.

El violín tiene una resonancia pronunciada cercana a los 500 Hz, debido a la forma de su cuerpo. Cuando se toca una nota cuya frecuencia está cerca de este valor, puede producirse un sonido vibratorio no deseado llamado "tono de lobo". La cavidad de aire dentro del cuerpo del violín también tiene sus propias frecuencias de resonancia, la principal de las cuales se encuentra cerca de 400 Hz. Debido a su forma especial, el violín tiene numerosas resonancias muy espaciadas. Todos ellos, excepto el tono del lobo, no destacan mucho en el espectro general del sonido extraído.

Instrumentos de viento.

Instrumentos de viento de madera.

Anteriormente se analizaron las vibraciones naturales del aire en un tubo cilíndrico de longitud finita. Las frecuencias naturales forman una serie de armónicos cuya frecuencia fundamental es inversamente proporcional a la longitud de la tubería. Los sonidos musicales en los instrumentos de viento surgen debido a la excitación resonante de una columna de aire.

Las vibraciones del aire son excitadas por vibraciones en la corriente de aire que cae sobre el borde afilado de la pared del resonador o por vibraciones de la superficie flexible de la lengüeta en el flujo de aire. En ambos casos, se producen cambios de presión periódicos en una zona localizada del cilindro de la herramienta.

El primero de estos métodos de excitación se basa en la aparición de "tonos de borde". Cuando una corriente de aire sale de la ranura, interrumpida por un obstáculo en forma de cuña con un borde afilado, periódicamente surgen vórtices, primero en un lado y luego en el otro lado de la cuña. Cuanto mayor sea la velocidad del flujo de aire, mayor será la frecuencia de su formación. Si un dispositivo de este tipo está acoplado acústicamente a una columna de aire resonante, entonces la frecuencia del tono del borde es "capturada" por la frecuencia de resonancia de la columna de aire, es decir, la frecuencia de formación de vórtices está determinada por la columna de aire. En tales condiciones, la frecuencia fundamental de la columna de aire se excita sólo cuando la velocidad del flujo de aire excede un cierto valor mínimo. En un cierto rango de velocidades que exceden este valor, la frecuencia del tono del borde es igual a esta frecuencia fundamental. A una velocidad de flujo de aire aún mayor (cercana a aquella en la que la frecuencia del borde, en ausencia de conexión con el resonador, sería igual al segundo armónico del resonador), la frecuencia del borde se duplica abruptamente y el tono del tono emitida por todo el sistema es una octava más alta. A esto se le llama exagerar.

Los tonos de borde excitan columnas de aire en instrumentos como el órgano, la flauta y el flautín. Al tocar la flauta, el intérprete excita los tonos de los bordes soplando desde un lado hacia un agujero lateral cerca de uno de los extremos. Las notas de una octava, desde D en adelante, se producen cambiando la longitud efectiva del barrilete, abriendo los orificios laterales, con un tono de borde normal. Las octavas más altas se obtienen soplando demasiado.

Otra forma de excitar el sonido de un instrumento de viento se basa en interrumpir periódicamente el flujo de aire con una caña oscilante, a la que se le llama caña, por estar hecha de caña. Este método se utiliza en diversos instrumentos de viento y metal. Hay opciones con una sola lengüeta (como, por ejemplo, en los instrumentos tipo clarinete, saxofón y acordeón) y con doble lengüeta simétrica (como, por ejemplo, en el oboe y el fagot). En ambos casos, el proceso oscilatorio es el mismo: se sopla aire a través de un espacio estrecho, en el que la presión disminuye de acuerdo con la ley de Bernoulli. Se introduce el bastón en el hueco y se cierra. En ausencia de flujo, el bastón elástico se endereza y se repite el proceso.

En los instrumentos de viento, la selección de notas en una escala, al igual que en la flauta, se realiza abriendo los orificios laterales y soplando.

A diferencia de una trompeta abierta en ambos extremos, que tiene una gama completa de armónicos, una trompeta que está abierta solo en un extremo solo tiene armónicos impares ( centímetro. más alto). Ésta es la configuración del clarinete y, por tanto, sus armónicos pares se expresan débilmente. El soplo excesivo en un clarinete se produce con una frecuencia 3 veces mayor que la principal.

En el oboe, el segundo armónico es bastante intenso. Se diferencia del clarinete en que su orificio tiene forma cónica, mientras que en el clarinete la sección transversal del orificio es constante en la mayor parte de su longitud. Las frecuencias de vibración en un barril cónico son más difíciles de calcular que en un tubo cilíndrico, pero aún así existe una gama completa de armónicos. En este caso, las frecuencias de vibración de un tubo cónico con un extremo estrecho cerrado son las mismas que las de un tubo cilíndrico abierto en ambos extremos.

Instrumentos de latón.

Los instrumentos de metal, incluidos el cuerno, la trompeta, la corneta con pistón, el trombón, la corneta y la tuba, se excitan mediante los labios, cuya acción, cuando se combina con una boquilla de forma especial, es similar a la de una lengüeta doble. La presión del aire cuando se excita el sonido es mucho mayor aquí que en los instrumentos de viento de madera. Los instrumentos de viento de latón suelen tener un cilindro metálico de sección cilíndrica y cónica, rematado en una campana. Las secciones se seleccionan de tal manera que garantice espectro completo armonía La longitud total del cañón oscila entre 1,8 m para una tubería y 5,5 m para un tubo. El tubo está atornillado en forma de caracol para facilitar su manejo y no por motivos acústicos.

Con una longitud de barril fija, el intérprete tiene a su disposición sólo notas determinadas por las frecuencias naturales del barril (y la frecuencia fundamental suele ser "no arrancable"), y los armónicos más altos se excitan aumentando la presión del aire en la boquilla. Así, en una corneta de longitud fija sólo se pueden tocar unas pocas notas (segundo, tercer, cuarto, quinto y sexto armónicos). En otros instrumentos de metal, las frecuencias que se encuentran entre los armónicos se toman cambiando la longitud del cañón. El trombón es único en este sentido: la longitud de su cañón se regula mediante el suave movimiento de una corredera retráctil en forma de U. La selección de notas de toda la escala está garantizada por siete posiciones diferentes de la corredera con un cambio en el armónico excitado del cañón. En otros instrumentos de metal, esto se logra extendiendo efectivamente la longitud total del cañón mediante el uso de tres canales laterales de diferentes longitudes y en diferentes combinaciones. Esto da como resultado siete longitudes de cañón diferentes. Al igual que en el trombón, las notas de toda la escala se tocan mediante excitantes series diferentes de sobretonos correspondientes a estas siete longitudes de barrilete.

Los tonos de todos los instrumentos de metal son ricos en armónicos. Esto se debe principalmente a la presencia de una campana, que aumenta la eficiencia de la radiación sonora a altas frecuencias. La trompeta y la trompa están diseñadas para tocar una gama mucho más amplia de armónicos que la corneta. La parte solista de trompeta en las obras de I. Bach contiene muchos pasajes en la cuarta octava de la fila, alcanzando el armónico 21 de este instrumento.

Instrumentos de percusión.

Los instrumentos de percusión se hacen sonar golpeando el cuerpo del instrumento y provocando así sus vibraciones libres. Estos instrumentos se diferencian del piano, en el que las vibraciones también se excitan mediante el impacto, en dos aspectos: el cuerpo que vibra no produce matices armónicos y él mismo puede emitir sonido sin un resonador adicional. Los instrumentos de percusión incluyen tambores, platillos, xilófono y triángulo.

Las vibraciones de los sólidos son mucho más complejas que las de un resonador de aire de la misma forma, ya que existen más tipos de vibraciones en los sólidos. Por tanto, las ondas de compresión, flexión y torsión pueden propagarse a lo largo de una varilla de metal. Por tanto, una varilla cilíndrica tiene muchos más modos de vibración y, por tanto, frecuencias de resonancia que una columna de aire cilíndrica. Además, estas frecuencias resonantes no forman una serie armónica. El xilófono utiliza las vibraciones de flexión de barras sólidas. Las proporciones de los armónicos de la barra vibrante del xilófono con respecto a la frecuencia fundamental son: 2,76, 5,4, 8,9 y 13,3.

Un diapasón es una varilla curva oscilante, y su principal modo de vibración se produce cuando ambos brazos se acercan o se alejan simultáneamente. El diapasón no tiene una serie armónica de sobretonos y solo se utiliza su frecuencia fundamental. La frecuencia de su primer armónico es más de 6 veces la frecuencia fundamental.

Otro ejemplo de cuerpo sólido oscilante que produce sonidos musicales es una campana. Los tamaños de las campanas pueden variar, desde una campana pequeña hasta campanas de iglesia de varias toneladas. Cuanto más grande es la campana, más graves son los sonidos que emite. La forma y otras características de las campanas han sufrido muchos cambios durante su evolución de siglos. Muy pocas empresas se dedican a su producción, lo que requiere una gran habilidad.

La serie de armónicos inicial de una campana no es armónica y las proporciones de armónicos no son las mismas para diferentes campanas. Por ejemplo, para una campana grande, las proporciones medidas entre armónicos y frecuencias fundamentales fueron 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 y 5,33. Pero la distribución de energía entre los armónicos cambia rápidamente inmediatamente después de que se toca la campana, y la forma de la campana parece estar seleccionada de tal manera que las frecuencias dominantes se relacionan entre sí de manera aproximadamente armónica. El tono de una campana no está determinado por la frecuencia fundamental, sino por la nota dominante inmediatamente después de sonar. Corresponde aproximadamente al quinto armónico de la campana. Después de un tiempo, los matices más bajos comienzan a dominar el sonido de la campana.

En un tambor, el elemento oscilante es una membrana de cuero, generalmente redonda, que puede considerarse como un análogo bidimensional de una cuerda estirada. En música, el tambor no es tan importante como la cuerda porque su rango natural de frecuencias naturales no es armónico. Una excepción son los timbales, cuya membrana se tensa sobre un resonador de aire. La secuencia de armónicos de un tambor se puede hacer armónica variando el grosor del parche en la dirección radial. Un ejemplo de tal tambor sería tabla, utilizado en la música clásica india.

El sonido y sus propiedades.

El sonido, en un sentido amplio, son ondas elásticas que se propagan en cualquier medio elástico y crean en él. vibraciones mecánicas; en un sentido estricto, la percepción subjetiva de estas vibraciones por parte de los órganos sensoriales especiales de los animales o del hombre. Como cualquier onda, el sonido se caracteriza por su amplitud y espectro de frecuencia. Normalmente, una persona escucha sonidos transmitidos a través del aire en el rango de frecuencia de 16 a 20 Hz a 15 a 20 kHz. El sonido por debajo del rango de audibilidad humana se llama infrasonido; más alto: hasta 1 GHz, - ultrasonido, desde 1 GHz - hipersonido. Entre los sonidos audibles, cabe destacar también los fonéticos, los sonidos y fonemas del habla (que componen el lenguaje hablado) y los sonidos musicales (que componen la música). Las ondas sonoras pueden servir como ejemplo de proceso oscilatorio. Cualquier oscilación está asociada a una violación del estado de equilibrio del sistema y se expresa en la desviación de sus características de los valores de equilibrio con un posterior retorno al valor original. Para las vibraciones del sonido, esta característica es la presión en un punto del medio y su desviación es la presión del sonido. Si realiza un desplazamiento brusco de partículas de un medio elástico en un lugar, por ejemplo, utilizando un pistón, la presión en este lugar aumentará. Gracias a los enlaces elásticos de las partículas, la presión se transmite a las partículas vecinas, que, a su vez, actúan sobre las siguientes, y el área hipertensión como si se moviera en un medio elástico. A la zona de alta presión le sigue una zona presión arterial baja, y así se forman una serie de regiones alternas de compresión y rarefacción, que se propagan en el medio en forma de onda. Cada partícula del medio elástico en este caso realizará movimientos oscilatorios. En medios líquidos y gaseosos, donde no hay fluctuaciones significativas de densidad, las ondas acústicas son de naturaleza longitudinal, es decir, la dirección de vibración de las partículas coincide con la dirección del movimiento de la onda. En los sólidos, además de las deformaciones longitudinales, también se producen deformaciones elásticas de corte, que provocan la excitación de ondas transversales (de corte); en este caso, las partículas oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. La velocidad de propagación de las ondas longitudinales es mucho mayor que la velocidad de propagación de las ondas transversales.

Campo de sonido

Campo sonoro, región del espacio en la que se propagan ondas sonoras, es decir, se producen vibraciones acústicas de partículas de un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) que llena esta región. Una onda sonora está completamente definida si, para cada uno de sus puntos, se conoce el cambio en el tiempo y el espacio de cualquiera de las cantidades que caracterizan una onda sonora: el desplazamiento de una partícula oscilante desde una posición de equilibrio, la velocidad oscilatoria de una partícula, y presión sonora en el medio; en algunos casos, son de interés los cambios en la densidad o temperatura del medio en presencia de una onda sonora. El concepto de onda sonora suele utilizarse para áreas cuyas dimensiones son del orden o mayores que la longitud de onda del sonido. Desde el punto de vista energético, una densidad de energía sonora se caracteriza por la densidad de energía sonora (la energía del proceso oscilatorio por unidad de volumen); En aquellos casos en que se produce transferencia de energía en una zona, se caracteriza por la intensidad del sonido, es decir, la energía promedio transferida por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Longitud de onda

La longitud de onda es la distancia entre dos puntos más cercanos entre sí, oscilando en las mismas fases. Por analogía con las olas que surgen en el agua cuando se arroja una piedra, se mide la distancia entre dos crestas de olas adyacentes. Una de las principales características de las vibraciones. Se mide en unidades de distancia (metros, centímetros, etc.). Simplemente dividimos el camino recorrido por la luz por segundo por el número de vibraciones durante el mismo tiempo y obtenemos la duración de una vibración. La longitud de onda es un parámetro muy importante, ya que determina la escala límite: a distancias notablemente mayores que la longitud de onda, la radiación obedece las leyes de la óptica geométrica y puede describirse como propagación de rayos; A distancias más cortas, es absolutamente necesario tener en cuenta la naturaleza ondulatoria de la luz, su capacidad para sortear obstáculos, la incapacidad de localizar con precisión la posición del haz, etc.

Período

La característica más importante de las oscilaciones mecánicas, eléctricas, electromagnéticas y de todos los demás tipos es el período de tiempo durante el cual se produce una oscilación completa. Si, por ejemplo, el péndulo de un reloj realiza dos oscilaciones completas en 1 s, el período de cada oscilación es de 0,5 s. El período de oscilación de un gran swing es de aproximadamente 2 s, y el período de oscilación de una cuerda puede ser de décimas a diezmilésimas de segundo. Por la frecuencia de vibración de un cuerpo que suena, se puede juzgar el tono o tono del sonido. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es el tono del sonido y, a la inversa, cuanto menor es la frecuencia, menor es el tono del sonido. Nuestro oído es capaz de responder a una banda (sección) de frecuencia relativamente pequeña de vibraciones sonoras, de aproximadamente 20 Hz a 20 kHz. Esta banda contiene toda la amplia gama de sonidos creados por la voz humana y una orquesta sinfónica: desde tonos muy bajos, similares al zumbido de un escarabajo, hasta el chillido agudo apenas perceptible de un mosquito. No escuchamos vibraciones con una frecuencia de hasta 20 Hz, llamadas infrasónicas, y por encima de 20 kHz, llamadas ultrasónicas. Y si nuestro oído fuera capaz de responder a las vibraciones ultrasónicas, podríamos escuchar las vibraciones de los pistilos de las flores y las alas de las mariposas. No confundas la altura, es decir, el tono de un sonido, con su fuerza. El tono de un sonido no depende de la amplitud, sino de la frecuencia de las vibraciones.

Espectro sonoro

Espectro sonoro, conjunto de ondas armónicas simples en las que se puede descomponer una onda sonora. Tamaño z. expresa su composición frecuencial (espectral) y se obtiene como resultado del análisis del sonido. Tamaño z. generalmente se representan en un plano de coordenadas, donde la frecuencia f se representa a lo largo del eje de abscisas y la amplitud A o la intensidad del componente armónico del sonido con una frecuencia determinada se representa a lo largo del eje de ordenadas. Los tonos puros, los sonidos con forma de onda periódica y también los obtenidos añadiendo varias ondas periódicas, tienen espectros de líneas(Figura 1); Por ejemplo, los sonidos musicales tienen espectros que determinan su timbre. El ruido acústico, los pulsos únicos y los sonidos que se desvanecen tienen un espectro continuo (Fig. 2). Los espectros combinados son característicos del ruido de algunos mecanismos, donde, por ejemplo, la rotación del motor produce componentes de frecuencia individuales superpuestos en un espectro continuo, así como para los sonidos de instrumentos musicales de teclado (Fig.3), que tienen ( especialmente en el registro superior) un color de ruido provocado por los golpes de martillos.

Timbre

Timbre del sonido - color del sonido; evaluación cualitativa Sonido producido por un instrumento musical, dispositivo reproductor de sonido o aparato vocal de personas y animales. Timbre sonoro: - caracteriza el tono del sonido; - determinado por la fuente del sonido; y - depende de la composición de los armónicos que acompañan al tono principal y de su intensidad. Los timbres distinguen sonidos de la misma altura y volumen, pero ejecutados en diferentes instrumentos, en diferentes voces o en el mismo instrumento de diferentes maneras, golpes. El timbre está determinado por el material, la forma del vibrador, las condiciones de sus vibraciones, el resonador y la acústica de la habitación. En las características del timbre, los armónicos y su relación en altura y volumen son de gran importancia, los armónicos del ruido, el ataque (momento inicial del sonido), los formantes, el vibrato y otros factores. Al percibir timbres, generalmente surgen varias asociaciones: la calidad tímbrica del sonido se compara con las sensaciones organolépticas de ciertos objetos y fenómenos, por ejemplo, los sonidos se denominan brillantes, brillantes, mate, cálidos, fríos, profundos, plenos, agudos, ricos, jugosos. , metálico, vidrioso ; También se utilizan las definiciones auditivas reales (por ejemplo, sonoro, sordo, ruidoso). Aún no se ha desarrollado una tipología de timbre con base científica. Se ha establecido que la audición del timbre tiene un carácter zonal. El timbre se utiliza como un medio importante de expresividad musical: con la ayuda del timbre, se puede resaltar uno u otro componente del todo musical, se pueden fortalecer o debilitar los contrastes; El cambio de timbres es uno de los elementos de la dramaturgia musical. En la música del siglo XX, surgió una tendencia a realzar y enfatizar el lado tímbrico del sonido (paralelismos, agrupaciones) utilizando medios de armonía y textura. Direcciones especiales en el uso del timbre son la música sonora y espectral.

Armónico

El universo está formado por sonidos y cada sonido está formado por muchos armónicos o sobretonos. Los armónicos son inherentes a cada sonido, independientemente de su origen. El oído humano percibe el sonido de las cuerdas de un violín o de un piano como un solo tono. Pero en realidad, casi todos los sonidos producidos por instrumentos musicales, la voz humana u otras fuentes no son tonos puros, sino complejos de armónicos, también llamados “tonos parciales”. El más bajo de estos tonos parciales se llama "fundamental". Todos los demás sobretonos, que tienen una frecuencia de vibración más alta que el tono principal, se denominan normalmente "sobretonos". Antes de pasar a un estudio detallado de los componentes del sonido: los armónicos, consideremos más de cerca el sonido como tal. El sonido es energía vibratoria que toma forma de ondas. La unidad de medida de estas ondas se llama hercios (Hz). Hertz mide el número de vibraciones que hace un objeto en un segundo. Esta cantidad se llama "frecuencia". El oído percibe la frecuencia como "tono".

El formante es una característica acústica de un sonido del habla (principalmente una vocal), asociada con el nivel de frecuencia del tono vocal y que forma el timbre del sonido.

El tono en lingüística es el uso del tono para diferenciar el significado dentro de palabras/morfemas. El tono debe distinguirse de la entonación, es decir, los cambios de tono en un segmento del habla relativamente grande (enunciado u oración). Varias unidades tonales que tienen una función semántica y distintiva pueden denominarse tonemas (por analogía con un fonema). El tono, al igual que la entonación, la fonación y el acento, se refiere a características suprasegmentales o prosódicas. Los portadores del tono suelen ser las vocales, pero hay idiomas en los que las consonantes, normalmente sonantes, también pueden desempeñar este papel. Un lenguaje tonal o tonal es un lenguaje en el que cada sílaba se pronuncia con un tono específico. Una variedad de lenguajes tonales también son lenguajes con acento musical, en los que se enfatizan una o más sílabas de una palabra y se contrastan diferentes tipos de énfasis con las características tonales. Las ondas sonoras, como otras ondas, se caracterizan por cantidades objetivas como frecuencia, amplitud, fase de oscilación, velocidad de propagación, intensidad del sonido y otras. Pero. además, se describen mediante tres características subjetivas. Estos son el volumen, el tono y el timbre del sonido. La sensibilidad del oído humano varía según las diferentes frecuencias. Para causar una sensación sonora, la onda debe tener una cierta intensidad mínima, pero si esta intensidad excede un cierto límite, entonces el sonido no se escucha y solo causa una sensación dolorosa. Así, para cada frecuencia de oscilación existe una intensidad sonora mínima (umbral de audición) y máxima (umbral de dolor) que puede provocar una sensación sonora. La figura 15.10 muestra la dependencia de los umbrales de audición y dolor de la frecuencia del sonido. El área ubicada entre estas dos curvas es el área de audibilidad. La mayor distancia entre las curvas se produce en las frecuencias a las que el oído es más sensible (1000-5000 Hz).

Frecuencia

El sonido comienza en 16 Hz. Al aumentar la frecuencia 2 veces, obtenemos 32 Hz; esta es una relación subcontratación / frecuencia de 1: 2 /. 32 – 64 Hz – contraoctava, 64 – 128 Hz – octava grande, 128 – 256 Hz – octava pequeña, duplicarla nuevamente – la primera y así sucesivamente hasta la sexta. Esta división se pensó hace mucho tiempo. Pero, ¿cómo se dividen las frecuencias en tonos individuales dentro de una octava? Pitágoras, al explorar los sonidos utilizando el dispositivo monocordio (“monos” en griego significa “uno”, “acorde” significa “cuerda”), propuso dividir la serie de frecuencias en quintas. Pero con esta división, la distancia entre los diferentes intervalos era diferente. ¿Así que lo que? Pero el hecho es que si el instrumento está afinado en esa escala, entonces será posible interpretar cualquier pieza en un solo tono, la música no se puede bajar ni subir, sonará muy falsa. Para resolver este problema, se necesitaban cálculos. Los físicos y matemáticos trabajaron activamente en el campo de la música. Así, Euler y Kepler reflexionaron durante mucho tiempo sobre el problema de la escala templada en busca de la relación de frecuencias más armoniosa. Temperamento traducido del latín significa la proporción correcta. La solución se encontró a mediados del siglo XVII. El organista poco conocido Werkmeister propuso una solución sorprendentemente sencilla: acortar un poco todas las quintas, de modo que las duodécimas quintas “encajen” exactamente en 7 octavas. Y, como por arte de magia, todas las distancias entre sonidos adyacentes (semitonos, de los cuales hay exactamente 12 en una octava) se volvieron iguales. La frecuencia de cada semitono posterior es mayor que la del anterior en la duodécima raíz de dos, es decir aproximadamente 1,06 veces. Esta afinación se llama uniforme o bien templada. La gran mayoría de los instrumentos musicales modernos tienen el mismo temperamento. Vale la pena afinar los instrumentos de una orquesta según un tono común (La de la primera octava - 440 Hz), y muchos instrumentos tocarán en armonía, evitando la falsedad. El gran compositor alemán Johann Sebastian Bach promovió ardientemente el temperamento igualitario, escribiendo con este fin su famosa colección de preludios y fugas, a la que llamó: “El clave bien temperado”. La estandarización de la música mediante la introducción del temperamento igual fue, por supuesto, como toda estandarización, un gran logro. ¿Pero significa esto que el sistema templado, descubierto con tanto éxito hace tres siglos, está destinado a la existencia eterna? Por supuesto que no. La percepción de la música está cambiando gradualmente, la música está evolucionando. En los últimos años, la acústica musical ha participado activamente en este proceso, que no sólo, en palabras de Salieri de Pushkin, “prueba la armonía con el álgebra”, sino que utiliza para ello los más complejos instrumentos físicos y máquinas cibernéticas, con la ayuda de con el que intenta simular el todavía en gran medida misterioso proceso de percepción de la música.

El poder del sonido, su intensidad.

La intensidad del sonido (relativa) es un término obsoleto que describe una cantidad similar, pero no idéntica, a la intensidad del sonido. Aproximadamente la misma situación se observa para la intensidad luminosa (unidad - candela), un valor similar a la intensidad de radiación (unidad - vatio por estereorradián). La intensidad del sonido se mide en una escala relativa a partir de un valor umbral, que corresponde a una intensidad del sonido de 1 pW/m2 con una frecuencia sinusoidal de 1 kHz y una presión acústica de 20 μPa. Compárese esta definición con la definición de unidad de intensidad luminosa: “la candela es igual a la intensidad de la luz emitida en una dirección determinada por una fuente monocromática, con una frecuencia de radiación de 540 THz y una intensidad de radiación en esa dirección de 1/ 683 W/sr.” Actualmente, el término “intensidad del sonido” ha sido reemplazado por el término “nivel de volumen del sonido”.

Umbral de audición

El umbral de audición es el valor mínimo de presión sonora con el que el oído humano aún puede percibir un sonido de una frecuencia determinada. El valor del umbral auditivo suele expresarse en decibelios, tomando el nivel de presión sonora cero como 2 × 10−5 N/m2 o 20 × 10−6 N/m2 a una frecuencia de 1 kHz (para una onda sonora plana) . El umbral de audición depende de la frecuencia del sonido. Bajo la influencia del ruido y otros estímulos sonoros, el umbral de audición para un sonido determinado aumenta (consulte Enmascaramiento de sonido) y el valor aumentado del umbral de audibilidad permanece durante algún tiempo después del cese del factor de interferencia y luego regresa gradualmente al nivel nivel original. Ud. diferentes personas y las mismas personas en diferentes momentos pueden tener diferentes umbrales de audición. Depende de la edad, el estado fisiológico y el entrenamiento. Las mediciones del umbral auditivo suelen realizarse mediante métodos audiométricos.

Y esto es por si acaso: para lucir elegante :)))))

Umbral de audición - 10 dB

Susurro a una distancia de 1m - 20dB

Ruido en el apartamento - 40dB

Susurro a una distancia de 10 cm - 50 dB

Conversación tranquila a una distancia de 1 m - 50 dB

Aplausos - 60dB

Tocar la guitarra acústica con los dedos; sonido a una distancia de 40 cm - 70 dB

Tocar el piano en silencio: 70 dB

Tocar una guitarra acústica con púa; sonido a una distancia de 40 cm - 80dB

Ruido en el metro al moverse - 90dB

Avión a reacción a una distancia de 5 m - 120 dB

Tocar a una distancia de 3 cm - 140dB

Umbral del dolor

El umbral del dolor es auditivo, la cantidad de presión sonora que provoca una sensación de dolor en el oído. La sensación de dolor suele estar determinada por la parte superior. límite dinámico rango de audición humana. P. b. o. para señales sinusoidales es en promedio 140 dB con respecto a una presión de 2 · 10-5 Pa, y para ruido con un espectro continuo - 120 dB. Entre los umbrales de audibilidad y dolor se encuentra la región de audibilidad, que determina el rango de frecuencia y la presión efectiva de los sonidos percibidos por el oído. El mayor rango de audibilidad en términos de presión efectiva corresponde a una frecuencia de aproximadamente 1 kHz. Por lo tanto, se elige un sonido con una frecuencia de 1 kHz como estándar para comparar sonidos de otras frecuencias con él. El umbral de audición para un sonido con una frecuencia de 1 kHz, igual a 2-10-5 Pa, se denomina umbral de audición estándar.

Volumen

El volumen del sonido es la percepción subjetiva de la intensidad del sonido (el valor absoluto de la sensación auditiva). El volumen depende principalmente de la presión sonora, la amplitud y la frecuencia de las vibraciones del sonido. Además, el volumen del sonido está influenciado por su composición espectral, localización en el espacio, timbre, duración de la exposición a las vibraciones del sonido y otros factores. La unidad de la escala de sonoridad absoluta es el sueño. El volumen de 1 son es el volumen de un tono sinusoidal puro continuo con una frecuencia de 1 kHz que produce una presión sonora de 2 mPa. El nivel de volumen del sonido es un valor relativo. Se expresa en fonios y es numéricamente igual al nivel de presión sonora (en decibeles - dB) creado por un tono sinusoidal con una frecuencia de 1 kHz del mismo volumen que el sonido que se está midiendo (igualmente fuerte que el sonido dado).

Sonido Se denominan vibraciones mecánicas de partículas de un medio elástico (aire, agua, metal, etc.), percibidas subjetivamente por el órgano de la audición. Las sensaciones sonoras son causadas por vibraciones del medio que se producen en el rango de frecuencia de 16 a 20.000 Hz. Los sonidos con frecuencias por debajo de este rango se llaman infrasonidos y los que están por encima se llaman ultrasonidos.

Presión sonora- presión variable en un medio debido a la propagación de ondas sonoras en él. La magnitud de la presión sonora se estima mediante la fuerza de la onda sonora por unidad de área y se expresa en newtons por metro cuadrado (1 n/metro cuadrado = 10 bar).

Nivel de presión sonora- la relación entre el valor de la presión sonora y el nivel cero, que se considera presión sonora n/metro cuadrado:

Velocidad del sonido Depende de las propiedades físicas del medio en el que se propagan las vibraciones mecánicas. Así, la velocidad del sonido en el aire es de 344 m/s a T=20°С, en el agua de 1.481 m/s (a T=21,5°С), en la madera de 3.320 m/s y en el acero de 5.000 m/s.

Potencia (o intensidad) del sonido- la cantidad de energía sonora que pasa por unidad de tiempo a través de una unidad de área; medido en vatios por metro cuadrado (W/m2).

Cabe señalar que la presión del sonido y la intensidad del sonido están relacionadas entre sí mediante una relación cuadrática, es decir, cuando la presión del sonido aumenta 2 veces, la intensidad del sonido aumenta 4 veces.

Nivel de sonido- la relación entre la intensidad de un sonido determinado y el nivel cero (estándar), para el cual la intensidad del sonido se considera vatios/m2, expresada en decibeles:

Los niveles de presión sonora y la intensidad del sonido, expresados ​​en decibelios, son iguales en magnitud.

Umbral de audición- el sonido más bajo que una persona todavía puede oír a una frecuencia de 1000 Hz, que corresponde a la presión sonora n/m2.

Volumen de sonido- la intensidad de la sensación sonora provocada por un sonido determinado en una persona con audición normal. El volumen depende de la fuerza del sonido y su frecuencia, varía proporcionalmente al logaritmo de la intensidad del sonido y se expresa por el número de decibelios. el cual el sonido dado excede en intensidad el sonido tomado como umbral de audibilidad. La unidad de sonoridad es el fondo.

Umbral del dolor- presión sonora o intensidad del sonido, percibida como una sensación dolorosa. El umbral del dolor depende poco de la frecuencia y se produce con una presión sonora de aproximadamente 50 n/m2.

rango dinámico- la gama de volúmenes de sonido, o la diferencia en los niveles de presión sonora de los sonidos más fuertes y más bajos, expresada en decibeles.

Difracción- desviación de la propagación rectilínea de ondas sonoras.

Refracción- un cambio en la dirección de propagación de las ondas sonoras causado por diferencias en la velocidad en diferentes áreas maneras.

Interferencia- la suma de ondas de la misma longitud que llegan a un punto determinado del espacio a lo largo de varios caminos diferentes, como resultado de lo cual la amplitud de la onda resultante en diferentes puntos resulta ser diferente, y los máximos y mínimos de esta amplitud se alternan unos con otros.

Latidos- interferencia de dos vibraciones sonoras que difieren poco en frecuencia. La amplitud de las oscilaciones resultantes aumenta o disminuye periódicamente en el tiempo con una frecuencia igual a la diferencia entre las oscilaciones perturbadoras.

Reverberación- “sonido residual” residual en espacios cerrados. Se forma debido a la reflexión repetida de las superficies y la absorción simultánea de ondas sonoras. La reverberación se caracteriza por el período de tiempo (en segundos) durante el cual la intensidad del sonido disminuye en 60 dB.

Tono- vibración sonora sinusoidal. El tono de un tono está determinado por la frecuencia de las vibraciones del sonido y aumenta al aumentar la frecuencia.

tono base- el tono más bajo creado por una fuente de sonido.

Armónicos- todos los tonos, excepto el principal, creados por la fuente de sonido. Si las frecuencias de los sobretonos son un número entero de veces mayor que la frecuencia del tono fundamental, entonces se denominan sobretonos armónicos (armónicos).

Timbre- “color” del sonido, que está determinado por el número, la frecuencia y la intensidad de los armónicos.

Tonos combinados- tonos adicionales que surgen debido a la no linealidad de las características de amplitud de amplificadores y fuentes de sonido. Los tonos combinados aparecen cuando el sistema está expuesto a dos o más vibraciones con diferentes frecuencias. La frecuencia de los tonos combinados es igual a la suma y diferencia de las frecuencias de los tonos fundamentales y sus armónicos.

Intervalo- la relación de las frecuencias de los dos sonidos que se comparan. El intervalo distinguible más pequeño entre dos sonidos musicales adyacentes en frecuencia (cada sonido musical tiene una frecuencia estrictamente definida) se llama semitono, y un intervalo de frecuencia con una proporción de 2:1 se llama octava (una octava musical consta de 12 semitonos); un intervalo con una proporción de 10:1 se llama década.

18 de febrero de 2016

El mundo del entretenimiento en casa es bastante variado y puede incluir: ver películas en un buen sistema de cine en casa; juego emocionante y emocionante o escuchar música. Como regla general, cada uno encuentra algo propio en este ámbito o combina todo a la vez. Pero cualesquiera que sean los objetivos de una persona para organizar su tiempo libre y cualquier extremo al que llegue, todos estos vínculos están firmemente conectados por una palabra simple y comprensible: "sonido". De hecho, en todos los casos anteriores, el sonido nos llevará de la mano. Pero esta pregunta no es tan simple y trivial, especialmente en los casos en que se desea lograr un sonido de alta calidad en una habitación o en cualquier otra condición. Para ello no siempre es necesario comprar costosos componentes de alta fidelidad o alta gama (aunque será muy útil), pero sí basta con un buen conocimiento de la teoría física, que puede eliminar la mayoría de los problemas que le surgen a cualquier persona. quien se propone obtener una actuación de voz de alta calidad.

A continuación, se considerará la teoría del sonido y la acústica desde el punto de vista de la física. En este caso, intentaré hacerlo lo más accesible posible a la comprensión de cualquier persona que, quizás, esté lejos de conocer leyes o fórmulas físicas, pero que sin embargo sueña apasionadamente con hacer realidad el sueño de crear un sistema acústico perfecto. No pretendo decir que para lograr buenos resultados en esta área en casa (o en el automóvil, por ejemplo), sea necesario conocer a fondo estas teorías, pero comprender los conceptos básicos le permitirá evitar muchos errores estúpidos y absurdos. , y también le permitirá lograr el máximo efecto de sonido del sistema en cualquier nivel.

Teoría general del sonido y terminología musical.

Qué es sonido? Esta es la sensación que percibe el órgano auditivo. "oreja"(el fenómeno en sí existe sin la participación del "oído" en el proceso, pero esto es más fácil de entender), que ocurre cuando el tímpano es excitado por una onda sonora. El oído en este caso actúa como un "receptor" de ondas sonoras de diversas frecuencias.
onda de sonido Es esencialmente una serie secuencial de compactaciones y descargas del medio (más a menudo el medio aéreo en condiciones normales) de varias frecuencias. La naturaleza de las ondas sonoras es oscilatoria, causada y producida por la vibración de cualquier cuerpo. La aparición y propagación de una onda sonora clásica es posible en tres medios elásticos: gaseoso, líquido y sólido. Cuando se produce una onda sonora en uno de estos tipos de espacio, inevitablemente se producen algunos cambios en el propio medio, por ejemplo, un cambio en la densidad o presión del aire, el movimiento de partículas de masa de aire, etc.

Dado que una onda sonora tiene una naturaleza oscilatoria, tiene una característica como la frecuencia. Frecuencia medido en hercios (en honor al físico alemán Heinrich Rudolf Hertz), y denota el número de oscilaciones durante un período de tiempo igual a un segundo. Aquellos. por ejemplo, una frecuencia de 20 Hz indica un ciclo de 20 oscilaciones en un segundo. El concepto subjetivo de su altura depende también de la frecuencia del sonido. Cuantas más vibraciones sonoras se produzcan por segundo, más “alto” aparecerá el sonido. La onda sonora también tiene una más. característica más importante, que tiene un nombre: longitud de onda. Longitud de onda Se acostumbra considerar la distancia que recorre un sonido de una determinada frecuencia en un período igual a un segundo. Por ejemplo, la longitud de onda del sonido más bajo en el rango audible humano a 20 Hz es de 16,5 metros, y la longitud de onda del sonido más alto a 20.000 Hz es de 1,7 centímetros.

El oído humano está diseñado de tal manera que es capaz de percibir ondas sólo en un rango limitado, aproximadamente 20 Hz - 20.000 Hz (dependiendo de las características de cada persona en particular, algunos pueden oír un poco más, otros menos). . Por tanto, esto no significa que los sonidos por debajo o por encima de estas frecuencias no existan, simplemente no son percibidos por el oído humano, yendo más allá del rango audible. El sonido por encima del rango audible se llama ultrasonido, el sonido por debajo del rango audible se llama infrasonido. Algunos animales son capaces de percibir sonidos ultra e infrarrojos, algunos incluso utilizan este rango para orientarse en el espacio (murciélagos, delfines). Si el sonido pasa a través de un medio que no está en contacto directo con el órgano auditivo humano, es posible que dicho sonido no se escuche o se debilite considerablemente posteriormente.

En la terminología musical del sonido, existen designaciones tan importantes como octava, tono y armónico del sonido. Octava significa un intervalo en el que la relación de frecuencia entre los sonidos es de 1 a 2. Una octava suele ser muy distinguible de oído, mientras que los sonidos dentro de este intervalo pueden ser muy similares entre sí. También se puede llamar octava a un sonido que vibra el doble que otro sonido en el mismo periodo de tiempo. Por ejemplo, la frecuencia de 800 Hz no es más que una octava superior de 400 Hz, y la frecuencia de 400 Hz a su vez es la siguiente octava de sonido con una frecuencia de 200 Hz. La octava, a su vez, se compone de tonos y armónicos. El oído humano percibe las vibraciones variables en una onda sonora armónica de la misma frecuencia como tono musical. Oscilaciones frecuencia alta pueden interpretarse como sonidos agudos, las vibraciones de baja frecuencia como sonidos graves. El oído humano es capaz de distinguir claramente sonidos con una diferencia de un tono (en el rango de hasta 4000 Hz). A pesar de esto, la música utiliza una cantidad extremadamente pequeña de tonos. Esto se explica a partir de consideraciones del principio de consonancia armónica; todo se basa en el principio de octavas.

Consideremos la teoría de los tonos musicales usando el ejemplo de una cuerda estirada de cierta manera. Una cuerda de este tipo, dependiendo de la fuerza de tensión, se "sintonizará" a una frecuencia específica. Cuando esta cuerda se expone a algo con una fuerza específica, que la hace vibrar, se observará constantemente un tono de sonido específico y escucharemos la frecuencia de afinación deseada. Este sonido se llama tono fundamental. Se acepta oficialmente como tono fundamental en el ámbito musical la frecuencia de la nota “La” de la primera octava, igual a 440 Hz. Sin embargo, la mayoría de los instrumentos musicales nunca reproducen tonos fundamentales puros por sí solos; inevitablemente van acompañados de sobretonos llamados; matices. Conviene recordar aquí una definición importante de la acústica musical: el concepto de timbre sonoro. Timbre- esta es una característica de los sonidos musicales que confiere a los instrumentos musicales y a las voces su especificidad de sonido única y reconocible, incluso cuando se comparan sonidos del mismo tono y volumen. El timbre de cada instrumento musical depende de la distribución de la energía sonora entre armónicos en el momento en que aparece el sonido.

Los armónicos forman una coloración específica del tono fundamental, mediante la cual podemos identificar y reconocer fácilmente un instrumento específico, así como distinguir claramente su sonido de otro instrumento. Hay dos tipos de armónicos: armónicos y no armónicos. matices armónicos por definición son múltiplos de la frecuencia fundamental. Por el contrario, si los armónicos no son múltiples y se desvían notablemente de los valores, entonces se llaman no armónico. En música, el funcionamiento con múltiples armónicos está prácticamente excluido, por lo que el término se reduce al concepto de “armónico”, que significa armónico. En algunos instrumentos, como el piano, el tono fundamental ni siquiera tiene tiempo de formarse; en un corto período de tiempo, la energía sonora de los armónicos aumenta y luego disminuye con la misma rapidez. Muchos instrumentos crean lo que se llama un efecto de "tono de transición", donde la energía de ciertos armónicos es más alta en un momento determinado, generalmente al principio, pero luego cambia abruptamente y pasa a otros armónicos. El rango de frecuencia de cada instrumento se puede considerar por separado y generalmente se limita a las frecuencias fundamentales que ese instrumento en particular es capaz de producir.

En la teoría del sonido también existe el concepto de RUIDO. Ruido- es cualquier sonido creado por una combinación de fuentes que son inconsistentes entre sí. Todo el mundo está familiarizado con el sonido de las hojas de los árboles meciéndose con el viento, etc.

¿Qué determina el volumen del sonido? Obviamente, este fenómeno depende directamente de la cantidad de energía transferida por la onda sonora. Para determinar los indicadores cuantitativos del volumen, existe un concepto: la intensidad del sonido. Intensidad del sonido se define como el flujo de energía que pasa a través de algún área del espacio (por ejemplo, cm2) por unidad de tiempo (por ejemplo, por segundo). Durante una conversación normal, la intensidad es de aproximadamente 9 o 10 W/cm2. El oído humano es capaz de percibir sonidos en un rango de sensibilidad bastante amplio, mientras que la sensibilidad de las frecuencias es heterogénea dentro del espectro sonoro. Así se percibe mejor el rango de frecuencia de 1000 Hz a 4000 Hz, que cubre con mayor amplitud el habla humana.

Debido a que los sonidos varían mucho en intensidad, es más conveniente pensar en ellos como una cantidad logarítmica y medirlos en decibeles (en honor al científico escocés Alexander Graham Bell). El umbral inferior de sensibilidad auditiva del oído humano es de 0 dB, el superior es de 120 dB, también llamado "umbral del dolor". El oído humano tampoco percibe el límite superior de sensibilidad de la misma manera, sino que depende de la frecuencia específica. Los sonidos de baja frecuencia deben ser mucho más intensos que los de alta frecuencia para activar el umbral del dolor. Por ejemplo, el umbral del dolor a una frecuencia baja de 31,5 Hz se produce a un nivel de intensidad sonora de 135 dB, mientras que a una frecuencia de 2000 Hz la sensación de dolor aparecerá a 112 dB. También existe el concepto de presión sonora, que en realidad amplía la explicación habitual de la propagación de una onda sonora en el aire. Presión sonora- Se trata de un exceso de presión variable que surge en un medio elástico como consecuencia del paso de una onda sonora a través de él.

Naturaleza ondulatoria del sonido.

Para comprender mejor el sistema de generación de ondas sonoras, imaginemos un altavoz clásico situado en un tubo lleno de aire. Si el altavoz hace un movimiento brusco hacia adelante, el aire que se encuentra en las inmediaciones del difusor se comprime momentáneamente. Luego, el aire se expandirá, empujando así la región de aire comprimido a lo largo de la tubería.
Este movimiento ondulatorio se convertirá posteriormente en sonido cuando llegue al órgano auditivo y “excite” el tímpano. Cuando se produce una onda de sonido en un gas, se crea un exceso de presión y densidad y las partículas se mueven a una velocidad constante. Respecto a las ondas sonoras, es importante recordar el hecho de que la sustancia no se mueve junto con la onda sonora, sino que sólo se produce una perturbación temporal de las masas de aire.

Si imaginamos un pistón suspendido en el espacio libre sobre un resorte y haciendo movimientos repetidos "hacia adelante y hacia atrás", entonces tales oscilaciones se llamarán armónicas o sinusoidales (si imaginamos la onda como una gráfica, en este caso obtendremos una onda pura). sinusoide con repetidas subidas y bajadas). Si imaginamos un altavoz en un tubo (como en el ejemplo descrito anteriormente) realizando oscilaciones armónicas, entonces en el momento en que el altavoz se mueve “hacia adelante” se obtiene el conocido efecto de compresión del aire, y cuando el altavoz se mueve “hacia atrás” se obtiene el conocido efecto de compresión del aire. Se produce el efecto contrario de rarefacción. En este caso, una onda de compresión y rarefacción alternas se propagará a través de la tubería. La distancia a lo largo de la tubería entre máximos o mínimos (fases) adyacentes se llamará longitud de onda. Si las partículas oscilan paralelamente a la dirección de propagación de la onda, entonces la onda se llama longitudinal. Si oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación, entonces la onda se llama transverso. Normalmente, las ondas sonoras en gases y líquidos son longitudinales, pero en los sólidos pueden ocurrir ambos tipos de ondas. Las ondas transversales en los sólidos surgen debido a la resistencia al cambio de forma. La principal diferencia entre estos dos tipos de ondas es que una onda transversal tiene la propiedad de polarización (las oscilaciones ocurren en un determinado plano), mientras que una onda longitudinal no.

Velocidad del sonido

La velocidad del sonido depende directamente de las características del medio en el que se propaga. Está determinado (dependiente) por dos propiedades del medio: elasticidad y densidad del material. La velocidad del sonido en los sólidos depende directamente del tipo de material y de sus propiedades. La velocidad en medios gaseosos depende de un solo tipo de deformación del medio: compresión-rarefacción. El cambio de presión en una onda sonora se produce sin intercambio de calor con las partículas circundantes y se denomina adiabático.
La velocidad del sonido en un gas depende principalmente de la temperatura: aumenta al aumentar la temperatura y disminuye al disminuir la temperatura. Además, la velocidad del sonido en un medio gaseoso depende del tamaño y la masa de las propias moléculas de gas: cuanto menor es la masa y el tamaño de las partículas, mayor es la "conductividad" de la onda y, en consecuencia, mayor es la velocidad.

En medios líquidos y sólidos, el principio de propagación y la velocidad del sonido son similares a cómo se propaga una onda en el aire: por compresión-descarga. Pero en estos ambientes, además de la misma dependencia de la temperatura, la densidad del medio y su composición/estructura son bastante importantes. Cuanto menor sea la densidad de la sustancia, mayor será la velocidad del sonido y viceversa. La dependencia de la composición del medio es más compleja y se determina en cada caso concreto, teniendo en cuenta la ubicación e interacción de las moléculas/átomos.

Velocidad del sonido en el aire a t, °C 20: 343 m/s
Velocidad del sonido en agua destilada a t, °C 20: 1481 m/s
Velocidad del sonido en acero a t, °C 20: 5000 m/s

Ondas estacionarias e interferencias.

Cuando un hablante crea ondas sonoras en un espacio reducido, inevitablemente se produce el efecto de reflexión de las ondas desde los límites. Como resultado, esto ocurre con mayor frecuencia. efecto de interferencia- cuando dos o más ondas sonoras se superponen. Casos especiales de fenómenos de interferencia son la formación de: 1) ondas batientes o 2) ondas estacionarias. Latidos de olas- este es el caso cuando se produce la suma de ondas con frecuencias y amplitudes similares. La imagen de la aparición de latidos: cuando dos ondas de frecuencias similares se superponen. En algún momento, con tal superposición, los picos de amplitud pueden coincidir "en fase" y las disminuciones también pueden coincidir en "antifase". Así se caracterizan los ritmos sonoros. Es importante recordar que, a diferencia de las ondas estacionarias, las coincidencias de fase de los picos no ocurren constantemente, sino en ciertos intervalos de tiempo. Para el oído, este patrón de latidos se distingue con bastante claridad y se escucha como un aumento y una disminución periódicos del volumen, respectivamente. El mecanismo por el que se produce este efecto es sumamente sencillo: cuando los picos coinciden, el volumen aumenta, y cuando los valles coinciden, el volumen disminuye.

Ondas estacionarias Surgen en el caso de superposición de dos ondas de la misma amplitud, fase y frecuencia, cuando al “encontrarse” dichas ondas una se mueve hacia adelante y la otra en dirección opuesta. En la zona del espacio (donde se ha formado una onda estacionaria), aparece una imagen de la superposición de dos amplitudes de frecuencia, con máximos (los llamados antinodos) y mínimos (los llamados nodos) alternos. Cuando ocurre este fenómeno, la frecuencia, la fase y el coeficiente de atenuación de la onda en el lugar de reflexión son extremadamente importantes. A diferencia de las ondas viajeras, en una onda estacionaria no hay transferencia de energía debido al hecho de que las ondas hacia adelante y hacia atrás que forman esta onda transfieren energía en cantidades iguales tanto en la dirección directa como en la opuesta. Para comprender claramente la aparición de una onda estacionaria, imaginemos un ejemplo de acústica doméstica. Digamos que tenemos altavoces de suelo en un espacio (habitación) limitado. Haciéndoles tocar alguna canción con un gran número bajo, intentemos cambiar la ubicación del oyente en la habitación. Por lo tanto, un oyente que se encuentra en la zona de mínima (resta) de una onda estacionaria sentirá el efecto de que hay muy pocos graves, y si el oyente se encuentra en una zona de frecuencias máximas (suma), entonces el efecto contrario. Se obtiene un aumento significativo en la región de los graves. En este caso, el efecto se observa en todas las octavas de la frecuencia base. Por ejemplo, si la frecuencia base es 440 Hz, entonces el fenómeno de "suma" o "resta" también se observará en frecuencias de 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, etc.

Fenómeno de resonancia

La mayoría de los sólidos tienen una frecuencia de resonancia natural. Es bastante fácil entender este efecto usando el ejemplo de una tubería común, abierta solo por un extremo. Imaginemos una situación en la que se conecta un altavoz al otro extremo del tubo, que puede reproducir una frecuencia constante, que también se puede cambiar más adelante. Entonces, la tubería tiene su propia frecuencia de resonancia, en términos simples: esta es la frecuencia a la que la tubería "resuena" o emite su propio sonido. Si la frecuencia del altavoz (como resultado del ajuste) coincide con la frecuencia de resonancia del tubo, se producirá el efecto de aumentar el volumen varias veces. Esto sucede porque el altavoz excita vibraciones de la columna de aire en la tubería con una amplitud significativa hasta que se encuentra la misma "frecuencia de resonancia" y se produce el efecto de suma. El fenómeno resultante se puede describir de la siguiente manera: el tubo en este ejemplo "ayuda" al altavoz resonando en una frecuencia específica, sus esfuerzos se suman y "resultan" en un efecto fuerte audible. Este fenómeno se puede ver fácilmente en el ejemplo de los instrumentos musicales, ya que el diseño de la mayoría de los instrumentos contiene elementos llamados resonadores. No es difícil adivinar qué sirve para realzar una determinada frecuencia o tono musical. Por ejemplo: el cuerpo de una guitarra con un resonador en forma de agujero que se acopla con el volumen; El diseño del tubo de flauta (y de todos los tubos en general); La forma cilíndrica del cuerpo del tambor, que a su vez es un resonador de cierta frecuencia.

Espectro de frecuencia del sonido y respuesta de frecuencia.

Dado que en la práctica prácticamente no existen ondas de la misma frecuencia, se hace necesario descomponer todo el espectro sonoro del rango audible en sobretonos o armónicos. Para estos fines, existen gráficos que muestran la dependencia de la energía relativa de las vibraciones del sonido con la frecuencia. Este gráfico se llama gráfico de espectro de frecuencias del sonido. Espectro de frecuencia del sonido. Hay dos tipos: discretos y continuos. Un gráfico de espectro discreto muestra frecuencias individuales separadas por espacios en blanco. El espectro continuo contiene todas las frecuencias de sonido a la vez.
En el caso de la música o la acústica, lo más habitual es utilizar el gráfico habitual. Características de amplitud-frecuencia(abreviado como "AFC"). Este gráfico muestra la dependencia de la amplitud de las vibraciones del sonido con la frecuencia en todo el espectro de frecuencia (20 Hz - 20 kHz). Al observar un gráfico de este tipo, es fácil comprender, por ejemplo, las fortalezas o debilidades de un altavoz en particular o del sistema acústico en su conjunto, las áreas más fuertes de producción de energía, las caídas y aumentos de frecuencia, la atenuación y también rastrear la pendiente. del declive.

Propagación de ondas sonoras, fase y antifase.

El proceso de propagación de ondas sonoras ocurre en todas direcciones desde la fuente. El ejemplo más sencillo para entender este fenómeno es un guijarro arrojado al agua.
Desde el lugar donde cayó la piedra, las olas comienzan a extenderse por la superficie del agua en todas direcciones. Sin embargo, imaginemos una situación en la que se utiliza un altavoz de cierto volumen, digamos una caja cerrada, que está conectado a un amplificador y reproduce algún tipo de señal musical. Es fácil notar (especialmente si aplica una señal potente de baja frecuencia, por ejemplo, un bombo) que el altavoz hace un movimiento rápido "hacia adelante" y luego el mismo movimiento rápido "hacia atrás". Lo que queda por entender es que cuando el altavoz avanza, emite una onda sonora que escuchamos más tarde. Pero, ¿qué sucede cuando el hablante retrocede? Y paradójicamente sucede lo mismo, el altavoz emite el mismo sonido, sólo que en nuestro ejemplo se propaga íntegramente dentro del volumen de la caja, sin traspasar sus límites (la caja está cerrada). En general, en el ejemplo anterior se pueden observar muchos fenómenos físicos interesantes, el más significativo de los cuales es el concepto de fase.

La onda sonora que el hablante, estando en el volumen, emite en dirección al oyente está “en fase”. La onda inversa, que entra en el volumen de la caja, será correspondientemente antifase. ¿Solo queda entender qué significan estos conceptos? Fase de señal– este es el nivel de presión sonora en el momento actual en algún punto del espacio. La forma más sencilla de comprender esta fase es con el ejemplo de la reproducción de material musical mediante un par de sistemas de altavoces domésticos estéreo convencionales de suelo. Imaginemos que dos de estos altavoces de suelo están instalados en una habitación determinada y suenan. En este caso, ambos sistemas acústicos reproducen una señal síncrona de presión sonora variable, y la presión sonora de un altavoz se suma a la presión sonora del otro altavoz. Un efecto similar ocurre debido a la sincronicidad de la reproducción de la señal de los altavoces izquierdo y derecho, respectivamente, es decir, los picos y valles de las ondas emitidas por los altavoces izquierdo y derecho coinciden.

Ahora imagine que las presiones sonoras siguen cambiando de la misma manera (no han sufrido cambios), pero ahora son opuestas entre sí. Esto puede suceder si conecta un sistema de altavoces de dos con polaridad inversa (el cable "+" del amplificador al terminal "-" del sistema de altavoces y el cable "-" del amplificador al terminal "+" del sistema de altavoces). En este caso, la señal opuesta provocará una diferencia de presión, que se puede representar en números de la siguiente manera: el altavoz izquierdo creará una presión de “1 Pa” y el altavoz derecho creará una presión de “menos 1 Pa”. Como resultado, el volumen total del sonido en la ubicación del oyente será cero. Este fenómeno se llama antifase. Si miramos el ejemplo con más detalle para comprenderlo, resulta que dos parlantes que suenan "en fase" crean áreas idénticas de compactación y rarefacción del aire, ayudándose así entre sí. En el caso de una antifase idealizada, el área de espacio de aire comprimido creada por un hablante irá acompañada de un área de espacio de aire enrarecido creado por el segundo hablante. Esto se parece aproximadamente al fenómeno de la cancelación mutua y sincrónica de ondas. Es cierto que en la práctica el volumen no baja a cero y escucharemos un sonido muy distorsionado y debilitado.

La forma más accesible de describir este fenómeno es la siguiente: dos señales con las mismas oscilaciones (frecuencia), pero desplazadas en el tiempo. En vista de esto, es más conveniente presentar estos fenómenos de desplazamiento usando el ejemplo de un reloj redondo ordinario. Imaginemos que hay varios relojes redondos idénticos colgados en la pared. Cuando las manecillas de los segundos de este reloj funcionan sincrónicamente, en un reloj 30 segundos y en el otro 30, entonces este es un ejemplo de una señal que está en fase. Si las manecillas de los segundos se mueven con un cambio, pero la velocidad sigue siendo la misma, por ejemplo, en un reloj son 30 segundos y en otro son 24 segundos, entonces este es un ejemplo clásico de cambio de fase. De la misma forma, la fase se mide en grados, dentro de un círculo virtual. En este caso, cuando las señales se desplazan entre sí 180 grados (medio período), se obtiene la antifase clásica. En la práctica se producen a menudo pequeños cambios de fase, que también pueden determinarse gradualmente y eliminarse con éxito.

Las ondas son planas y esféricas. Un frente de onda plano se propaga en una sola dirección y rara vez se encuentra en la práctica. Un frente de onda esférico es un tipo simple de onda que se origina en un solo punto y viaja en todas direcciones. Las ondas sonoras tienen la propiedad difracción, es decir. Capacidad para sortear obstáculos y objetos. El grado de flexión depende de la relación entre la longitud de onda del sonido y el tamaño del obstáculo o agujero. La difracción también ocurre cuando hay algún obstáculo en el camino del sonido. En este caso, son posibles dos escenarios: 1) Si el tamaño del obstáculo es mucho mayor que la longitud de onda, entonces el sonido se refleja o se absorbe (dependiendo del grado de absorción del material, el espesor del obstáculo, etc.). ), y se forma una zona de “sombra acústica” detrás del obstáculo. 2) Si el tamaño del obstáculo es comparable a la longitud de onda o incluso menor, entonces el sonido se difracta en cierta medida en todas las direcciones. Si una onda de sonido, mientras se mueve en un medio, golpea la interfaz con otro medio (por ejemplo, un medio aéreo con un medio sólido), entonces pueden ocurrir tres escenarios: 1) la onda se reflejará desde la interfaz 2) la onda puede pasar a otro medio sin cambiar de dirección 3) una onda puede pasar a otro medio con un cambio de dirección en el límite, esto se llama "refracción de onda".

La relación entre el exceso de presión de una onda sonora y la velocidad volumétrica oscilatoria se llama resistencia de la onda. Discurso en palabras simples, impedancia de onda del medio Se puede llamar la capacidad de absorber ondas sonoras o "resistirlas". Los coeficientes de reflexión y transmisión dependen directamente de la relación de las impedancias de onda de los dos medios. La resistencia a las olas en un medio gaseoso es mucho menor que en agua o sólidos. Por lo tanto, si una onda sonora en el aire golpea un objeto sólido o la superficie de aguas profundas, el sonido se refleja desde la superficie o se absorbe en gran medida. Esto depende del espesor de la superficie (agua o sólido) sobre la que cae la onda sonora deseada. Cuando el espesor de un medio sólido o líquido es pequeño, las ondas sonoras “pasan” casi por completo, y viceversa, cuando el espesor del medio es grande, las ondas se reflejan con mayor frecuencia. En el caso de la reflexión de las ondas sonoras, este proceso se produce según una ley física bien conocida: "El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión". En este caso, cuando una onda de un medio con menor densidad choca con el límite con un medio de mayor densidad, se produce el fenómeno. refracción. Consiste en la curvatura (refracción) de una onda sonora después de “encontrarse” con un obstáculo, y va necesariamente acompañada de un cambio de velocidad. La refracción también depende de la temperatura del medio en el que se produce la reflexión.

En el proceso de propagación de las ondas sonoras en el espacio, su intensidad inevitablemente disminuye, podemos decir que las ondas se atenúan y el sonido se debilita; En la práctica, encontrar un efecto similar es bastante simple: por ejemplo, si dos personas se encuentran en un campo a cierta distancia (un metro o más cerca) y comienzan a decirse algo. Si posteriormente aumenta la distancia entre las personas (si comienzan a alejarse unas de otras), el mismo nivel de volumen de conversación será cada vez menos audible. Este ejemplo demuestra claramente el fenómeno de una disminución en la intensidad de las ondas sonoras. ¿Por qué sucede esto? La razón de esto son varios procesos de intercambio de calor, interacción molecular y fricción interna de ondas sonoras. En la práctica, la mayoría de las veces la energía sonora se convierte en energía térmica. Estos procesos surgen inevitablemente en cualquiera de los 3 medios de propagación del sonido y pueden caracterizarse como absorción de ondas sonoras.

La intensidad y el grado de absorción de las ondas sonoras depende de muchos factores, como la presión y la temperatura del medio. La absorción también depende de la frecuencia del sonido específica. Cuando una onda sonora se propaga a través de líquidos o gases se produce un efecto de fricción entre diferentes partículas, lo que se llama viscosidad. Como resultado de esta fricción a nivel molecular, se produce el proceso de conversión de una onda de sonido a calor. En otras palabras, cuanto mayor sea la conductividad térmica del medio, menor será el grado de absorción de las ondas. La absorción del sonido en medios gaseosos también depende de la presión (la presión atmosférica cambia al aumentar la altitud en relación con el nivel del mar). En cuanto a la dependencia del grado de absorción de la frecuencia del sonido, teniendo en cuenta las dependencias de viscosidad y conductividad térmica mencionadas anteriormente, cuanto mayor es la frecuencia del sonido, mayor es la absorción del sonido. Por ejemplo, cuando temperatura normal y presión, en el aire la absorción de una onda con una frecuencia de 5000 Hz será de 3 dB/km, y la absorción de una onda con una frecuencia de 50.000 Hz será de 300 dB/m.

En medios sólidos, se conservan todas las dependencias anteriores (conductividad térmica y viscosidad), pero a esto se le añaden varias condiciones más. Están asociados a la estructura molecular de los materiales sólidos, que pueden ser diferentes, con sus propias faltas de homogeneidad. Dependiendo de esta estructura molecular sólida interna, la absorción de ondas sonoras en este caso puede ser diferente y depende del tipo de material específico. Cuando el sonido atraviesa un cuerpo sólido, la onda sufre una serie de transformaciones y distorsiones, lo que a menudo conduce a la dispersión y absorción de la energía sonora. A nivel molecular, puede producirse un efecto de dislocación cuando una onda sonora provoca un desplazamiento de planos atómicos, que luego regresan a su posición original. O bien, el movimiento de las dislocaciones conduce a una colisión con dislocaciones perpendiculares a ellas o defectos en la estructura cristalina, lo que provoca su inhibición y, como consecuencia, cierta absorción de la onda sonora. Sin embargo, la onda sonora también puede resonar con estos defectos, lo que provocará una distorsión de la onda original. La energía de una onda sonora en el momento de la interacción con los elementos de la estructura molecular del material se disipa como resultado de procesos de fricción internos.

En este artículo intentaré analizar las características de la percepción auditiva humana y algunas de las sutilezas y características de la propagación del sonido.