Sonido

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El sonido  es un fenómeno físico , que es la propagación de ondas elásticas en un medio gaseoso, líquido o sólido . En un sentido estricto, el sonido se refiere a estas ondas, consideradas en relación con la forma en que son percibidas por los órganos de los sentidos de humanos o animales [1] .

La fuente del sonido puede ser un cuerpo que realiza vibraciones mecánicas de acuerdo con una determinada ley.

En general, el sonido es una colección de ondas de diferentes frecuencias . Las distribuciones de intensidad sobre las frecuencias son suaves (continuas) o con máximos pronunciados en (discretas). Para simplificar, a menudo concéntrese en una onda de una frecuencia particular.

Una persona común puede escuchar vibraciones de sonido en el rango de frecuencia de 16 a 20  Hz a 15 a 20 kHz [2] . El sonido por debajo del rango auditivo humano se llama infrasonido ; superior: hasta 1 GHz - por ultrasonidos , a partir de 1 GHz - por hipersonido .

En la primera aproximación , el volumen del sonido está dictado por la amplitud de la onda, y el tono , el tono del sonido , está dictado por la frecuencia. Más precisamente, el volumen depende de manera compleja de la presión sonora efectiva, la frecuencia y la forma del modo, mientras que el tono depende no solo de la frecuencia, sino también de la magnitud de la presión sonora.

Entre los sonidos audibles destacan los fonéticos, los sonidos del habla y los fonemas (de los que consta el habla oral ) y los sonidos musicales (de los que consta la música ). Los sonidos musicales contienen no uno, sino varios tonos (ondas de frecuencias fijas ) y, a veces, componentes de ruido en una amplia gama acústica.

El concepto de sonido

Las ondas sonoras pueden servir como ejemplo de un proceso oscilatorio . Cualquier fluctuación está asociada con 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 sonoras, tal característica es la presión en un punto del medio, y su desviación es la presión sonora .

Si realiza un desplazamiento brusco de las partículas de un medio elástico en un lugar, por ejemplo, utilizando un pistón, la presión aumentará en este lugar. Gracias a los enlaces elásticos de las partículas, la presión se transfiere a las partículas vecinas, que, a su vez, actúan sobre las siguientes, y el área de mayor presión, por así decirlo, se mueve en un medio elástico. Al área de alta presión le sigue el área de baja presión, y así se forma una serie de áreas alternas de compresión y rarefacción, propagándose en el medio en forma de onda. Cada partícula del medio elástico en este caso oscilará.

Información más detallada

La velocidad del movimiento oscilatorio de las partículas de un medio elástico, la velocidad oscilatoria , se mide en m/s o cm/s. En términos de energía, los sistemas oscilatorios reales se caracterizan por un cambio de energía debido a su gasto parcial en trabajo contra las fuerzas de fricción y radiación en el espacio circundante. En un medio elástico, las oscilaciones decaen gradualmente. Para caracterizar las oscilaciones amortiguadas se utilizan el factor de amortiguamiento (S), el decremento logarítmico (D) y el factor de calidad (Q).

El factor de amortiguamiento refleja la velocidad a la que la amplitud decae con el tiempo. Si denotamos el tiempo durante el cual la amplitud decrece por un factor de e = 2.718, a través de , entonces:

.

La disminución de amplitud en un ciclo se caracteriza por una disminución logarítmica. El decremento logarítmico es igual a la relación entre el período de oscilación y el tiempo de caída :

Si una fuerza periódica actúa sobre un sistema oscilatorio con pérdidas, se producen oscilaciones forzadas , cuya naturaleza repite en cierta medida los cambios en la fuerza externa. La frecuencia de las oscilaciones forzadas no depende de los parámetros del sistema oscilatorio. Por el contrario, la amplitud depende de la masa, la resistencia mecánica y la flexibilidad del sistema. Tal fenómeno, cuando la amplitud de la velocidad vibratoria alcanza su valor máximo, se denomina resonancia mecánica. En este caso, la frecuencia de las oscilaciones forzadas coincide con la frecuencia de las oscilaciones naturales no amortiguadas del sistema mecánico.

A frecuencias de exposición mucho más bajas que la resonancia, la fuerza armónica externa se equilibra casi exclusivamente con la fuerza elástica. A frecuencias de excitación cercanas a la resonancia, las fuerzas de fricción juegan el papel principal. Siempre que la frecuencia de la acción externa sea mucho mayor que la resonante, el comportamiento del sistema oscilatorio depende de la fuerza de inercia o masa.

La propiedad de un medio para conducir energía acústica, incluida la energía ultrasónica, se caracteriza por la resistencia acústica. La resistencia acústica de un medio se expresa como la relación entre la densidad del sonido y la velocidad del volumen de las ondas ultrasónicas. La resistencia acústica específica de un medio se establece por la relación entre la amplitud de la presión del sonido en el medio y la amplitud de la velocidad de vibración de sus partículas. Cuanto mayor sea la resistencia acústica, mayor será el grado de compresión y rarefacción del medio a una amplitud dada de oscilación de las partículas del medio. Numéricamente, la resistencia acústica específica del medio (Z) se encuentra como el producto de la densidad del medio ( ) y la velocidad (s) de propagación de las ondas sonoras en él.

La impedancia acústica específica se mide en pascales segundos por metro ( Pa s/m) o dina•s/cm³ (CGS); 1 Pa s/m = 10 −1 dina • s/cm³.

La impedancia acústica específica de un medio a menudo se expresa en g/s cm², con 1 g/s cm² = 1 dyn·s/cm³. La resistencia acústica del medio está determinada por la absorción, refracción y reflexión de las ondas ultrasónicas.

La presión sonora o acústica en un medio es la diferencia entre el valor de la presión instantánea en un punto dado del medio en presencia de vibraciones sonoras y la presión estática en el mismo punto en su ausencia. En otras palabras, la presión sonora es una presión variable en el medio debido a las vibraciones acústicas. El valor máximo de la presión acústica variable (amplitud de presión) se puede calcular a partir de la amplitud de oscilación de las partículas:

donde P es la presión acústica máxima (amplitud de presión);

A una distancia de media longitud de onda (λ/2), el valor de la presión sonora cambia de positivo a negativo. La diferencia de presión en dos puntos con sus valores máximo y mínimo (separados entre sí por λ/2 a lo largo de la dirección de propagación de la onda) es igual a 2Р.

El pascal (Pa) se utiliza para expresar la presión sonora en unidades SI , igual a una presión de un newton por metro cuadrado (N/m²). La presión sonora en el sistema CGS se mide en dinas/cm²; 1 dina/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Junto con las unidades indicadas, a menudo se usan unidades de presión no sistémicas: atmósfera (atm) y atmósfera técnica (at), mientras que 1 at = 0.98⋅10 6 dynes / cm² = 0.98⋅10 5 N / m². A veces se utiliza una unidad llamada barra o microbarra (barra acústica); 1 bar = 10 6 dinas/cm².

La presión ejercida sobre las partículas del medio durante la propagación de las ondas es el resultado de la acción de fuerzas elásticas e inerciales. Estos últimos son causados ​​por aceleraciones , cuya magnitud también crece durante un período desde cero hasta un máximo (valor de amplitud de la aceleración). Además, durante el período, la aceleración cambia de signo.

Los valores máximos de aceleración y presión, que surgen en el medio durante el paso de ondas ultrasónicas en él, no coinciden en el tiempo para una partícula dada. En el momento en que la diferencia de aceleración alcanza su máximo, la diferencia de presión se vuelve igual a cero. El valor de amplitud de la aceleración (a) está determinado por la expresión:

Si las ondas ultrasónicas que viajan chocan con un obstáculo, experimenta no solo una presión variable, sino también constante. Las áreas de engrosamiento y rarefacción del medio que surgen durante el paso de las ondas ultrasónicas crean cambios de presión adicionales en el medio en relación con la presión externa que lo rodea. Esta presión externa adicional se denomina presión de radiación (presión de radiación). Es la razón por la que cuando las ondas ultrasónicas atraviesan el límite de un líquido con el aire, se forman fuentes de líquido y las gotas individuales se desprenden de la superficie. Este mecanismo ha encontrado aplicación en la formación de aerosoles de sustancias medicinales. La presión de radiación a menudo se usa para medir la potencia de las vibraciones ultrasónicas en medidores especiales: escalas ultrasónicas.

En medios líquidos y gaseosos, donde no hay fluctuaciones significativas en la densidad, las ondas acústicas son de naturaleza longitudinal , es decir, la dirección de oscilación de las partículas coincide con la dirección del movimiento de las ondas. En los sólidos , además de las deformaciones longitudinales, también ocurren 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 ( onda transversal ). La velocidad de propagación de las ondas longitudinales es mucho mayor que la velocidad de propagación de las ondas transversales.

En la filosofía, psicología y ecología de los medios de comunicación, el sonido se estudia en relación con su impacto en la percepción y el pensamiento (estamos hablando, por ejemplo, del espacio acústico como un espacio creado por la influencia de los medios electrónicos de comunicación).

Parámetros físicos del sonido

Espectro de sonido

El espectro se refiere a la distribución de frecuencias de la energía del sonido , es decir, una función que muestra la representación relativa de varias frecuencias en el sonido bajo estudio. Si esta distribución es discreta, entonces se escribe como la suma de funciones delta de la forma ; en tal caso, se puede dar una lista de las frecuencias presentes con sus contribuciones a la intensidad total: y así sucesivamente.

En relación con los sonidos musicales, en lugar de la palabra "espectro", se utiliza el concepto de " timbre " en el mismo sentido.

Intensidad del sonido

La intensidad (fuerza) del sonido  es una cantidad física escalar que caracteriza la potencia transferida en la dirección de propagación del sonido. Tiene en cuenta todo el rango de frecuencias, es decir, . Distinguir entre instantáneo, es decir, en un momento dado , e intensidad promediada en un determinado período de tiempo .

Duración del sonido

La duración de un sonido  es la duración total de las oscilaciones de una fuente de ondas elásticas en segundos o, en música, en unidades de ritmo musical (ver duración (música) ).

Velocidad del sonido

La velocidad del sonido  es la velocidad de propagación de las ondas sonoras en un medio.

Por regla general, la velocidad del sonido en los gases es menor que en los líquidos .

La velocidad del sonido en el aire depende de la temperatura y en condiciones normales es de aproximadamente 340 m/s.

La velocidad del sonido en cualquier medio se calcula mediante la fórmula:

,

donde  es la compresibilidad adiabática del medio;  - densidad.

Volumen de sonido

El volumen del sonido es la percepción  subjetiva de la fuerza del sonido (el valor absoluto de la sensación auditiva). El volumen depende principalmente de la presión del sonido , la amplitud y la frecuencia de las vibraciones del sonido. Además, el volumen del sonido se ve afectado por su composición espectral, localización en el espacio, timbre, duración de la exposición a las vibraciones del sonido, sensibilidad individual del analizador auditivo humano y otros factores [3] [4] .

Generación de sonido

Por lo general, los cuerpos oscilantes de diversa naturaleza se utilizan para generar sonido, provocando vibraciones en el aire circundante. Un ejemplo de tal generación sería el uso de cuerdas vocales , parlantes o un diapasón . La mayoría de los instrumentos musicales se basan en el mismo principio. Una excepción son los instrumentos de viento , en los que el sonido se genera debido a la interacción del flujo de aire con heterogeneidades en el instrumento. Los llamados láseres de sonido o de fonones se utilizan para crear un sonido coherente [5] .

Los generadores de sonido se utilizan en tecnología .

Ultrasonido

Ultrasonido - vibraciones sonoras elásticas de alta frecuencia . El oído humano percibe ondas elásticas que se propagan en el medio con una frecuencia de hasta aproximadamente 16 Hz-20 kHz ; las vibraciones con una frecuencia más alta representan ultrasonido (más allá de la audición). El diagnóstico por ultrasonido se basa en el fenómeno de la reflexión .

Absorción de ondas ultrasónicas

Dado que el medio en el que se propaga el ultrasonido tiene viscosidad, conductividad térmica y otras causas de fricción interna, la absorción se produce durante la propagación de la onda , es decir, a medida que aumenta la distancia desde la fuente, la amplitud y la energía de las vibraciones ultrasónicas se reducen. El medio en el que se propaga el ultrasonido interactúa con la energía que lo atraviesa y absorbe parte de ella. La parte predominante de la energía absorbida se convierte en calor, una parte más pequeña provoca cambios estructurales irreversibles en la sustancia transmisora.

Bajo la profundidad de penetración del ultrasonido, comprenda la profundidad a la que la intensidad se reduce a la mitad. Este valor es inversamente proporcional a la absorción: cuanto más absorbe el medio el ultrasonido, menor es la distancia a la que la intensidad del ultrasonido se atenúa a la mitad.

Si hay falta de homogeneidad en el medio, se produce la dispersión del sonido, lo que puede cambiar significativamente la imagen simple de la propagación del ultrasonido y, en última instancia, también hacer que la onda se atenúe en la dirección original de propagación.

En la interfaz entre los medios (p. ej., epidermis - dermis - fascia - músculo), se observará la refracción de las ondas ultrasónicas.

Ondas ultrasónicas viajeras y estacionarias

Si durante la propagación de las ondas ultrasónicas en el medio no se reflejan, se forman ondas viajeras . Como resultado de las pérdidas de energía, los movimientos oscilatorios de las partículas del medio decaen gradualmente, y cuanto más lejos se encuentran las partículas de la superficie radiante, menor es la amplitud de sus oscilaciones. Si en el camino de propagación de las ondas ultrasónicas hay tejidos con diferentes resistencias acústicas específicas, las ondas ultrasónicas se reflejan en cierta medida desde la sección límite. La superposición de ondas ultrasónicas incidentes y reflejadas puede dar lugar a ondas estacionarias . Para que se produzcan ondas estacionarias, la distancia desde la superficie emisora ​​hasta la superficie reflectante debe ser un múltiplo de la mitad de la longitud de onda.

Infrasonido

Infrasonido (del lat.  infra  - debajo, debajo) - vibraciones de sonido que tienen frecuencias más bajas que las percibidas por el oído humano. Para el límite superior del rango de frecuencia del infrasonido, generalmente se toman 16-25 Hz. El límite inferior del rango infrasónico se define convencionalmente como 0,001  Hz . De interés práctico pueden ser las oscilaciones de décimas e incluso centésimas de hercio, es decir, con períodos de diez segundos.

Dado que la naturaleza de la aparición de vibraciones infrasónicas es la misma que la de un sonido audible, el infrasonido obedece a las mismas leyes y se utiliza el mismo aparato matemático para describirlo que para el sonido audible común (excepto los conceptos relacionados con el nivel de sonido) . El medio absorbe débilmente el infrasonido, por lo que puede propagarse a distancias considerables de la fuente. Debido a la longitud de onda muy larga , la difracción es pronunciada .

El infrasonido generado en el mar se denomina uno de los posibles motivos para encontrar barcos abandonados por la tripulación [6] .

Experimentos y demostraciones

El tubo de Rubens se utiliza para demostrar ondas estacionarias de sonido .

La diferencia en las velocidades de propagación del sonido es evidente cuando se inhala helio en lugar de aire, y dicen algo, exhalándolo: la voz se vuelve más alta. Si el gas es hexafluoruro de azufre SF 6 , entonces la voz suena más grave [7] . Esto se debe a que los gases son aproximadamente igualmente comprimibles, por lo tanto, en el helio, que tiene una densidad muy baja, en comparación con el aire, hay un aumento en la velocidad del sonido, y una disminución en el hexafluoruro de azufre con una densidad muy alta. para gases, mientras que las dimensiones del resonador oral humano permanecen sin cambios, como resultado, la frecuencia de resonancia cambia, ya que cuanto mayor es la velocidad del sonido, mayor es la frecuencia de resonancia en otras condiciones sin cambios.

La velocidad del sonido en el agua se puede visualizar en la experiencia de la difracción de la luz por ultrasonidos en el agua . En el agua, en comparación con el aire, la velocidad del sonido es mayor, ya que incluso con una densidad de agua significativamente mayor (lo que debería conducir a una caída en la velocidad del sonido), el agua es tan poco compresible que, como resultado, la velocidad de sonido en él es todavía varias veces por encima.

En 2014 se presentó una instalación que levanta objetos de un centímetro con ondas sonoras [8] .

Véase también

Notas

  1. ↑ I. P. Golyamina. Sonido // Enciclopedia física  : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M . : Enciclopedia soviética (vol. 1-2); Gran Enciclopedia Rusa (vols. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  2. ↑ Rumor - información general (enlace inaccesible) . Consultado el 25 de agosto de 2010. Archivado desde el original el 12 de enero de 2013. 
  3. ↑ Sound Engineer Archive, 2000, #8 Archivado el 27 de febrero de 2007 en Wayback Machine .
  4. ↑ Archivo de la revista "Sound Engineer", 2000, #9 Archivado el 27 de febrero de 2007.
  5. ↑ Jacob B. Khurgin. Los láseres de fonones obtienen una base sólida   // Física . - 2010. - Vol. 3 . — Pág. 16 .
  6. ↑ Mezentsev V. A. En los callejones sin salida del misticismo. Moscú: Obrero de Moscú , 1987.
  7. ↑ Demostración de cambio de voz de hexafluoruro de azufre en YouTube
  8. ↑ El "rayo de energía" acústico atrae objetos a distancia Archivado el 17 de mayo de 2014 en Wayback Machine // Popular Mechanics

Literatura

Enlaces

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