LYD: HISTORIE, EGENSKAPER, HVORDAN DEN PRODUSERES, TYPER - FYSISK

Den lyd er definert som en forstyrrelse i den forplanter seg i et medium, slik som luft, vekselvis den produserer kompresjoner og ekspansjoner i den. Disse endringene i lufttrykk og tetthet når øret og tolkes av hjernen som hørselsopplevelser.

Lyder har fulgt livet siden oppstarten, og er en del av verktøyene som dyrene har til å kommunisere med hverandre og med miljøet. Noen mennesker hevder at planter også lytter, men i alle fall kan de oppfatte vibrasjonene i miljøet, selv om de ikke har en lydanordning som høyere dyr.

Figur 1. Brudd på lydbarrieren

I tillegg til å bruke lyd for å kommunisere gjennom tale, bruker folk den som et kunstnerisk uttrykk gjennom musikk. Alle kulturer, gamle og nylige, har musikalske manifestasjoner av alle slag, gjennom hvilke de forteller sine historier, skikker, religiøse tro og følelser.

Historie

På grunn av dens betydning ble menneskeheten interessert i å studere sin natur og skapte akustikk, en gren av fysikk dedikert til lydbølgenes egenskaper og oppførsel.

Det er kjent at den berømte matematikeren Pythagoras (569-475 f.Kr.) brukte lang tid på å studere forskjellene i høyde (frekvens) mellom lyder. På den annen side hevdet Aristoteles, som spekulerte i alle aspekter av naturen, riktig at lyden besto av utvidelser og kompresjoner i luften.

Senere skrev den berømte romerske ingeniøren Vitruvius (80-15 f.Kr.) en avhandling om akustikk og dens anvendelser i bygging av teatre. Isaac Newton selv (1642-1727) studerte forplantningen av lyd i solide medier og bestemte en formel for dens utbredelseshastighet.

Over tid gjorde de matematiske beregningsverktøyene det mulig å uttrykke alle kompleksitetene i bølgeatferd tilstrekkelig.

Lydegenskaper (egenskaper)

I sin enkleste form kan en lydbølge beskrives som en sinusformet bølge, som forplanter seg i tid og rom, som den som er vist i figur 2. Der observeres det at bølgen er periodisk, det vil si at den har en en måte som gjentar seg i tid.

Å være en langsgående bølge, forplantningsretningen og retningen som partiklene i det vibrerende mediet beveger seg er de samme.

Parametere for lydbølger

Figur 2. Lyd er en langsgående bølge, forstyrrelsen forplanter seg i samme retning som molekylene opplever sin forskyvning. Kilde: Wikimedia Commons.

Parametrene til en lydbølge er:

Periode T: er tiden det tar å gjenta en fase av bølgen. I det internasjonale systemet måles det i sekunder.

Syklus : er den delen av bølgen som er inneholdt i perioden og dekker fra et punkt til et annet som har samme høyde og samme skråning. Det kan være fra en dal til den neste, fra en ås til den neste, eller fra et punkt til et annet som oppfyller spesifikasjonen som er beskrevet.

Bølgelengde λ : er avstanden mellom den ene bølgen og en annen av bølgen, mellom en dal og en annen, eller generelt mellom ett punkt og det neste med samme høyde og skråning. Som en lengde måles det i meter, selv om andre enheter er mer passende avhengig av bølgetype.

Frekvens f : er definert som antall sykluser per tidsenhet. Enheten er Hertz (Hz).

Amplitude A: tilsvarer den maksimale høyden på bølgen i forhold til den horisontale aksen.

Hvordan produseres og forplantes lyd?

Det produseres lyd når et objekt som er nedsenket i et materialmedium, vibreres, som vist i bunnen av figur 2. Den stramme membranen til høyttaleren til venstre vibrerer og overfører forstyrrelsen gjennom luften til når lytteren.

Når forstyrrelsen sprer seg, overføres energi til molekylene i miljøet, som samvirker med hverandre, gjennom utvidelser og kompresjoner. Du trenger alltid et materielt medium for utbredelse av lyd, det være seg fast, flytende eller gass.

Når forstyrrelsen i luften når øret, forårsaker variasjoner i lufttrykk trommehinnen å vibrere. Dette gir elektriske impulser som overføres til hjernen gjennom hørselsnerven, og når en gang der blir impulsene oversatt til lyd.

Lydens hastighet

Hastigheten til mekaniske bølger i et gitt medium følger dette forholdet:

For eksempel når man forplanter seg i en gass som luft, kan lydhastigheten beregnes som:

Når temperaturen øker, gjør også hastigheten på lyden, siden molekylene i mediet er mer villige til å vibrere og overføre vibrasjonen gjennom bevegelsene sine. Presset på den annen side påvirker ikke verdien.

Forholdet mellom bølgelengde og frekvens

Vi har allerede sett at tiden det tar for bølgen å fullføre en syklus er perioden, mens den tilbakelagte avstanden i den tidsperioden er lik en bølgelengde. Derfor er hastigheten v for lyd definert som:

På den annen side er frekvensen og perioden relatert, den ene er den inverse av den andre, slik:

Som leder til:

Det hørbare frekvensområdet hos mennesker er mellom 20 og 20.000 Hz, derfor er bølgelengden for lyd mellom 1,7 cm og 17 m når du erstatter verdiene i liknelsen ovenfor.

Disse bølgelengdene er på størrelse med vanlige objekter, noe som påvirker utbredelsen av lyd, siden den er en bølge, den opplever refleksjon, brytning og diffraksjon når den støter på hindringer.

Å oppleve diffraksjon betyr at lyd påvirkes når den møter hindringer og åpninger som er nær eller mindre i størrelse som dens bølgelengde.

Basslyder kan best spres over lange avstander, og det er grunnen til at elefanter bruker infrasound (veldig lavfrekvente lyder, uhørbare for det menneskelige øret) for å kommunisere over sine enorme territorier.

Også når det er musikk i et nærliggende rom, høres bassen bedre enn diskanten, fordi bølgelengden er omtrent på størrelse med dører og vinduer. På den annen side, når du forlater rommet, går de høye tonelydene lett tapt, og slutter derfor å bli hørt.

Hvordan måles lyd?

Lyd består av en serie av kompresjoner og sjeldne virkninger av luften, på en slik måte at når den forplanter seg, forårsaker lyden øker og synker i trykket. I det internasjonale systemet måles trykket i pascaler, som er forkortet Pa.

Det som skjer er at disse endringene er veldig små sammenlignet med atmosfæretrykket, som er verdt omtrent 101 000 Pa.

Selv de høyeste lydene gir svingninger på bare 20-30 Pa (smerteterskel), en ganske liten mengde i sammenligning. Men hvis du kan måle disse endringene, har du en måte å måle lyd på.

Lydtrykk er forskjellen mellom atmosfæretrykk med lyd og atmosfæretrykk uten lyd. Som vi har sagt produserer de høyeste lydene lydtrykk på 20 Pa, mens de svakeste forårsaker omtrent 0,00002 Pa (lydterskel).

Siden utvalget av lydtrykk spenner over flere krefter på 10, bør en logaritmisk skala brukes for å indikere dem.

På den annen side ble det eksperimentelt bestemt at folk oppfatter endringer i lavintensitetslyder mer merkbart enn endringer i samme størrelsesorden, men i intense lyder.

For eksempel, hvis lydtrykket øker med 1, 2, 4, 8, 16 …, oppfatter øret økninger på 1, 2, 3, 4 … i intensitet. Av denne grunn er det praktisk å definere en ny mengde kalt lydtrykknivå (lydtrykknivå) L _P , definert som:

Hvor P _o er referansetrykket som tas som hørselsterskelen og P ₁ er det gjennomsnittlige effektive trykket eller RMS-trykket. Dette RMS eller gjennomsnittlig trykk er det øret oppfatter som den gjennomsnittlige energien til lydsignalet.

desibel

Resultatet av det ovennevnte uttrykk for L _P , når de ble evaluert for forskjellige verdier av P ₁ , er angitt i desibel, er en dimensjonsløs størrelse. Å uttrykke lydtrykknivået som dette er veldig praktisk, fordi logaritmer konverterer store tall til mindre, mer håndterbare tall.

Imidlertid er det i mange tilfeller foretrukket å bruke lydintensitet for å bestemme desibel, i stedet for lydtrykk.

Lydintensitet er energien som strømmer i ett sekund (kraft) gjennom en enhetsflateorientert vinkelrett på retningen som bølgen forplanter seg. Som lydtrykk er det en skalær mengde og betegnes I. Enhetene til I er W / m ² , det vil si kraft per enhetsareal.

Det kan vises at intensiteten av lyden er proporsjonal med kvadratet til lydtrykket:

I dette uttrykket er ρ densiteten til mediet og c er lydens hastighet. Da er lydintensitetsnivået L _I definert som:

Noe som også kommer til uttrykk i desibel og noen ganger betegnes med den greske bokstaven β. Referanseverdien I _o er 1 x ^10-12 W / m ² . Dermed representerer 0 dB den nedre grensen for menneskelig hørsel, mens smerteterskelen er 120 dB.

Siden det er en logaritmisk skala, må det understrekes at små forskjeller i antall desibel utgjør en stor forskjell når det gjelder lydintensitet.

Lydnivåmåleren

En lydnivåmåler eller desibelmeter er en enhet som brukes til å måle lydtrykk, og indikerer målingen i desibel. Det er designet for å svare på det på samme måte som det menneskelige øret ville.

Figur 3. Lydnivåmåleren eller desibelmeteret brukes til å måle lydtrykknivået. Kilde: Wikimedia Commons.

Den består av en mikrofon for å samle signalet, flere kretsløp med forsterkere og filtre, som er ansvarlige for å omforme dette signalet til en elektrisk strøm, og til slutt en skala eller en skjerm for å vise resultatet av avlesningen.

De er mye brukt for å bestemme hvilken innvirkning visse støy har på mennesker og miljø. For eksempel støy i fabrikker, næringer, flyplasser, trafikkstøy og mange andre.

Lydtyper (infrasound, ultralyd, mono, stereo, polyfonisk, homofonisk, bass, diskant)

Lyden er preget av frekvensen. I henhold til de som det menneskelige øret kan fange, blir alle lyder klassifisert i tre kategorier: de vi kan høre eller det hørbare spekteret, de som har en frekvens under den nedre grensen for det hørbare spekteret eller infrasound, og de som er over det hørbare spekteret. øvre grense, kalt ultralyd.

I alle fall, siden lydbølger kan overlappe lineært, består hverdagslyder, som vi noen ganger tolker som unike, av forskjellige lyder med forskjellige, men nære frekvenser.

Figur 4. Lydspekter og frekvensområder. Kilde: Wikimedia Commons.

Hørbart spekter

Det menneskelige øret er designet for å plukke opp et bredt spekter av frekvenser: mellom 20 og 20 000 Hz, men ikke alle frekvenser i dette området oppfattes med samme intensitet.

Øret er mer følsomt i frekvensbåndet mellom 500 og 6000 Hz. Det er imidlertid andre faktorer som påvirker evnen til å oppfatte lyd, for eksempel alder.

infralyd

Det er lyder hvis frekvens er mindre enn 20 Hz, men det faktum at mennesker ikke kan høre dem, betyr ikke at andre dyr ikke kan. For eksempel bruker elefanter dem til å kommunisere, siden infrasound kan reise lange avstander.

Andre dyr, som tigeren, bruker dem til å bedøve byttet sitt. Infrasound brukes også til påvisning av store gjenstander.

ultralyd

De har frekvenser over 20.000 Hz og er mye brukt i mange felt. En av de mest bemerkelsesverdige bruksområdene til ultralyd er som medisinredskap, både diagnostisk og behandlingsmessig. Bildene oppnådd ved hjelp av ultralyd er ikke-invasive og bruker ikke ioniserende stråling.

Ultralyd brukes også til å finne feil i strukturer, bestemme avstander, oppdage hindringer under navigering og mer. Dyr benytter seg også av ultralyd, og det var faktisk slik eksistensen ble oppdaget.

Flaggermus avgir lydpulser og tolker deretter ekkoet de produserer for å estimere avstander og lokalisere byttedyr. For deres del kan hunder også høre ultralyd, og det er grunnen til at de reagerer på hundefeil som eieren deres ikke kan høre.

Monofon lyd og stereofon lyd

Figur 4. I et opptaksstudio er lyden modifisert på riktig måte av elektroniske enheter. Kilde: Pixabay.

Monofonisk lyd er et signal spilt inn med en enkelt mikrofon eller lydkanal. Når du lytter med hodetelefoner eller lydhorn, hører begge ørene nøyaktig det samme. I kontrast registrerer stereofonisk lyd signaler med to uavhengige mikrofoner.

Mikrofonene er plassert i forskjellige posisjoner, slik at de kan plukke opp forskjellige lydtrykk av det du vil spille inn.

Så mottar hvert øre et av disse signalene, og når hjernen samler og tolker dem, er resultatet mye mer realistisk enn når du lytter til monofoniske lyder. Det er derfor den foretrukne metoden når det kommer til musikk og film, selv om monofon eller monaural lyd fortsatt brukes på radio, spesielt for intervjuer og samtaler.

Homofoni og polyfoni

Musikalsk sett består homofoni av den samme melodien spilt av to eller flere stemmer eller instrumenter. På polyfoni er det derimot to eller flere stemmer eller instrumenter av like stor betydning som følger melodier og til og med forskjellige rytmer. Det resulterende ensemblet av disse lydene er harmonisk, for eksempel musikken til Bach.

Bass- og diskantlyder

Det menneskelige øret diskriminerer hørbare frekvenser som høye, lave eller middels. Dette er det som kalles lydens tonehøyde.

De høyeste frekvensene, mellom 1600 og 20 000 Hz, regnes som akutte lyder, bandet mellom 400 og 1600 Hz tilsvarer lyder med en middels tone, og til slutt er frekvensene i området 20 til 400 Hz basstonene.

Basslyder skiller seg fra diskant ved at førstnevnte oppfattes som dyp, mørk og blomstrende, mens sistnevnte er lys, tydelig, glad og gjennomstikkende. Øret tolker dem også som mer intense, i motsetning til basslyder, som gir følelsen av mindre intensitet.

referanser

Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Redigert av D. Figueroa.
Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjette. Ed Prentice Hall.
Rocamora, A. Notater om musikalsk akustikk. Gjenopprettet fra: eumus.edu.uy.
Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 1. 7. Ed. Cengage Learning.
Wikipedia. Akustikk. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.

LYD: HISTORIE, EGENSKAPER, HVORDAN DEN PRODUSERES, TYPER - FYSISK - 2025