Un'onda sonora è un processo ondulatorio che si verifica in un mezzo gassoso, liquido e solido, che, quando raggiunge gli organi uditivi umani, viene percepito da questi come suono. La frequenza di queste onde è compresa tra 20 e 20.000 oscillazioni al secondo. Diamo le formule per un'onda sonora e consideriamo le sue proprietà in modo più dettagliato.
Perché c'è un'onda sonora?
Molte persone si chiedono cosa sia un'onda sonora. La natura del suono risiede nel verificarsi di perturbazione in un mezzo elastico. Ad esempio, quando si verifica una perturbazione della pressione sotto forma di compressione in un determinato volume d'aria, quest'area tende a diffondersi nello spazio. Questo processo porta alla compressione dell'aria nelle aree adiacenti alla sorgente, che tendono anche ad espandersi. Questo processo copre sempre più spazio fino a raggiungere un ricevitore, ad esempio l'orecchio umano.
Caratteristiche generali delle onde sonore
Consideriamo cos'è un'onda sonora e come viene percepita dall'orecchio umano. Onda sonoraè longitudinale, quando entra nel guscio dell'orecchio, provoca vibrazioni del timpano con una certa frequenza e ampiezza. Puoi anche rappresentare queste fluttuazioni come variazioni periodiche della pressione nel microvolume d'aria adiacente alla membrana. In primo luogo, aumenta rispetto alla normale pressione atmosferica, quindi diminuisce, obbedendo alle leggi matematiche del moto armonico. L'ampiezza delle variazioni di compressione dell'aria, cioè la differenza tra la pressione massima o minima creata da un'onda sonora, con la pressione atmosferica è proporzionale all'ampiezza dell'onda sonora stessa.
Molti esperimenti fisici hanno dimostrato che la pressione massima che l'orecchio umano può percepire senza danneggiarlo è 2800 µN/cm2. Per fare un confronto, diciamo che la pressione atmosferica vicino alla superficie terrestre è di 10 milioni di µN/cm2. Considerando la proporzionalità di pressione e ampiezza di oscillazione, possiamo dire che quest'ultimo valore è insignificante anche per le onde più forti. Se parliamo della lunghezza di un'onda sonora, per una frequenza di 1000 vibrazioni al secondo, sarà un millesimo di centimetro.
I suoni più deboli creano fluttuazioni di pressione dell'ordine di 0,001µN/cm2, l'ampiezza di oscillazione dell'onda corrispondente per una frequenza di 1000 Hz è 10- 9 cm, mentre il diametro medio delle molecole d'aria è 10-8 cm, cioè l'orecchio umano è un organo estremamente sensibile.
Il concetto di intensità delle onde sonore
Con geometricaDal punto di vista di un'onda sonora, è una vibrazione di una certa forma, dal punto di vista fisico, la proprietà principale delle onde sonore è la loro capacità di trasferire energia. L'esempio più importante di trasferimento di energia delle onde è il sole, le cui onde elettromagnetiche irradiate forniscono energia a tutto il nostro pianeta.
L'intensità di un'onda sonora in fisica è definita come la quantità di energia trasportata da un'onda attraverso una superficie unitaria, che è perpendicolare alla propagazione dell'onda, e per unità di tempo. In breve, l'intensità di un'onda è la sua potenza trasferita attraverso un'area unitaria.
La forza delle onde sonore viene solitamente misurata in decibel, che sono basati su una scala logaritmica, comoda per l'analisi pratica dei risultati.
Intensità di vari suoni
La seguente scala di decibel dà un'idea del significato delle diverse intensità sonore e delle sensazioni che provoca:
- soglia per sensazioni sgradevoli e sgradevoli parte da 120 decibel (dB);
- Il martello rivettatore genera un rumore di 95 dB;
- treno ad alta velocità - 90 dB;
- via del traffico - 70 dB;
- il volume di una normale conversazione tra persone è 65 dB;
- Un'auto moderna che si muove a velocità moderata genera un rumore di 50 dB;
- volume medio della radio - 40 dB;
- conversazione silenziosa - 20 dB;
- rumore del fogliame degli alberi - 10 dB;
- La soglia minima di sensibilità al suono umano è vicina a 0 dB.
La sensibilità dell'orecchio umano dipendefrequenza del suono ed è il valore massimo per le onde sonore con una frequenza di 2000-3000 Hz. Per un suono in questa gamma di frequenze, la soglia inferiore della sensibilità umana è 10-5 dB. Frequenze più alte e più basse dell'intervallo specificato portano ad un aumento della soglia di sensibilità inferiore in modo tale che una persona sente frequenze vicine a 20 Hz e 20.000 Hz solo alla loro intensità di diverse decine di dB.
Per quanto riguarda la soglia superiore di intensità, dopo la quale il suono inizia a causare disagio a una persona e persino dolore, va detto che praticamente non dipende dalla frequenza e si trova nell'intervallo 110-130 dB.
Caratteristiche geometriche di un'onda sonora
Una vera onda sonora è un complesso pacchetto oscillatorio di onde longitudinali, che può essere scomposto in semplici vibrazioni armoniche. Ciascuna di queste oscillazioni è descritta da un punto di vista geometrico dalle seguenti caratteristiche:
- Ampiezza - la deviazione massima di ciascuna sezione dell'onda dall'equilibrio. Per questo valore, la designazione A.
- Periodo. Questo è il tempo impiegato da un'onda semplice per completare la sua oscillazione completa. Trascorso questo tempo, ogni punto dell'onda inizia a ripetere il suo processo oscillatorio. Il periodo è solitamente indicato dalla lettera T e misurato in secondi nel sistema SI.
- Frequenza. Questa è una quantità fisica che mostra quante oscillazioni fa una data onda al secondo. Cioè, nel suo significato, è un valore inverso al periodo. È indicato dalla lettera latina f. Per la frequenza di un'onda sonora, la formula per determinarla attraverso un periodo è la seguente: f=1/T.
- La lunghezza di un'onda è la distanza che percorre in un periodo di oscillazione. Geometricamente, la lunghezza d'onda è la distanza tra due massimi più vicini o due minimi più vicini su una curva sinusoidale. La lunghezza di oscillazione di un'onda sonora è la distanza tra le aree di compressione dell'aria più vicine oi luoghi più vicini della sua rarefazione nello spazio in cui l'onda si muove. Di solito è indicato dalla lettera greca λ.
- La velocità di propagazione dell'onda sonora è la distanza su cui si propaga l'area di compressione o l'area di rarefazione dell'onda per unità di tempo. Questo valore è indicato dalla lettera v. Per la velocità di un'onda sonora, la formula è: v=λf.
La geometria di un'onda sonora pura, cioè un'onda di purezza costante, obbedisce a una legge sinusoidale. Nel caso generale, la formula di un'onda sonora è: y=Asin(ωt), dove y è il valore della coordinata di un dato punto dell'onda, t è il tempo, ω=2pif è la frequenza di oscillazione ciclica.
Suono aperiodico
Molte sorgenti sonore possono essere considerate periodiche, ad esempio il suono di strumenti musicali come chitarra, pianoforte, flauto, ma ci sono anche un gran numero di suoni in natura che sono aperiodici, cioè le vibrazioni sonore cambiano la loro frequenza e forma nello spazio. Tecnicamente, questo tipo di suono è chiamato rumore. luminosaesempi di suono aperiodico sono il rumore urbano, il suono del mare, i suoni di strumenti a percussione, come un tamburo, e altri.
Mezzo di propagazione del suono
A differenza della radiazione elettromagnetica, i cui fotoni non necessitano di alcun mezzo materiale per la loro propagazione, la natura del suono è tale che per la sua propagazione è necessario un certo mezzo, cioè, secondo le leggi della fisica, le onde sonore non possono propagarsi nel vuoto.
Il suono può viaggiare attraverso gas, liquidi e solidi. Le caratteristiche principali di un'onda sonora che si propaga in un mezzo sono le seguenti:
- L'onda si propaga linearmente;
- si diffonde equamente in tutte le direzioni in un mezzo omogeneo, cioè il suono diverge dalla sorgente, formando una perfetta superficie sferica.
- indipendentemente dall'ampiezza e dalla frequenza del suono, le sue onde si propagano alla stessa velocità in un dato mezzo.
La velocità delle onde sonore in vari media
La velocità di propagazione del suono dipende da due fattori principali: il mezzo in cui si muove l'onda e la temperatura. In generale, si applica la seguente regola: più denso è il mezzo e maggiore è la sua temperatura, più velocemente si muove il suono al suo interno.
Ad esempio, la velocità di propagazione di un'onda sonora nell'aria vicino alla superficie terrestre a una temperatura di 20 ℃ e un'umidità del 50% è 1235 km/ho 343 m/s. In acqua a una data temperatura, il suono viaggia 4,5 volte più velocemente, quindici sono circa 5735 km/ho 1600 m/s. Per quanto riguarda la dipendenza della velocità del suono dalla temperatura dell'aria, aumenta di 0,6 m/s con un aumento della temperatura per ogni grado Celsius.
Timbro e tono
Se una corda o una piastra di metallo possono vibrare liberamente, produrranno suoni di frequenze diverse. È molto raro trovare un corpo che emetta un suono di una particolare frequenza, di solito il suono di un oggetto ha un insieme di frequenze in un certo intervallo.
Il timbro di un suono è determinato dal numero di armoniche presenti in esso e dalle rispettive intensità. Il timbro è un valore soggettivo, cioè è la percezione di un oggetto sonoro da parte di una determinata persona. Il timbro è solitamente caratterizzato dai seguenti aggettivi: acuto, brillante, sonoro, melodico e così via.
Il tono è una sensazione sonora che consente di classificarlo come alto o basso. Anche questo valore è soggettivo e non può essere misurato da alcuno strumento. Il tono è associato a una quantità oggettiva: la frequenza di un'onda sonora, ma non esiste una relazione univoca tra di loro. Ad esempio, per un suono a frequenza singola di intensità costante, il tono aumenta all'aumentare della frequenza. Se la frequenza del suono rimane costante, ma la sua intensità aumenta, il tono diventa più basso.
Forma delle sorgenti sonore
Secondo la forma del corpo che vibra meccanicamente e quindi genera il suono, ci sono tre tipi principali di sorgenti di onde sonore:
- Sorgente puntiforme. Produce onde sonore di forma sferica che decadono rapidamente con la distanza dalla sorgente (circa 6dB se la distanza dalla sorgente è raddoppiata).
- Sorgente di linea. Crea onde cilindriche la cui intensità diminuisce più lentamente rispetto a una sorgente puntiforme (per ogni raddoppio della distanza dalla sorgente, l'intensità diminuisce di 3 dB).
- Una sorgente piatta o bidimensionale. Genera onde solo in una certa direzione. Un esempio di tale sorgente potrebbe essere un pistone che si muove in un cilindro.
Sorgenti sonore elettroniche
Per creare un'onda sonora, le sorgenti elettroniche utilizzano una speciale membrana (altoparlante), che esegue vibrazioni meccaniche dovute al fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Queste fonti includono quanto segue:
- lettori per vari dischi (CD, DVD e altri);
- registratori di cassette;
- radio;
- TV e altri.
