LYD: HISTORIE, KARAKTERISTIKA, HVORDAN DEN PRODUCERES, TYPER - FYSISK - 2025

Den lyd er defineret som en forstyrrelse af udbreder sig i et medium, såsom luft, skiftevis den producerer kompressioner og udvidelser i det. Disse ændringer i lufttryk og densitet når øret og fortolkes af hjernen som hørselsfornemmelser.

Lyde har ledsaget livet siden starten, hvilket udgør en del af de værktøjer, som dyr skal kommunikere med hinanden og med deres miljø. Nogle mennesker hævder, at planter også lytter, men under alle omstændigheder kunne de opleve vibrationerne i miljøet, selvom de ikke har en auditive enhed som højere dyr.

Figur 1. Brud på lydbarrieren

Ud over at bruge lyd til at kommunikere gennem tale, bruger folk den som et kunstnerisk udtryk gennem musik. Alle kulturer, gamle og nylige, har musikalske manifestationer af alle slags, gennem hvilke de fortæller deres historier, skikke, religiøse tro og følelser.

Historie

På grund af dens betydning blev menneskeheden interesseret i at studere dens natur og skabte akustik, en gren af ​​fysik dedikeret til lydbølgernes egenskaber og opførsel.

Det er kendt, at den berømte matematiker Pythagoras (569-475 f.Kr.) brugte lang tid på at studere forskellene i højde (frekvens) mellem lyde. På den anden side hævdede Aristoteles, der spekulerede om alle aspekter af naturen, korrekt, at lyden bestod af udvidelser og komprimeringer i luften.

Senere skrev den berømte romerske ingeniør Vitruvius (80-15 f.Kr.) en afhandling om akustik og dens anvendelser i opførelsen af ​​teatre. Isaac Newton selv (1642-1727) studerede forplantningen af ​​lyd i faste medier og bestemte en formel for dens udbredelseshastighed.

Over tid gjorde de matematiske beregningsværktøjer det muligt at udtrykke tilstrækkelig al bølgeadfærdens kompleksitet.

Lydegenskaber (egenskaber)

I sin enkleste form kan en lydbølge beskrives som en sinusformet bølge, der forplantes i tid og rum, ligesom den, der er vist i figur 2. Der observeres det, at bølgen er periodisk, dvs. at den har en en måde, der gentager sig i tide.

Som en langsgående bølge er forplantningsretningen og retningen, i hvilken partiklerne i det vibrerende medium bevæger sig, de samme.

Parametre for lydbølger

Figur 2. Lyd er en langsgående bølge, forstyrrelsen forplantes i den samme retning, hvor molekylerne oplever deres forskydning. Kilde: Wikimedia Commons.

Parametrene for en lydbølge er:

Periode T: er den tid det tager at gentage en fase af bølgen. I det internationale system måles det i sekunder.

Cyklus: er den del af bølgen, der er indeholdt i perioden, og dækker fra et punkt til et andet, der har den samme højde og den samme hældning. Det kan være fra den ene dal til den næste, fra den ene kam til den næste eller fra det ene punkt til det andet, der opfylder den beskrevne specifikation.

Bølgelængde λ: er afstanden mellem en kam og en anden af ​​bølgen, mellem en dal og en anden, eller generelt mellem et punkt og det næste med samme højde og hældning. Som en længde måles det i meter, selvom andre enheder er mere passende afhængigt af bølgetypen.

Frekvens f: er defineret som antallet af cyklusser pr. Tidsenhed. Dens enhed er Hertz (Hz).

Amplitude A: svarer til den maksimale højde af bølgen i forhold til den vandrette akse.

Hvordan produceres og forplantes lyd?

Lyden frembringes, når et objekt, der er nedsænket i et materiale, vibreres, som vist i den nederste del af figur 2. Den stramme membran på højttaleren til venstre vibrerer og overfører forstyrrelsen gennem luften, indtil når lytteren.

Når forstyrrelsen spreder sig, overføres energi til molekylerne i miljøet, som interagerer med hinanden, gennem udvidelser og kompressioner. Du har altid brug for et materielt medium til udbredelse af lyd, det være sig fast, flydende eller gas.

Når forstyrrelsen i luften når øret, får variationer i lufttryk trommehinnen til at vibrere. Dette giver anledning til elektriske impulser, der overføres til hjernen gennem høringsnerven, og når først der impulserne oversættes til lyd.

Lydens hastighed

Hastigheden af ​​mekaniske bølger i et givet medium følger dette forhold:

For eksempel, når man formerer sig i en gaslignende luft, kan lydhastigheden beregnes som:

Når temperaturen stiger, sker også lydhastigheden, da molekylerne i mediet er mere villige til at vibrere og overføre vibration gennem deres bevægelser. Trykket på den anden side påvirker ikke dets værdi.

Forholdet mellem bølgelængde og frekvens

Vi har allerede set, at den tid, det tager for bølgen at gennemføre en cyklus, er perioden, mens den tilbagelagte afstand i denne periode er lig med en bølgelængde. Derfor er hastighed v for lyd defineret som:

På den anden side er frekvensen og perioden relateret, den ene er den inverse af den anden, som denne:

Hvilket fører til:

Det hørbare frekvensområde hos mennesker er mellem 20 og 20.000 Hz, derfor er bølgelængden for lyd mellem 1,7 cm og 17 m, når værdien i ovennævnte ligning erstattes.

Disse bølgelængder er på størrelse med almindelige objekter, der påvirker udbredelsen af ​​lyd, da det er en bølge, det oplever reflektion, brydning og diffraktion, når det støder på forhindringer.

At opleve diffraktion betyder, at lyd påvirkes, når den støder på forhindringer og åbninger, der er tæt på eller mindre i størrelse som dens bølgelængde.

Baslyde kan sprede sig bedre over lange afstande, hvorfor elefanter bruger infrasound (meget lavfrekvente lyde, uhørlige for det menneskelige øre) til at kommunikere over deres enorme territorier.

Også når der er musik i et nærliggende rum, høres bassen bedre end diskanten, fordi dens bølgelængde er omtrent på størrelse med døre og vinduer. På den anden side, når man forlader rummet, går de højt tonede lyde let tabt og stopper derfor med at blive hørt.

Hvordan måles lyd?

Lyd består af en række komprimeringer og sjældne påvirkninger af luften på en sådan måde, at når den forplantes, forårsager lyden stigninger og formindskelser i trykket. I det internationale system måles trykket i pascaler, der er forkortet Pa.

Hvad der sker er, at disse ændringer er meget små sammenlignet med atmosfæretrykket, hvilket er værd at være ca. 101.000 Pa.

Selv de højeste lyde producerer udsving på kun 20-30 Pa (smertetærskel), en forholdsvis lille mængde i sammenligning. Men hvis du kan måle disse ændringer, har du en måde at måle lyd på.

Lydtryk er forskellen mellem atmosfærisk tryk med lyd og atmosfærisk tryk uden lyd. Som nævnt producerer de højeste lyde lydtryk på 20 Pa, mens de svageste giver ca. 0,00002 Pa (lydtærskel).

Da området for lydtryk spænder over flere kræfter på 10, skal en logaritmisk skala bruges til at indikere dem.

På den anden side blev det eksperimentelt bestemt, at folk oplever ændringer i lavintensitetslyde mere mærkbart end ændringer af samme størrelse, men i intense lyde.

For eksempel, hvis lydtrykket stiger med 1, 2, 4, 8, 16…, opfatter øret stigninger på 1, 2, 3, 4… i intensitet. Af denne grund er det praktisk at definere en ny mængde kaldet lydtrykniveau (lydtrykniveau) L _P, defineret som:

Hvor P _o er referencen pres, der er taget som høretærsklen og P ₁ er den gennemsnitlige effektive tryk eller RMS tryk. Dette RMS eller det gennemsnitlige tryk er, hvad øret opfatter som den gennemsnitlige energi for lydsignalet.

decibel

Resultatet af ovenstående udtryk for L _P, når de blev evalueret for forskellige værdier af P ₁, er givet i decibel, en dimensionsløs mængde. Det er meget praktisk at udtrykke lydtrykniveauet som dette, fordi logaritmer konverterer store numre til mindre, mere håndterbare tal.

I mange tilfælde foretrækkes det imidlertid at bruge lydintensitet til at bestemme decibel snarere end lydtryk.

Lydintensitet er den energi, der strømmer i et sekund (strøm) gennem en enhedsoverfladeorienteret vinkelret på retningen, i hvilken bølgen udbreder sig. Ligesom lydtryk er det en skalær mængde og betegnes I. Enhederne på I er W / m ², det vil sige effekt pr. Enhedsareal.

Det kan vises, at lydstyrken er proportional med kvadratet for lydtrykket:

I dette udtryk er ρ densitet for mediet, og c er lydens hastighed. Derefter defineres lydintensitetsniveauet L _I som:

Hvilket også udtrykkes i decibel og sommetider betegnes med det græske bogstav β. Referenceværdien I _o er 1 x 10 ^-12 W / m ². Således repræsenterer 0 dB den nedre grænse for menneskelig hørelse, mens smertetærsklen er 120 dB.

Da det er en logaritmisk skala, skal det understreges, at små forskelle i antallet af decibel udgør en stor forskel med hensyn til lydintensitet.

Lydniveauet meter

En lydniveaumåler eller decibelmeter er en enhed, der bruges til at måle lydtrykket, der angiver målingen i decibel. Det er designet til at reagere på det på samme måde som det menneskelige øre ville.

Figur 3. Lydniveaumåleren eller decibelmeteret bruges til at måle lydtrykniveauet. Kilde: Wikimedia Commons.

Den består af en mikrofon til opsamling af signalet, flere kredsløb med forstærkere og filtre, der er ansvarlige for tilstrækkelig omdannelse af dette signal til en elektrisk strøm, og til sidst en skala eller en skærm for at vise resultatet af aflæsningen.

De er vidt brugt til at bestemme den indflydelse, som visse støj har på mennesker og miljø. For eksempel støj i fabrikker, industrier, lufthavne, trafikstøj og mange andre.

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

Lyd er kendetegnet ved dens frekvens. I henhold til dem, som det menneskelige øre kan fange, klassificeres alle lyde i tre kategorier: dem, som vi kan høre eller det hørbare spektrum, dem, der har en frekvens under den nedre grænse for det hørbare spektrum eller infrasound, og dem, der er over det hørbare spektrum. øvre grænse, kaldet ultralyd.

Under alle omstændigheder, da lydbølger kan overlappe lineært, består hverdagslyde, som vi undertiden fortolker som unikke, faktisk af forskellige lyde med forskellige, men nære frekvenser.

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

Hørbart spektrum

Det menneskelige øre er designet til at samle en lang række frekvenser: mellem 20 og 20.000 Hz, men ikke alle frekvenser i dette område opfattes med samme intensitet.

Øret er mere følsomt i frekvensbåndet mellem 500 og 6.000 Hz, men der er andre faktorer, der påvirker evnen til at opfatte lyd, såsom alder.

infralyd

Det er lyde, hvis frekvens er mindre end 20 Hz, men det faktum, at mennesker ikke kan høre dem, betyder ikke, at andre dyr ikke kan. For eksempel bruger elefanter dem til at kommunikere, da infrasound kan rejse lange afstande.

Andre dyr, såsom tigeren, bruger dem til at bedøve deres bytte. Infrasound bruges også til detektion af store genstande.

Ultralyd

De har frekvenser over 20.000 Hz og er vidt brugt i mange felter. En af de mest bemærkelsesværdige anvendelser af ultralyd er som værktøj til medicin, både til diagnosticering og til behandling. Billederne opnået ved ultralyd er ikke-invasive og bruger ikke ioniserende stråling.

Ultralyd bruges også til at finde fejl i strukturer, bestemme afstande, opdage forhindringer under navigation osv. Dyr bruger også ultralyd, og det er sådan, hvordan eksistensen blev opdaget.

Flagermus udsender lydimpulser og fortolker derefter ekkoet, de producerer for at estimere afstande og lokalisere byttedyr. På deres side kan hunde også høre ultralyd, og det er derfor, de reagerer på hundefløjten, som deres ejer ikke kan høre.

Monofon lyd og stereofon lyd

Figur 4. I et optagestudio modificeres lyden korrekt af elektroniske enheder. Kilde: Pixabay.

Monofonisk lyd er et signal optaget med en enkelt mikrofon eller lydkanal. Når du lytter med hovedtelefoner eller lydhorn, hører begge ører nøjagtig den samme ting. I modsætning hertil optager stereofonisk lyd signaler med to uafhængige mikrofoner.

Mikrofonerne er placeret i forskellige positioner, så de kan hente forskellige lydtryk af, hvad du vil optage.

Så modtager hvert øre et af disse sæt signaler, og når hjernen samler og fortolker dem, er resultatet meget mere realistisk end når man lytter til monofoniske lyde. Det er derfor den foretrukne metode, når det kommer til musik og film, selvom monofon eller monaural lyd stadig bruges i radio, især til interviews og samtaler.

Homofoni og polyfoni

Musikalt set består homofoni af den samme melodi, der spilles af to eller flere stemmer eller instrumenter. På den anden side er der i polyfoni to eller flere stemmer eller instrumenter af samme betydning, der følger melodier og endda forskellige rytmer. Det resulterende ensemble af disse lyde er harmonisk, såsom musik fra Bach.

Bas- og diskantlyde

Det menneskelige øre skelner hørbare frekvenser som høje, lave eller mellemstore. Det er det, der kaldes lydens tonehøjde.

De højeste frekvenser, mellem 1600 og 20.000 Hz, betragtes som akutte lyde, båndet mellem 400 og 1600 Hz svarer til lyde med en medium tone, og til sidst er frekvenserne i området fra 20 til 400 Hz bastoner.

Baslyde adskiller sig fra diskant, idet førstnævnte opfattes som dyb, mørk og blomstrende, mens sidstnævnte er lys, klar, glad og gennemtrængende. Øret tolker dem også som mere intense, i modsætning til baslyde, der giver følelsen af ​​mindre intensitet.

Referencer

1. Figueroa, D. 2005. Bølger og kvantefysik. Serie: Fysik til videnskab og teknik. Redigeret af D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Noter om musikalsk akustik. Gendannes fra: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysik til videnskab og teknik. Bind 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Akustik. Gendannet fra: es.wikipedia.org.