- Geschiedenis
- Geluidseigenschappen (eigenschappen)
- Geluidsgolf parameters
- Hoe wordt geluid geproduceerd en verspreid?
- Snelheid van geluid
- Verband tussen golflengte en frequentie
- Hoe wordt geluid gemeten?
- Decibel
- De geluidsniveaumeter
- Geluidstypen (infrageluid, ultrasoon, mono, stereo, polyfoon, homofoon, bas, hoge tonen)
- Hoorbaar spectrum
- Infrageluid
- Echografie
- Monofoon geluid en stereogeluid
- Homofonie en polyfonie
- Lage en hoge tonen
- Referenties
Het geluid wordt gedefinieerd als een verstoring van de voortplanting in een medium zoals lucht, afwisselend produceert het compressies en expansies erin. Deze veranderingen in luchtdruk en dichtheid bereiken het oor en worden door de hersenen geïnterpreteerd als auditieve gewaarwordingen.
Geluiden begeleiden het leven sinds het begin en maken deel uit van de instrumenten die dieren hebben om met elkaar en met hun omgeving te communiceren. Sommige mensen beweren dat planten ook luisteren, maar in elk geval kunnen ze de trillingen van de omgeving waarnemen, zelfs als ze geen gehoorapparaat hebben zoals hogere dieren.
Figuur 1. Breuk van de geluidsscherm
Naast het gebruik van geluid om via spraak te communiceren, gebruiken mensen het ook als een artistieke expressie door middel van muziek. Alle culturen, oud en recent, hebben allerlei soorten muzikale manifestaties, waardoor ze hun verhalen, gebruiken, religieuze overtuigingen en gevoelens vertellen.
Geschiedenis
Vanwege het belang ervan raakte de mensheid geïnteresseerd in het bestuderen van de aard ervan en creëerde ze akoestiek, een tak van de fysica die zich toelegt op de eigenschappen en het gedrag van geluidsgolven.
Het is bekend dat de beroemde wiskundige Pythagoras (569-475 v.Chr.) Lange tijd de verschillen in hoogte (frequentie) tussen klanken bestudeerde. Aan de andere kant beweerde Aristoteles, die over alle aspecten van de natuur speculeerde, terecht dat geluid bestond uit uitzettingen en compressies in de lucht.
Later schreef de beroemde Romeinse ingenieur Vitruvius (80-15 v.Chr.) Een verhandeling over akoestiek en de toepassingen ervan bij de bouw van theaters. Isaac Newton zelf (1642-1727) bestudeerde de voortplanting van geluid in vaste media en stelde een formule vast voor de voortplantingssnelheid.
In de loop van de tijd hebben de wiskundige rekenhulpmiddelen het mogelijk gemaakt om alle complexiteit van golfgedrag adequaat uit te drukken.
Geluidseigenschappen (eigenschappen)
In zijn eenvoudigste vorm kan een geluidsgolf worden omschreven als een sinusvormige golf, die zich voortplant in tijd en ruimte, zoals weergegeven in figuur 2. Daar wordt opgemerkt dat de golf periodiek is, dat wil zeggen dat hij een een manier die zich in de tijd herhaalt.
Omdat het een longitudinale golf is, zijn de voortplantingsrichting en de richting waarin de deeltjes van het trillende medium bewegen hetzelfde.
Geluidsgolf parameters
Figuur 2. Geluid is een longitudinale golf, de verstoring plant zich voort in dezelfde richting waarin de moleculen hun verplaatsing ervaren. Bron: Wikimedia Commons.
De parameters van een geluidsgolf zijn:
Periode T: is de tijd die nodig is om een fase van de golf te herhalen. In het internationale systeem wordt het gemeten in seconden.
Cyclus : is het deel van de golf dat zich in de periode bevindt en van het ene punt naar het andere loopt met dezelfde hoogte en dezelfde helling. Het kan van de ene vallei naar de andere zijn, van de ene bergkam naar de andere, of van het ene punt naar het andere dat voldoet aan de beschreven specificatie.
Golflengte λ : is de afstand tussen de ene top en de andere van de golf, tussen de ene vallei en de andere, of in het algemeen tussen het ene punt en het volgende met dezelfde hoogte en helling. Omdat het een lengte is, wordt het gemeten in meters, hoewel andere eenheden geschikter zijn, afhankelijk van het type golf.
Frequentie f : wordt gedefinieerd als het aantal cycli per tijdseenheid. De eenheid is de Hertz (Hz).
Amplitude A: komt overeen met de maximale hoogte van de golf ten opzichte van de horizontale as.
Hoe wordt geluid geproduceerd en verspreid?
Er wordt geluid geproduceerd wanneer een object dat is ondergedompeld in een materiaalmedium, wordt getrild, zoals weergegeven aan de onderkant van figuur 2. Het strakke membraan van de luidspreker aan de linkerkant trilt en brengt de storing door de lucht totdat bereikt de luisteraar.
Naarmate de storing zich verspreidt, wordt energie overgedragen aan de moleculen in de omgeving, die met elkaar in wisselwerking staan, door middel van expansies en compressies. Je hebt altijd een materieel medium nodig voor de voortplanting van geluid, of het nu vast, vloeibaar of gasvormig is.
Wanneer de verstoring in de lucht het oor bereikt, zorgen variaties in luchtdruk ervoor dat het trommelvlies gaat trillen. Hierdoor ontstaan elektrische impulsen die via de gehoorzenuw naar de hersenen worden gestuurd, en eenmaal daar worden de impulsen omgezet in geluid.
Snelheid van geluid
De snelheid van mechanische golven in een bepaald medium volgt deze relatie:
Wanneer het zich bijvoorbeeld voortplant in een gasachtige lucht, kan de geluidssnelheid worden berekend als:
Naarmate de temperatuur toeneemt, neemt ook de geluidssnelheid toe, aangezien de moleculen in het medium meer bereid zijn om te trillen en de trilling door hun bewegingen overbrengen. De druk daarentegen heeft geen invloed op de waarde ervan.
Verband tussen golflengte en frequentie
We hebben al gezien dat de tijd die de golf nodig heeft om een cyclus te voltooien de periode is, terwijl de afstand die in die periode wordt afgelegd gelijk is aan één golflengte. Daarom wordt de geluidssnelheid v gedefinieerd als:
Aan de andere kant zijn de frequentie en de periode gerelateerd, de ene is het omgekeerde van de andere, als volgt:
Wat leidt tot:
Het hoorbare frequentiebereik bij mensen ligt tussen 20 en 20.000 Hz, daarom ligt de golflengte van geluid tussen 1,7 cm en 17 m wanneer de waarden in de bovenstaande vergelijking worden vervangen.
Deze golflengten hebben de grootte van gewone objecten, wat de voortplanting van geluid beïnvloedt, aangezien het een golf is, die reflectie, breking en diffractie ervaart wanneer het obstakels tegenkomt.
Het ervaren van diffractie betekent dat geluid wordt beïnvloed wanneer het obstakels en openingen tegenkomt die dichtbij of kleiner zijn dan de golflengte.
Basgeluiden kunnen zich beter over lange afstanden verspreiden, en daarom gebruiken olifanten infrageluid (zeer laagfrequente geluiden, onhoorbaar voor het menselijk oor) om over hun uitgestrekte territoria te communiceren.
Ook als er muziek is in een nabijgelegen kamer, is de bas beter te horen dan de hoge tonen, omdat de golflengte ongeveer zo groot is als deuren en ramen. Aan de andere kant gaan de hoge tonen bij het verlaten van de kamer gemakkelijk verloren en worden ze daarom niet meer gehoord.
Hoe wordt geluid gemeten?
Geluid bestaat uit een reeks compressies en verdunningen van de lucht, op een zodanige manier dat als het zich voortplant, het geluid toe- en afneemt in druk. In het internationale systeem wordt de druk gemeten in pascal, afgekort Pa.
Wat er gebeurt, is dat deze veranderingen erg klein zijn in vergelijking met de atmosferische druk, die ongeveer 101.000 Pa waard is.
Zelfs de luidste geluiden produceren fluctuaties van slechts 20-30 Pa (pijngrens), een vrij kleine hoeveelheid in vergelijking. Maar als je die veranderingen kunt meten, dan heb je een manier om geluid te meten.
Geluidsdruk is het verschil tussen atmosferische druk met geluid en atmosferische druk zonder geluid. Zoals we al zeiden, produceren de luidste geluiden een geluidsdruk van 20 Pa, terwijl de zwakste ongeveer 0,00002 Pa (geluidsdrempel) veroorzaken.
Aangezien het bereik van geluidsdrukken verschillende machten van 10 omvat, moet een logaritmische schaal worden gebruikt om ze aan te geven.
Anderzijds werd experimenteel vastgesteld dat mensen veranderingen in geluiden met een lage intensiteit merkbaarder waarnemen dan veranderingen van dezelfde grootte, maar in intense geluiden.
Als de geluidsdruk bijvoorbeeld met 1, 2, 4, 8, 16… toeneemt, neemt het oor een intensiteit van 1, 2, 3, 4… waar. Om deze reden is het handig om een nieuwe hoeveelheid te definiëren, genaamd geluidsdrukniveau (Sound Pressure Level) L P , gedefinieerd als:
Waarbij P o de referentiedruk is die wordt gebruikt als de gehoordrempel en P 1 de gemiddelde effectieve druk of RMS-druk is. Deze RMS of gemiddelde druk is wat het oor waarneemt als de gemiddelde energie van het geluidssignaal.
Decibel
Het resultaat van de bovenstaande uitdrukking voor L P , wanneer geëvalueerd voor verschillende waarden van P 1 , wordt gegeven in decibel, een dimensieloze grootheid. Het is erg handig om het geluidsdrukniveau zo uit te drukken, omdat logaritmen grote getallen omzetten in kleinere, beter beheersbare getallen.
In veel gevallen heeft het echter de voorkeur om de geluidsintensiteit te gebruiken om het decibel te bepalen, in plaats van de geluidsdruk.
Geluidsintensiteit is de energie die gedurende één seconde (vermogen) door een eenheidsoppervlak stroomt, loodrecht op de richting waarin de golf zich voortplant. Net als geluidsdruk is het een scalaire grootheid en wordt het aangeduid als I. De eenheden van I zijn W / m 2 , dat wil zeggen het vermogen per oppervlakte-eenheid.
Aangetoond kan worden dat de intensiteit van het geluid evenredig is met het kwadraat van de geluidsdruk:
In deze uitdrukking is ρ de dichtheid van het medium en is c de geluidssnelheid. Vervolgens wordt het geluidsintensiteitsniveau L I gedefinieerd als:
Dat wordt ook uitgedrukt in decibel en wordt soms aangeduid met de Griekse letter β. De referentiewaarde I o is 1 x 10-12 W / m 2 . Zo vertegenwoordigt 0 dB de ondergrens van het menselijk gehoor, terwijl de pijngrens 120 dB is.
Omdat het een logaritmische schaal is, moet worden benadrukt dat kleine verschillen in het aantal decibel een groot verschil maken in termen van geluidsintensiteit.
De geluidsniveaumeter
Een geluidsniveaumeter of decibelmeter is een apparaat dat wordt gebruikt om de geluidsdruk te meten, waarmee de meting in decibel wordt aangegeven. Het is ontworpen om er op dezelfde manier op te reageren als het menselijk oor.
Figuur 3. De geluidsniveaumeter of decibelmeter wordt gebruikt om het geluidsdrukniveau te meten. Bron: Wikimedia Commons.
Het bestaat uit een microfoon om het signaal op te vangen, meer circuits met versterkers en filters, die verantwoordelijk zijn voor het adequaat omzetten van dit signaal in een elektrische stroom, en tenslotte een schaal of een scherm om het resultaat van de uitlezing weer te geven.
Ze worden veel gebruikt om de impact van bepaalde geluiden op mens en omgeving te bepalen. Bijvoorbeeld geluiden in fabrieken, industrieën, luchthavens, verkeerslawaai en vele andere.
Geluidstypen (infrageluid, ultrasoon, mono, stereo, polyfoon, homofoon, bas, hoge tonen)
Geluid wordt gekenmerkt door zijn frequentie. Volgens de geluiden die het menselijk oor kan opvangen, worden alle geluiden ingedeeld in drie categorieën: geluiden die we kunnen horen of het hoorbare spectrum, geluiden die een frequentie hebben onder de ondergrens van het hoorbare spectrum of infrageluid, en geluiden die boven het hoorbare spectrum liggen. bovengrens, echografie genoemd.
In elk geval, aangezien geluidsgolven lineair kunnen overlappen, bestaan alledaagse geluiden, die we soms als uniek interpreteren, in feite uit verschillende geluiden met verschillende maar dicht bij elkaar liggende frequenties.
Figuur 4. Geluidsspectrum en frequentiebereiken. Bron: Wikimedia Commons.
Hoorbaar spectrum
Het menselijk oor is ontworpen om een breed frequentiebereik op te vangen: tussen 20 en 20.000 Hz, maar niet alle frequenties in dit bereik worden met dezelfde intensiteit waargenomen.
Het oor is gevoeliger in de frequentieband tussen 500 en 6.000 Hz. Er zijn echter andere factoren die het waarnemen van geluid beïnvloeden, zoals leeftijd.
Infrageluid
Het zijn geluiden met een frequentie van minder dan 20 Hz, maar het feit dat mensen ze niet kunnen horen, betekent niet dat andere dieren dat niet kunnen. Olifanten gebruiken ze bijvoorbeeld om te communiceren, aangezien infrageluid lange afstanden kan afleggen.
Andere dieren, zoals de tijger, gebruiken ze om hun prooi te verdoven. Infrageluid wordt ook gebruikt bij het detecteren van grote objecten.
Echografie
Ze hebben frequenties hoger dan 20.000 Hz en worden op veel gebieden gebruikt. Een van de meest opvallende toepassingen van echografie is als medisch hulpmiddel, zowel voor diagnostiek als voor behandeling. De met echografie verkregen beelden zijn niet-invasief en gebruiken geen ioniserende straling.
Echo's worden ook gebruikt om fouten in constructies op te sporen, afstanden te bepalen, obstakels tijdens navigatie te detecteren en meer. Dieren maken ook gebruik van echografie, en zo is in feite het bestaan ervan ontdekt.
Vleermuizen zenden geluidspulsen uit en interpreteren vervolgens de echo die ze produceren om afstanden te schatten en prooien te lokaliseren. Honden van hun kant kunnen ook echo's horen en daarom reageren ze op het hondenfluitje dat hun baasje niet kan horen.
Monofoon geluid en stereogeluid
Figuur 4. In een opnamestudio wordt geluid op de juiste manier aangepast door elektronische apparaten. Bron: Pixabay.
Monofoon geluid is een signaal dat is opgenomen met een enkele microfoon of audiokanaal. Bij het luisteren met een koptelefoon of hoorns horen beide oren precies hetzelfde. Stereofonisch geluid neemt daarentegen signalen op met twee onafhankelijke microfoons.
De microfoons zijn op verschillende posities geplaatst, zodat ze verschillende geluidsdrukken kunnen opvangen van wat u wilt opnemen.
Dan ontvangt elk oor een van deze sets signalen, en wanneer de hersenen ze verzamelen en interpreteren, is het resultaat veel realistischer dan wanneer je naar monofone geluiden luistert. Het is daarom de geprefereerde methode als het gaat om muziek en film, hoewel monofoon of monogeluid nog steeds wordt gebruikt op de radio, vooral voor interviews en gesprekken.
Homofonie en polyfonie
Muzikaal gezien bestaat homofonie uit dezelfde melodie gespeeld door twee of meer stemmen of instrumenten. Aan de andere kant zijn er bij polyfonie twee of meer stemmen of instrumenten van even groot belang die melodieën en zelfs verschillende ritmes volgen. Het resulterende ensemble van deze klanken is harmonieus, zoals de muziek van Bach.
Lage en hoge tonen
Het menselijk oor onderscheidt hoorbare frequenties als hoog, laag of gemiddeld. Dit is wat bekend staat als de toonhoogte van het geluid.
De hoogste frequenties, tussen 1600 en 20.000 Hz, worden als acute geluiden beschouwd, de band tussen 400 en 1600 Hz komt overeen met geluiden met een middentoon en tenslotte zijn de frequenties in het bereik van 20 tot 400 Hz de bastonen.
Basgeluiden verschillen van hoge tonen doordat de eerste worden waargenomen als diep, donker en dreunend, terwijl de laatste licht, helder, vrolijk en doordringend zijn. Het oor interpreteert ze ook als intenser, in tegenstelling tot basgeluiden, die het gevoel van minder intensiteit produceren.
Referenties
- Figueroa, D. 2005. Golven en kwantumfysica. Serie: Physics for Science and Engineering. Bewerkt door D. Figueroa.
- Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
- Rocamora, A. Opmerkingen over muzikale akoestiek. Hersteld van: eumus.edu.uy.
- Serway, R., Jewett, J. (2008). Physics for Science and Engineering. Deel 1. 7e. Ed. Cengage Learning.
- Wikipedia. Akoestiek. Hersteld van: es.wikipedia.org.