ÄÄNI: HISTORIA, OMINAISUUDET, MITEN SE TUOTETAAN, TYYPIT - FYYSINEN

Ääni määritellään häiriö etenevää väliaineessa kuten ilma, vuorotellen se tuottaa paineluja ja laajennuksia sen. Nämä ilmanpaineen ja tiheyden muutokset saavuttavat korvan, ja aivot tulkitsevat niitä kuulona tunneiksi.

Äänet ovat seuranneet elämää sen alusta lähtien, muodostaen osan työkaluista, jotka eläinten on kommunikoitava keskenään ja ympäristönsä kanssa. Jotkut sanovat, että kasvit myös kuuntelevat, mutta joka tapauksessa he pystyivät havaitsemaan ympäristön tärinän, vaikka heillä ei olisi kuulolaitetta, kuten korkeammilla eläimillä.

Kuva 1. Äänesteen repeämä

Sen lisäksi, että ääntä käytetään kommunikoimaan puheen kautta, ihmiset käyttävät sitä äänen kautta myös taiteellisena ilmaisuna. Kaikilla muinaisilla ja uusilla kulttuureilla on kaikenlaisia musiikillisia ilmenemismuotoja, joiden kautta he kertovat tarinansa, tavansa, uskonnolliset vakaumuksensa ja tunteensa.

Historia

Ihmiskunta kiinnostui sen tärkeyden vuoksi luonteen tutkimisesta ja loi akustiikan, fysiikan haaran, joka on omistettu ääniaaltojen ominaisuuksille ja käyttäytymiselle.

On tunnettua, että kuuluisa matemaatikko Pythagoras (569-475 eKr.) Vietti kauan tutkimalla äänien korkeuden (taajuuden) eroja. Toisaalta Aristoteles, joka spekuloi kaikista luonnon näkökohdista, väitti oikein, että ääni koostui ilmassa olevista laajenemisista ja puristuksista.

Myöhemmin kuuluisa roomalainen insinööri Vitruvius (80-15 eKr.) Kirjoitti tutkielman akustiikasta ja sen sovelluksista teatterien rakentamiseen. Isaac Newton itse (1642-1727) tutki äänen leviämistä kiinteissä väliaineissa ja määritteli kaavan sen leviämisnopeudelle.

Ajan myötä matemaattiset laskentatyökalut tekivät mahdolliseksi ilmaista riittävästi kaikki aallon käyttäytymisen monimutkaisuudet.

Äänen ominaisuudet (ominaisuudet)

Ääni-aaltoa voidaan yksinkertaisimmassa muodossaan kuvata sinusoidaalisena aallona, joka etenee ajassa ja tilassa, kuten kuvassa 2. Siinä havaitaan, että aalto on jaksollista, ts. Sillä on tapa, joka toistuu ajoissa.

Koska se on pitkittäisaalto, etenemissuunta ja suunta, jossa värisevän aineen hiukkaset liikkuvat, ovat samat.

Ääniaallon parametrit

Kuva 2. Ääni on pitkittäisaalto, häiriö etenee samaan suuntaan, johon molekyylit siirtyvät. Lähde: Wikimedia Commons.

Ääniaallon parametrit ovat:

Aika T: on aika, joka kuluu aallon vaiheen toistamiseen. Kansainvälisessä järjestelmässä se mitataan sekunneissa.

Sykli: on ajanjakson sisältämä aallon osa, joka kattaa pisteestä toiseen, jolla on sama korkeus ja sama kaltevuus. Se voi olla laaksosta toiseen, harjanteelta toiselle tai pisteestä toiseen, joka vastaa kuvattua määritelmää.

Aallonpituus λ: on etäisyys yhden aallonharjan ja toisen aallon välillä, yhden laakson ja toisen välillä tai yleensä yhden pisteen ja seuraavan välillä samalla korkeudella ja kaltevuudella. Pituutena se mitataan metreinä, vaikka muut yksiköt ovat sopivampia aallon tyypistä riippuen.

Taajuus f: määritellään jaksojen lukumääräksi aikayksikköä kohti. Sen yksikkö on Hertz (Hz).

Amplitudi A: vastaa aallon enimmäiskorkeutta vaaka-akseliin nähden.

Kuinka ääni tuotetaan ja leviää?

Ääni syntyy, kun esineeseen, joka on upotettu materiaaliväliaineeseen, värisee, kuten kuvan 2 alaosassa esitetään. Vasemmalla olevan kaiuttimen kireä kalvo värisee ja välittää häiriön ilman läpi, kunnes tavoittaa kuuntelijan.

Häiriön leviämisen myötä energia välittyy ympäristössä oleviin molekyyleihin, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa laajenemisten ja puristusten kautta. Tarvitset aina materiaalivälineen äänen leviämiseen, olipa se kiinteä, nestemäinen tai kaasullinen.

Kun ilmassa esiintyvä häiriö saavuttaa korvan, ilmanpaineen vaihtelut aiheuttavat korvan värähtelyn. Tämä synnyttää sähköisiä impulsseja, jotka siirretään aivoihin kuulohermon kautta, ja kun impulssit muutetaan ääniksi.

Äänen nopeus

Mekaanisten aaltojen nopeus tietyssä väliaineessa seuraa tätä suhdetta:

Esimerkiksi kun leviää kaasussa, kuten ilmassa, äänen nopeus voidaan laskea seuraavasti:

Lämpötilan noustessa myös äänen nopeus kasvaa, koska väliaineessa olevat molekyylit ovat halukkaampia värähtelemään ja välittämään tärinää liikkeidensa kautta. Paine toisaalta ei vaikuta sen arvoon.

Aallonpituuden ja taajuuden välinen suhde

Olemme jo nähneet, että aika, joka kuluu aallon suorittamiseen jaksolle, on ajanjakso, kun taas kyseisenä ajanjaksona kuljettu matka on yhtä aallonpituutta. Siksi äänen nopeus v määritetään seuraavasti:

Toisaalta taajuus ja ajanjakso liittyvät toisiinsa, toinen on käänteinen toiselle, kuten tämä:

Joka johtaa:

Äänen taajuusalue ihmisillä on välillä 20 - 20 000 Hz, joten äänen aallonpituus on 1,7 cm - 17 m, kun korvataan yllä olevan yhtälön arvot.

Nämä aallonpituudet ovat yhteisten esineiden kokoa, mikä vaikuttaa äänen etenemiseen, koska koska aalto, se kokee heijastuksen, taittumisen ja diffraktion kohdatessaan esteitä.

Difraktion kokeminen tarkoittaa, että ääni vaikuttaa, kun se kohtaa esteitä ja aukkoja, jotka ovat lähellä tai pienempiä kuin sen aallonpituus.

Bassoäänet kykenevät parhaiten leviämään pitkille etäisyyksille, minkä vuoksi elefantit käyttävät infrapunaääntä (erittäin matalataajuisia ääniä, jotka eivät kuulu ihmiskorvaan) kommunikoidakseen valtavien alueidensa välillä.

Myös kun lähellä olevassa huoneessa on musiikkia, basso kuuluu paremmin kuin diskantti, koska sen aallonpituus on suunnilleen ovien ja ikkunoiden kokoinen. Toisaalta poistuessaan huoneesta korkeat äänet katoavat helposti ja lopettavat sen vuoksi kuulon.

Kuinka ääni mitataan?

Ääni koostuu sarjasta ilman puristuksia ja harvinaisia fraktioita siten, että sen levittäessä ääni aiheuttaa paineen nousua ja laskua. Kansainvälisessä järjestelmässä paine mitataan passaaleissa, josta käytetään lyhennettä Pa.

Mitä tapahtuu, on, että nämä muutokset ovat hyvin pieniä verrattuna ilmanpaineeseen, jonka arvo on noin 101 000 Pa.

Jopa kovimmatkin äänet tuottavat heilahduksia jopa 20-30 Pa (kipukynnys), melko pieni määrä verrattuna. Mutta jos pystyt mittaamaan nämä muutokset, sinulla on tapa mitata ääni.

Äänenpaine on ilmakehän paineen ja äänen ilmanpaineen välinen ero. Kuten olemme sanoneet, kovimmat äänet tuottavat 20 Pa äänenpaineita, kun taas heikoimmat äänet aiheuttavat noin 0,00002 Pa (äänikynnys).

Koska äänipainealue vaihtelee useilla voimilla 10, niiden ilmaisemiseksi tulisi käyttää logaritmista asteikkoa.

Toisaalta kokeellisesti määritettiin, että ihmiset havaitsevat muutokset matalan voimakkuuden äänissä huomattavasti enemmän kuin saman suuruiset, mutta voimakkaat äänet.

Esimerkiksi, jos äänenpaine kasvaa 1, 2, 4, 8, 16…, korva havaitsee voimakkuuden lisääntymisen 1, 2, 3, 4…. Tästä syystä on kätevää määritellä uusi määrä, jota kutsutaan äänenpainetasoksi (äänenpainetaso) L _P, joka määritetään seuraavasti:

Missä P _o on referenssipaine, joka otetaan kuulokynnykseksi ja P ₁ on keskimääräinen efektiivinen paine tai RMS-paine. Korva havaitsee tämän RMS: n tai keskimääräisen paineen äänisignaalin keskimääräisenä energiana.

desibeliä

Tuloksena edellä olevan yhtälön L _P, kun arvioitiin eri arvoja P ₁, on annettu desibeleinä, on dimensioton määrä. Äänipaineen tason ilmaiseminen tällä tavoin on erittäin kätevää, koska logaritmit muuntaa suuret numerot pienemmiksi, hallittavimmiksi numeroiksi.

Kuitenkin monissa tapauksissa on edullista käyttää äänenvoimakkuutta decibelien määrittämiseen äänenpaineen sijasta.

Äänenvoimakkuus on energia, joka virtaa sekunnin ajan (teho) yksikön pinnan läpi, joka on suunnattu kohtisuoraan aallon etenemissuuntaan nähden. Äänenpaineen tavoin se on skalaarimäärä ja sitä merkitään I. I-yksiköt ovat W / m ², eli teho yksikköä kohti.

Voidaan osoittaa, että äänen voimakkuus on verrannollinen äänenpaineen neliöön:

Tässä lausekkeessa ρ on väliaineen tiheys ja c on äänen nopeus. Silloin äänen voimakkuustaso L _I määritetään seuraavasti:

Joka ilmaistaan desibeleinä ja jota toisinaan merkitään kreikkalaisella kirjaimella β. Viitearvo I _o on 1 x 10 - ¹² W / m ². Siten 0 dB edustaa ihmisen kuulon alarajaa, kun taas kipuraja on 120 dB.

Koska se on logaritminen asteikko, on korostettava, että pienet erot detsibellien lukumäärässä aiheuttavat suuren eron äänen voimakkuudessa.

Äänitasomittari

Äänenvoimakkuuden mittari tai detsibelmetri on laite, jota käytetään äänenpaineen mittaamiseen. Se on suunniteltu reagoimaan siihen samalla tavalla kuin ihmisen korva.

Kuva 3. Äänenvoimakkuuden mittaria tai detsibelmetriä käytetään äänenpainetason mittaamiseen. Lähde: Wikimedia Commons.

Se koostuu mikrofonista signaalin keräämiseksi, useammista vahvistimilla ja suodattimilla varustetuista piireistä, jotka vastaavat tämän signaalin riittävästä muuttamisesta sähkövirraksi, ja lopuksi asteikosta tai näytöstä lukeman tuloksen näyttämiseksi.

Niitä käytetään laajalti määrittämään tiettyjen melujen vaikutukset ihmisiin ja ympäristöön. Esimerkiksi melu tehtaissa, teollisuudessa, lentokentillä, liikenteen melu ja monet muut.

Äänityypit (infrapuna, ultraääni, mono, stereo, moniääninen, homofoninen, basso, diskantti)

Ääntä luonnehtii sen taajuus. Niiden mukaan, jotka ihmisen korva pystyy sieppaamaan, kaikki äänet luokitellaan kolmeen luokkaan: ne, jotka voimme kuulla tai kuuluva taajuusspektri, sellaiset, joiden taajuus on alle kuultavan spektrin tai infrapunasäteen alarajan, ja ne, jotka ovat kuultavan spektrin yläpuolella. yläraja, nimeltään ultraääni.

Joka tapauksessa, koska ääniaallot voivat olla päällekkäisiä lineaarisesti, arjen äänet, jotka tulkitsemme joskus ainutlaatuisiksi, koostuvat tosiasiallisesti eri äänistä, joilla on erilaiset, mutta läheiset taajuudet.

Kuva 4. Äänen spektri- ja taajuusalueet. Lähde: Wikimedia Commons.

Kuultava spektri

Ihmiskorva on suunniteltu ottamaan vastaan laaja taajuusalue: välillä 20 - 20 000 Hz, mutta kaikkia tämän alueen taajuuksia ei havaita samalla voimakkuudella.

Korva on herkempi taajuusalueella 500–6000 Hz, mutta äänen havaitsemiseen vaikuttavat myös muut tekijät, kuten ikä.

infraääni

Ne ovat ääniä, joiden taajuus on alle 20 Hz, mutta se, että ihmiset eivät kuule niitä, ei tarkoita, että muut eläimet eivät. Esimerkiksi norsut käyttävät niitä kommunikointiin, koska infrapuna voi kulkea pitkiä matkoja.

Muut eläimet, kuten tiikeri, käyttävät niitä tappoon saaliinsa. Infraääntä käytetään myös suurten esineiden havaitsemiseen.

Ultraääni

Niiden taajuudet ovat yli 20 000 Hz ja niitä käytetään laajalti monilla aloilla. Yksi ultraäänen merkittävimmistä käyttötavoista on lääketieteellinen työkalu, sekä diagnoosi että hoito. Ultraäänellä saadut kuvat eivät ole invasiivisia, eivätkä ne sisällä ionisoivaa säteilyä.

Ultraääniä käytetään myös vikojen löytämiseen rakenteissa, etäisyyksien määrittämiseen, esteiden havaitsemiseen navigoinnin aikana ja paljon muuta. Eläimet hyödyntävät myös ultraääntä, ja itse asiassa sen olemassaolo havaittiin.

Lepakot lähettävät äänipulsseja ja tulkitsevat sitten tuottamansa kaiun etäisyyksien arvioimiseksi ja saaliin löytämiseksi. Koirat puolestaan kuulevat myös ultraääniä, ja siksi he reagoivat koiran pilliin, jota omistaja ei kuule.

Monofoninen ääni ja stereofoninen ääni

Kuva 4. Äänitysstudiossa ääntä muutetaan asianmukaisesti elektronisilla laitteilla. Lähde: Pixabay.

Monofoninen ääni on yhdellä mikrofonilla tai äänikanavalla tallennettu signaali. Kuuntelemalla kuulokkeilla tai äänitorveilla molemmat korvat kuulevat täsmälleen saman asian. Sitä vastoin stereofoninen ääni tallentaa signaaleja kahdella riippumattomalla mikrofonilla.

Mikrofonit sijaitsevat eri kohdissa, jotta ne voivat poimia erilaisia äänenpaineita siitä mitä haluat nauhoittaa.

Sitten jokainen korva saa yhden näistä signaalijoukoista, ja kun aivot keräävät ja tulkitsevat niitä, tulos on paljon realistisempi kuin monofonisia ääniä kuunneltaessa. Siksi se on ensisijainen menetelmä musiikin ja elokuvien suhteen, vaikka monofonista tai monoääntä käytetään edelleen radiossa, etenkin haastatteluihin ja keskusteluihin.

Homofonia ja moniäänisyys

Musiikillisesti homofonia koostuu samasta melodiasta, jota soittavat kaksi tai useampi ääni tai instrumentti. Toisaalta polyfoniassa on kaksi tai useampia samanarvoisia ääniä tai instrumentteja, jotka seuraavat melodioita ja jopa erilaisia rytmejä. Tuloksena oleva näiden äänien kokonaisuus on harmoninen, kuten Bachin musiikki.

Basson ja diskantin äänet

Ihmisen korva erottaa kuultavat taajuudet korkeiksi, alhaisiksi tai keskitasoiksi. Tätä kutsutaan äänen sävelkorkeudeksi.

Suurimpia taajuuksia, välillä 1600 - 20 000 Hz, pidetään akuuteina ääninä, kaista välillä 400 - 1600 Hz vastaa keskimääräisen äänen ääniä ja viimeisenä, taajuudet alueella 20 - 400 Hz ovat bassoääniä.

Bassoäänet eroavat diskantista siinä, että ensimmäiset nähdään syviksi, tummiksi ja kukoistaviksi, kun taas jälkimmäiset ovat kevyitä, selkeitä, iloisia ja lävistäviä. Korva tulkitsee ne myös voimakkaammiksi toisin kuin bassoäänet, jotka tuottavat vähemmän voimakkuuden tunteen.

Viitteet

Figueroa, D. 2005. Aallot ja kvanttifysiikka. Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Toimittanut D. Figueroa.
Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. 6th. Ed Prentice Hall.
Rocamora, A. Muistiinpanoja musiikkiakustikasta. Palautettu osoitteesta: eumus.edu.uy.
Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysiikka tiedettä ja tekniikkaa varten. Nide 1. 7.. Ed. Cengage Learning.
Wikipedia. Akustiikka. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.

ÄÄNI: HISTORIA, OMINAISUUDET, MITEN SE TUOTETAAN, TYYPIT - FYYSINEN - 2026