Sunetul – Unde sonore

(Figura 1 Principiul ecolocalizării liliecilor: portocaliul este chemarea și verdele este ecoul. Auzul este un simț uman important care poate detecta frecvențe ale sunetului, cuprinse între 20 Hz și 20 kHz. Cu toate acestea, alte specii au intervale de auz foarte diferite. Liliecii, de exemplu, emit clicuri în ultrasunete, folosind frecvențe de peste 20 kHz. Ei pot detecta insectele din apropiere auzind ecoul acestor clicuri ultrasonice. Ultrasunetele sunt importante în mai multe aplicații umane, inclusiv în sondarea structurilor interioare ale corpului uman, Pământului și Soarelui. Ultrasunetele sunt, de asemenea, utile în industrie pentru teste nedistructive.)

Sunetul este un exemplu de undă mecanică, în special o undă de presiune: undele sonore se deplasează prin aer și alte medii ca oscilații ale moleculelor. Auzul uman normal cuprinde o gamă impresionantă de frecvențe de la 20 Hz la 20 kHz. Sunetele sub 20 Hz se numesc infrasunete, în timp ce cele peste 20 kHz se numesc ultrasunete. Unele animale, cum ar fi liliacul prezentat în Figura 1, pot auzi sunete în domeniul ultrasonic.

Multe dintre conceptele abordate în Unde au aplicații și în studiul sunetului. De exemplu, atunci când o undă sonoră întâlnește o interfață între două medii cu viteze diferite ale undei, are loc reflectarea și transmiterea undei.

Ultrasunetele au multe utilizări în știință, inginerie și medicină. Ultrasunetele sunt folosite pentru teste nedistructive în inginerie, cum ar fi testarea grosimii acoperirii pe metal. În medicină, undele sonore sunt mult mai puțin distructive decât razele X și pot fi folosite pentru a vizualiza fătul în pântecele unei mame, fără pericol pentru făt sau mamă. Mai târziu în acest capitol, vom discuta efectul Doppler, care poate fi folosit pentru a determina viteza sângelui în artere sau viteza vântului în sistemele meteorologice.

1.2.17.1 Unde sonore

Fenomenul fizic al sunetului este o perturbare a materiei care se transmite de la sursa sa spre exterior. Auzul este percepția sunetului, la fel cum a vedea este percepția luminii vizibile. La scara atomică, sunetul este o perturbare a atomilor care este mult mai ordonată decât mișcările lor termice. În multe cazuri, sunetul este o undă periodică, iar atomii suferă o mișcare armonică simplă. Astfel, undele sonore pot induce oscilații și efecte de rezonanță (Figura 2).

(Figura 2 Sunetele pot fi reprezentate ca un amestec al componentelor lor de unde sinusoidale de diferite frecvențe. Undele de jos au frecvențe mai mari decât cele de deasupra. Axa orizontală reprezintă timpul.)

Un difuzor produce o undă sonoră prin oscilarea unui con, provocând vibrații ale moleculelor de aer. În figura 3, un difuzor vibrează la o frecvență și amplitudine constante, producând vibrații în moleculele de aer din jur. Pe măsură ce difuzorul oscilează înainte și înapoi, acesta transferă energie în aer, mai ales sub formă de energie termică. Dar o mică parte din energia difuzorului este destinată comprimării și extinderii aerului din jur, creând presiuni locale puțin mai mari și mai mici. Aceste compresii (regiuni de înaltă presiune) și rarefieri (regiuni de joasă presiune) se deplasează ca unde de presiune longitudinale având aceeași frecvență ca și difuzorul – sunt perturbarea care este o undă sonoră. (Undele sonore din aer și cele mai multe fluide sunt longitudinale, deoarece fluidele nu au aproape nicio rezistență la forfecare. La solide, undele sonore pot fi atât transversale, cât și longitudinale.)

Figura 3(a) prezintă compresiile și rarefierile și, de asemenea, arată un grafic al presiunii manometrice în funcție de distanța de la un difuzor. Pe măsură ce difuzorul se mișcă în direcția pozitivă x, acesta împinge moleculele de aer, deplasându-le din pozițiile lor de echilibru. Pe măsură ce difuzorul se mișcă în direcția negativă x, moleculele de aer se deplasează înapoi spre pozițiile lor de echilibru datorită unei forțe de restabilire. Moleculele de aer oscilează într-o mișcare armonică simplă în jurul pozițiilor lor de echilibru, așa cum se arată în partea (b). Rețineți că undele sonore în aer sunt longitudinale, iar în figură, unda se propagă în direcția x pozitivă, iar moleculele oscilează paralel cu direcția în care se propagă unda.

(Figura 3 (a) Un con vibrator al unui difuzor, care se mișcă în direcția pozitivă x, comprimă aerul din fața acestuia și extinde aerul din spatele lui. Pe măsură ce difuzorul oscilează, se creează o altă compresie și rarefiere pe măsură ce cele din dreapta se îndepărtează de difuzor. După multe vibrații, o serie de compresii și rarefieri iese din difuzor ca o undă sonoră. Graficul roșu arată presiunea manometrică a aerului față de distanța de la difuzor. Presiunile variază doar puțin față de presiunea atmosferică pentru sunete obișnuite. Rețineți că presiunea manometrică este modelată cu o funcție sinusoidală, în care crestele funcției se aliniază cu compresiile și jgheaburile se aliniază cu rarefierile. (b) Undele sonore pot fi, de asemenea, modelate folosind deplasarea moleculelor de aer. Graficul albastru arată deplasarea moleculelor de aer față de poziția față de difuzor și este modelat cu o funcție cosinus. Observați că deplasarea este zero pentru moleculele aflate în poziția lor de echilibru și sunt centrate la compresii și rarefieri. Compresiile se formează atunci când moleculele de pe ambele părți ale moleculelor de echilibru sunt deplasate către poziția de echilibru. Rarefierile se formează atunci când moleculele sunt îndepărtate de poziția de echilibru.)

MODELE DE DESCRIERE A SUNETULUI Sunetul poate fi modelat ca undă de presiune luând în considerare modificarea presiunii față de presiunea medie, (17.1)   ΔP=ΔPmaxsin(kx∓ωt+ϕ). Această ecuație este similară cu ecuațiile de undă periodice văzute în Unde, unde ΔP este modificarea presiunii, ΔPmax este modificarea maximă a presiunii, k=2π/λ este numărul de undă, ω=2π/T=2πf este frecvența unghiulară și ϕ este faza initiala. Viteza undei poate fi determinată din v=ω/k=λ/T. Undele sonore pot fi modelate și în ceea ce privește deplasarea moleculelor de aer. Deplasarea moleculelor de aer poate fi modelată folosind o funcție cosinus: (17.2)   s(x,t)=smaxcos(kx∓ωt+ϕ). În această ecuație, s este deplasarea și smax este deplasarea maximă.

 

Nu este prezentată în figură amplitudinea unei unde sonore, deoarece aceasta scade odată cu distanța de la sursa sa, deoarece energia undei este răspândită pe o zonă din ce în ce mai mare. Intensitatea scade pe măsură ce se îndepărtează de difuzor, așa cum se discută în Unde. Energia este, de asemenea, absorbită de obiecte și transformată în energie termică prin vâscozitatea aerului. În plus, în timpul fiecărei compresii, se transferă puțină căldură în aer; în timpul fiecărei rarefieri, au loc chiar mai puține transferuri de căldură din aer, iar aceste transferuri de căldură reduc perturbarea organizată în mișcări termice aleatorii. Dacă transferul de căldură de la compresie la rarefiere este semnificativ, depinde de distanța dintre ele, adică depinde de lungimea de undă. Lungimea de undă, frecvența, amplitudinea și viteza de propagare sunt caracteristici importante pentru sunet, așa cum sunt pentru toate undele.

Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu

© 2021 MultiMedia Publishing, Fizica, Volumul 1