la fizica - sunetul

FIZICA - SUNETUL

1.SUNETUL

SUNETUL. Vibratiile corpurilor materiale se propaga prin aer( in general prin orice alt gaz), si ajungand la ureche produc senzatia auditiva pe care noi o numim sunet.

Trebuie sa mentionam insa ca nu toate oscilatiile receptionate de ureche sunt percepute auditiv. Obiectul acusticii il constituie studiul producerii si propagarii sunetelor, ingloband aici nu numai vibratiile auditive, ci si pe cele care nu produc senzatie auditiva, cum ar fi ultrasunetele. Vibratiile produse intr-un punct al unui mediu elastic se propaga in acel mediu din aproape in aproape sub forma de unde. In aer sau in lichide avem de-a face cu unde longitudinale, astfel, viteza de propagare va fi   E/

Factorii care influenteaza viteza de propagare a sunetelor sunt: temperatura, constanta si caldura specifica a gazelor, umiditatea aerului( viteza e mai mare in aerul umed decat in cel uscat), ionizarea aerului care duce la cresterea vitezei, precum si curentii de aer si intensitatea sunetului.

In cercetarile de acustica, folosim toate felurile de muzica, dar avem adesea interesul sa ne referim cu deosebire la aceasta forma simpla, sau sa ne apropiem cat mai mult de dansa.

Exista numeroase mijloace, cu care putem produce astfel de oscilatii, mai ales in domeniul audibil. Cele mai intrebuintate sunt: diapazoanele, fluierele, si coardele vibrante.

Diapazoanele: sunt formate de obicei dintr-o furca facuta din otel, prelucrata cu multa grija pentru a avea peste tot aceeasi sectiune. Ea se aseaza pe o cutie de rezonanta deschisa la un capat si facuta din lemn de brad, cu fibrele cat mai regulate. Lungimea ei se calculeaza in asa fel incat sa cuprinda un sfert al lungimii de unda. Diapazonul se excita prin lovire, cu un ciocan de lemn sau cauciuc. Uneori i se adapteaza un dispozitiv de intretinere electrica la fel cu acela folosit pentru sonerii. Odata construit diapazonul trebuie etalonat, ca sa-i cunoastem frecventa de oscilatie.

Fluierul: este bine cunoscut, si nu are nevoie de o descriere speciala. Mentionam numai fluierul lui Galton. El produce sunete foarte inalte si ne serveste ca sa masuram limita de percepere a acestor sunete. Frecventa poate fi variata, lungind sau scurtand coloana de aer in niste suruburi micrometrice.

Coardele sau strunele : folosite in instrumentele muzicale, sunt facute de obicei din metal sau din mate de oaie uscate si rasucite. Le putem face sa vibreze prin percutie, lovire(tambal) prin piscare( chitara, harfa, mandolina), sau prin frecare(violina, violoncel, contrabas)

Tuburile sonore : au aplicatii numeroase la instrumente muzicale: orga sau instrumente de suflat, dar teoria lor este destul de complicata. Ele sunt folosite pentru anciile principalelor instrumente, si sunt facute din bucati intregi de lemn de trestie.

Sirenele: ele sunt formate dintr-un disc metalic, care se roteste in fata unui orificiu prin care vine un curent de aer, si are o serie de gauri periferice. Intreruperea si deschiderea periodica a curentului, produce un sunet, al carui frecventa este data de produsul dintre numarul gaurilor si numarul de rotatii pe secunda. Cantecul caracteristic alo turbinelor si motoarelor de turatie provine dintr-un fenomen analog. In laboratoare, sirenele nu mai au decat o insemnatate istorica, de cand tuburile electronice ne permit sa producem orice frecvente fixe sau variabile, in conditii mult mai avantajoase. Domeniul lor se limiteaza acum numai la semnalizarile acustice, in aer sau in apa, fiindca pun in joc energii acustice foarte mari.

2.PERCEPEREA SUNETELOR

Perceperea sunetelor de catre om se realizeaza prin intermediul urechii. Sub actiunea unui sunet de inaltime data, vibreaza anumite fibre, excitant terminatiile corespunzatoare ale nervului auditiv, care, la randul sau transmite excitatia la creier. Se constata ca frecventa sunetelor  este cuprinsa aproximativ intre 16 Hz si 20000 Hz. Aceste limite variaza insa de la persoana la persoana , si in general cu varsta, astfel la aceeasi persoana limita superioara scade cu varsta .

Vibratiile de frecventa mai mica de 16 Hz se numesc infrasunete , iar cele mai mari de 20000 Hz  se numesc ultrasunete. Se constata de asemenea ca si intensitatea sunetelor audibile este cuprinsa intre anumite limite, si anume aproximativ intre 4 x 10 la puterea minus 16 W/cm patrat si 2 x 10 la puterea minus 2 W/cm patrat. Intensitatea minima care exercita senzatia auditiva se numeste prag de audibilitate. Daca intensitatea sunetelor creste prea mult, in ureche apare o senzatie de durere si de presiune. Intensitatea maxima peste care apare aceasta senzatie, se numeste prag tactil.

In orice mediu de propagare sunetul pierde treptat din intensitate, fiindca frecarile transforma energia mecanica in caldura. Cum frecarea creste cu amplitudinea vitezei de oscilatie, iar aceasta cu frecventa , slabirea va fi mai rapida pentru sunetele inalte. Asa se explica de ce atunci cand ascultam de departe o fanfara, auzim numai basii si toba mare. Unele substante, cum sunt vata, pluta, rumegusul de lemn sau alte tencuieli speciale, atenueaza sunetele foarte repede, si de aceea le folosim ca izolanti. Cele elastice, cum sunt metalele, betonul, piatra sau sticla transmit undele sonore pana la distante mari.

Folosirea lor in constructie are avantaje din punct de vedere ingineresc, dar este dezastruoasa in ceea ce priveste izolatia fonica, de aceea trebuie asociate cu paturi izolante. Lichidele transmit de asemenea sunetele, cu atenuari foarte mici. Transmiterea prin vid este imposibila.

3.REFLEXIA SUNETELOR

Ajungand la suprafata de separare dintre doua medii, unda sonora, ca orice unda elastica, este partial reflectata, o alta parte fiind transmisa in cel de-al doilea mediu. In acest fel intensitatea sunetelor reflectate este de obiceimai mica decat a sunetului incident.

Un fenomen natural foarte cunoscut, consecinta a reflexiei sunetului, este ecoul. Acesta consta in faptul ca producand un sunet de durata scurta in fata unui obstacol, in anumite conditii se aude si sunetul reflectat de obstacol. Pentru ca sunetul reflectat sa fie perceput distinct el trebuie sa ajunga la ureche dupa ce a incetat perceperea sunetului initial.

Senzatia auditiva produsa de sunetul initial persista in ureche cel putin o zecime de secunda, astfel ca sunetul reflectat va fi perceput ca ecou, doar daca ajunge la ureche dupa un interval de cel putin 1/10 secunde fata de primul. Pentru un sunet foarte scurt distanta pana la obstacol trebuie sa fie deci de cel putin 17 m, deoarece sunetul care are viteza in aer de cca 340 m/s va parcurge distanta de 34 m in aproximativ o zecime de secunda. Pentru sunete articulate distanta trebuie sa fie cel putin dubla. Astfel, vorbind in fata unui perete reflectator situat la 34 m distanta, ecoul va repeta ultima silaba, din care cauza se numeste ecou monosilabic. In cazul a doi pereti situati fata in fata se poate obtine fenomenul de ecou multiplu, produs de reflexia succesiva pe fiecare din cei doi pereti reflectatori. Fenomenul de ecou are o serie de aplicatii importante precum masurarea adancimii marilor, descoperirea submarinelor in imersiune sau a unor mari banuri de peste. Adancimea marii se determina, de exemplu, masurand timpul dupa care sunetul produs pe un vas la suprafata marii se reintoarse sub forma de ecou in urma reflexiei pe fundul marii.

In cazul cand distanta la peretele reflectator este mai mica decat distanta minima pentru producerea ecoului, sunetul reflectat va sosi inainte de incetarea senzatiei auditive a sunetului direct, producand o prelungire si o intarire a acestuia. Fenomenul poarta numele de reverberatie. Daca sunetul reflectat este perceput aproape concomitent cu cel direct, fenomenul de reverbatie devine foarte util deoarece produce o intarire a senzatiei auditive fara a produce si distorsionarea sunetului direct.

Calitatile sunetului; sunetele se deosebesc unele de altele prin:inaltime, timbru si intensitate. Inaltimea este calitatea sunetului, de a fi mai inalt decat altul, cu un numar mai mare de vibratii pe secunda. Prin definitie, intensitatea unui sunet reprezinta energia care strabate intr-o secunda prin unitatea de suprafata perpendiculara pe directia de propagare. Sunetele cu vibratii sinusoidale simple sunt foarte rar intalnite in viata curenta.

In general, vibratiile corpurilor sunt mai complexe si de aici rezulta calitatea pe care o numim timbru.

4.ULTRASUNETELE

Sunetele audibile nu depasesc decat foarte rar frecventa 20000 Hz. Dincolo de aceasta limita, avem aceste ultrasunete.

Le putem produce prin diferite mijloace: sirene speciale, vibratia barelor metalice sau a coloanelor de aer destul de scurte, anumite dispozitive electromagnetice etc., iar metoda cea mai potrivita este sa folosim vibratia lamelor de cuartz, taiate intr-un fel anumit, din cristalul natural.

In campuri electrice aceste lame se contracta sau se dilata, dupa sensul liniilor de forta, iar intr-un camp care variaza periodic in timp, cu aceeasi frecventa ca vibratia proprie a cuartzului, putem aduce lama in rezonanta si atinge astfel intensitati sonore, pana la ordinul kilowatilor pe decimetrupatrat.

In aer, mai ales la frecvente inalte, ultrasunetele se sting repede, dar prin lichide sau prin solide propagarea se face in conditii destul de bune.

Se produc atunci condensari si dilatari, cu variatii foarte mari de presiune, iar acceleratiile impuse paturilor strabatute pot sa intreaca de sute de mii de ori pe a gravitatiei.

Rezulta astfel agitatii locale foarte intense, care dau nastere la fenomene speciale, cu aplicatii practice deosebit de importanta.

Sub actiunea ultrasunetelor se poate mari viteza unor reactii chimice care, in conditii normale, sedesfasoara mult mai incet.

Undele ultrasonore, cu lungime de cativa mm, se reflecta foarte bine poe obstacole, fiindca fenomenele de difractie devin practic neglijabile, chiar la suprafetele neregulate. De aceea le folosim la sondajele submarine, ca sa masuram adincimea apei. Se trimite un fascicul de ultrasunete, cu durata scurta, si se inregistreaza momentul plecarii si iesrii lor, dupa reflexie.

Creatorul acestei metode de sondaj ultrasonor este fizicianul Paul Langevin. Ea a fost aplicata pentru prima oara, in razboiul mondial din 1914-1918, la cautarea si urmarirea submarinelor.

Mai mentionam ca liliecii au laringele adaptat ca sa emita sunete de de frecvente superaudibile pentru om, care au fost masurate si sunt a ordinul 40000 Hz. Aceste ultrasunete se reflecta pe obstacole si permit animalului sa se orienteze la intuneric.

BIBLIOGRAFIE:

-FIZICA GENERALA 1 SI 2 EDITIA 1979

-TRATAT DE FIZICA

-FIZICA PENTRU ADMITEREA IN INVATAMANTUL SUPERIOR

-MANUAL DE FIZICA CLS A-XI-A