GARSAS: ISTORIJA, SAVYBĖS, KAIP JIS GAMINAMAS, TIPAI - FIZINIS - 2025

Garso yra apibrėžiamas kaip perturbacijų terpėje, pavyzdžiui, oru dauginamąja, pakaitomis ji gamina suspaudimų ir irimą į jį. Šie oro slėgio ir tankio pokyčiai pasiekia ausį ir smegenys juos aiškina kaip klausos pojūčius.

Garsai lydėjo gyvenimą nuo pat jo atsiradimo ir sudarė priemones, kurias gyvūnai turi bendrauti tarpusavyje ir su savo aplinka. Kai kurie žmonės tvirtina, kad augalai taip pat klausosi, tačiau bet kokiu atveju jie galėjo suvokti aplinkos virpesius, net jei jie neturi klausos prietaiso, pavyzdžiui, aukštesnių gyvūnų.

1 pav. Garso barjero plyšimas

Žmonės ne tik naudoja garsą bendravimui per kalbą, bet ir kaip muzikinę išraišką. Visos senovės ir naujausios kultūros turi įvairiausių muzikinių apraiškų, per kurias pasakoja savo istorijas, papročius, religinius įsitikinimus ir jausmus.

Istorija

Dėl savo svarbos žmonija susidomėjo savo prigimties tyrinėjimais ir sukūrė akustiką - fizikos šaką, skirtą garso bangų savybėms ir elgsenai.

Yra žinoma, kad garsusis matematikas Pitagoras (569–475 m. Pr. Kr.) Ilgą laiką praleido tyrinėdamas garsų aukščio (dažnio) skirtumus. Kita vertus, Aristotelis, kuris spėliojo visais gamtos aspektais, teisingai tvirtino, kad garsą sudaro išsiplėtimai ir suspaudimai ore.

Vėliau garsus romėnų inžinierius Vitruvius (80-15 m. Pr. Kr.) Parašė traktatą apie akustiką ir jos pritaikymą statant teatrus. Pats Isaacas Newtonas (1642–1727) tyrė garso sklidimą kietoje terpėje ir nustatė jo sklidimo greičio formulę.

Laikui bėgant, matematiniai skaičiavimo įrankiai leido tinkamai išreikšti visą bangų elgsenos sudėtingumą.

Garso savybės (savybės)

Paprasčiausia forma garso banga gali būti apibūdinta kaip sinusoidinė banga, sklindanti laike ir erdvėje, kaip parodyta 2 pav. Ten pastebima, kad banga yra periodinė, tai yra, ji turi būdas, kuris kartojasi laiku.

Būdamas išilgine banga, sklidimo kryptis ir kryptis, kuria juda vibracinės terpės dalelės, yra vienodos.

Garso bangos parametrai

2 pav. Garsas yra išilginė banga, trikdžiai plinta ta pačia kryptimi, kuria molekulės keičiasi. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Garso bangos parametrai yra šie:

T laikotarpis: laikas, per kurį reikia kartoti bangos fazę. Tarptautinėje sistemoje jis matuojamas sekundėmis.

Ciklas : bangos dalis, esanti tuo laikotarpiu ir apimanti iš vieno taško į kitą, kurios aukštis ir nuolydis yra vienodi. Tai gali būti iš vieno slėnio į kitą, iš vienos keteros į kitą arba iš vieno taško į kitą, kuris atitinka aprašytą specifikaciją.

Bangos ilgis λ : tai atstumas tarp vienos bangos keteros ir kitos, tarp vieno slėnio ir kito, arba paprastai tarp vieno taško ir kito tame pačiame aukštyje ir nuolydyje. Būdamas ilgis, jis matuojamas metrais, nors kiti vienetai yra tinkamesni, atsižvelgiant į bangos tipą.

F dažnis : apibrėžiamas kaip ciklų skaičius per laiko vienetą. Jo vienetas yra hercas (Hz).

A amplitudė: atitinka didžiausią bangos aukštį horizontaliosios ašies atžvilgiu.

Kaip skleidžiamas ir skleidžiamas garsas?

Garsas sklinda, kai vibruoja daiktas, panardintas į medžiaginę terpę, kaip parodyta 2 paveikslo apačioje. Kairėje esančio garsiakalbio įtempta membrana suvibruoja ir perduoda trikdžius oru, kol pasiekia klausytoją.

Kai trikdžiai plinta, energija perduodama aplinkos molekulėms, kurios sąveikauja viena su kita, plečiantis ir suspaudžiant. Garsui skleisti visada reikia materialios terpės, nesvarbu, ar tai būtų kieta, skysta ar dujinė.

Kai oro sutrikimas pasiekia ausį, oro slėgio pokyčiai sukelia auskaro vibraciją. Tai sukelia elektrinius impulsus, kurie perduodami į smegenis per klausos nervą, o kai impulsai yra paverčiami garsu.

Garso greitis

Mechaninių bangų greitis tam tikroje terpėje atitinka šį santykį:

Pavyzdžiui, sklindant tokiomis dujomis kaip oras, garso greitį galima apskaičiuoti taip:

Kylant temperatūrai, didėja ir garso greitis, nes terpėje esančios molekulės labiau linkusios vibruoti ir perduoda vibraciją savo judesiais. Kita vertus, slėgis neturi įtakos jo vertei.

Bangos ilgio ir dažnio ryšys

Mes jau matėme, kad laikas, per kurį banga užbaigia ciklą, yra laikotarpis, o tuo laikotarpiu nuvažiuotas atstumas yra lygus vienam bangos ilgiui. Todėl garso greitis v apibūdinamas taip:

Kita vertus, dažnis ir periodas yra susiję, vienas yra atvirkštinis, pavyzdžiui:

Kas lemia:

Žmogaus girdimas dažnio diapazonas yra nuo 20 iki 20 000 Hz, todėl pakeičiant aukščiau pateiktoje lygtyje esančias reikšmes, garso bangos ilgis yra nuo 1,7 cm iki 17 m.

Šie bangos ilgiai yra bendrų objektų dydis, kuris daro įtaką garso sklidimui, nes būdamas banga, susidūręs su kliūtimis, patiria atspindį, refrakciją ir difrakciją.

Patiriama difrakcija reiškia, kad garsas turi įtakos, kai jis susiduria su kliūtimis ir angomis, kurių bangos ilgis yra artimas ar mažesnis.

Bosų garsai gali geriau sklisti dideliais atstumais, todėl drambliai naudoja infragarsą (labai žemo dažnio garsus, negirdimus žmogaus ausiai), kad galėtų susisiekti per savo didžiąsias teritorijas.

Kai netoliese esančioje patalpoje skamba muzika, bosas yra geriau girdimas nei aukštaūgis, nes jo bangos ilgis yra maždaug durų ir langų dydžio. Kita vertus, išeinant iš kambario, aukštai sklindantys garsai lengvai prarandami, todėl nustoja būti girdimi.

Kaip matuojamas garsas?

Garsas susideda iš daugybės oro suspaudimų ir retų veiksnių, sklindant garsui didėja ir mažėja slėgis. Tarptautinėje sistemoje slėgis matuojamas paskaliais, sutrumpintai Pa.

Kas atsitiks, šie pokyčiai yra labai maži, palyginti su atmosferos slėgiu, kurio vertė yra apie 101 000 Pa.

Net garsiausi garsai sukelia net 20–30 Pa (skausmo slenkstis) svyravimus, palyginti su gana maža suma. Bet jei jūs galite išmatuoti tuos pokyčius, tuomet turite garso matavimo būdą.

Garso slėgis yra skirtumas tarp atmosferos slėgio su garsu ir atmosferos slėgio be garso. Kaip minėjome, garsiausi garsai sukuria 20 Pa garso slėgį, o silpniausi - maždaug 0,00002 Pa (garso slenkstis).

Kadangi garso slėgio diapazonas apima keletą 10 galių, joms nurodyti turėtų būti naudojama logaritminė skalė.

Kita vertus, eksperimento būdu nustatyta, kad žmonės mažo intensyvumo garsų pokyčius suvokia labiau nei tokio pat masto, bet intensyvių garsų pokyčius.

Pavyzdžiui, jei garso slėgis padidėja 1, 2, 4, 8, 16 …, ausis suvokia stiprumo padidėjimą 1, 2, 3, 4 …. Dėl šios priežasties patogu apibrėžti naują kiekį, vadinamą garso slėgio lygiu (garso slėgio lygiu) L _P , kuris apibūdinamas kaip:

Čia P _o yra etaloninis slėgis, kuris laikomas klausos slenksčiu, o P ₁ yra vidutinis faktinis slėgis arba RMS slėgis. Šis RMS arba vidutinis slėgis yra tas, kurį ausis suvokia kaip vidutinę garso signalo energiją.

Decibelais

Aukščiau pateiktos L _P išraiškos rezultatas, įvertinant įvairias P ₁ reikšmes , pateikiamas decibelais, be matmens. Garso slėgio lygį išreikšti tokiu būdu yra labai patogu, nes logaritmai paverčia didelius skaičius mažesniais, lengviau valdomais skaičiais.

Tačiau daugeliu atvejų decibelams nustatyti geriau naudoti garso stiprumą, o ne garso slėgį.

Garso intensyvumas yra energija, kuri vieną sekundę teka (galia) per vieneto paviršių, nukreiptą statmenai bangos sklidimo krypčiai. Kaip ir garso slėgis, tai yra skaliarinis dydis ir žymimas I. I vienetai yra W / m ² , tai yra galia ploto vienetui.

Galima parodyti, kad garso stipris yra proporcingas garso slėgio kvadratui:

Šia išraiška ρ yra terpės tankis, o c - garso greitis. Tada garso intensyvumo lygis L _I apibrėžiamas taip:

Kuris taip pat išreiškiamas decibelais ir kartais žymimas graikiška raide β. Etaloninė vertė I _o yra 1 x 10 ^–12 W / m ² . Taigi 0 dB žymi apatinę žmogaus klausos ribą, tuo tarpu skausmo riba yra 120 dB.

Kadangi tai yra logaritminė skalė, reikia pabrėžti, kad nedideli decibelų skaičiaus skirtumai daro didelę įtaką garso stiprumui.

Garso lygio matuoklis

Garso lygio matuoklis arba decibelmetras yra prietaisas, naudojamas garso slėgiui matuoti, matuojant decibelais. Jis skirtas reaguoti į tai taip, kaip žmogaus ausis.

3 paveikslas. Garso slėgio lygiui matuoti naudojamas garso lygio matuoklis arba decibelmetras. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Jį sudaro mikrofonas signalui surinkti, daugiau grandinių su stiprintuvais ir filtrais, kurie yra atsakingi už tinkamą šio signalo pavertimą elektros srove, ir galiausiai skalę arba ekraną, kuris parodytų rodmens rezultatą.

Jie plačiai naudojami nustatant tam tikro triukšmo poveikį žmonėms ir aplinkai. Pavyzdžiui, gamyklų, pramonės šakų, oro uostų keliamas triukšmas, eismo triukšmas ir daugelis kitų.

Garso tipai (infragarsas, ultragarsas, monofoninis, stereofoninis, polifoninis, homofoninis, bosas, diskoris)

Garsui būdingas jo dažnis. Pagal tuos, kuriuos gali užfiksuoti žmogaus ausis, visi garsai yra suskirstyti į tris kategorijas: tuos, kuriuos galime išgirsti, arba garsinį spektrą, tuos, kurių dažnis yra žemiau garsinio spektro ar infraraudonųjų spindulių apatinės ribos, ir tuos, kurie yra aukščiau girdimojo spektro. viršutinė riba, vadinama ultragarsu.

Bet kokiu atveju, kadangi garso bangos gali linijiškai sutapti, kasdieniniai garsai, kuriuos mes kartais suprantame kaip unikalius, iš tikrųjų susideda iš skirtingų garsų, turinčių skirtingus, bet artimus dažnius.

4 paveikslas. Garso spektro ir dažnio diapazonai. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Garsinis spektras

Žmogaus ausis yra suprojektuota pasiimti įvairius dažnius: nuo 20 iki 20 000 Hz, tačiau ne visi šio diapazono dažniai suvokiami tuo pačiu intensyvumu.

Ausė jautresnė dažnių juostoje nuo 500 iki 6000 Hz, tačiau yra ir kitų veiksnių, turinčių įtakos gebėjimui suvokti garsą, pavyzdžiui, amžiaus.

Infragarsas

Tai garsai, kurių dažnis yra mažesnis nei 20 Hz, tačiau tai, kad žmonės negali jų girdėti, dar nereiškia, kad kiti gyvūnai to negali. Pavyzdžiui, drambliai juos naudoja bendravimui, nes infraraudonieji spinduliai gali nukeliauti didelius atstumus.

Kiti gyvūnai, pavyzdžiui, tigras, juos naudoja savo grobiui apsvaiginti. Infragarsas taip pat naudojamas aptikti didelius objektus.

Ultragarsas

Jų dažnis yra didesnis nei 20 000 Hz ir jie plačiai naudojami daugelyje sričių. Vienas ryškiausių ultragarso naudojimo būdų yra medicinos, diagnostikos ir gydymo priemonė. Ultragarsu gauti vaizdai yra neinvaziniai ir nenaudoja jonizuojančiosios spinduliuotės.

Ultragarsas taip pat naudojamas ieškant konstrukcijų gedimų, nustatyti atstumus, aptikti kliūtis navigacijos metu ir dar daugiau. Gyvūnai taip pat naudoja ultragarsą, ir iš tikrųjų taip buvo atrastas jo egzistavimas.

Šikšnosparniai skleidžia garso impulsus ir tada interpretuoja jų skleidžiamą aidą, kad įvertintų atstumus ir surastų grobį. Savo ruožtu šunys taip pat gali girdėti ultragarsą, todėl jie reaguoja į šuns švilpimą, kurio jų savininkas negali išgirsti.

Monofoninis ir stereofoninis garsas

4 pav. Įrašų studijoje garsas yra tinkamai modifikuotas elektroniniais prietaisais. Šaltinis: „Pixabay“.

Monofoninis garsas yra signalas, įrašytas vienu mikrofonu ar garso kanalu. Klausydamiesi ausinių ar garso ragų, abi ausys girdi lygiai tą patį. Priešingai, stereofoninis garsas įrašo signalus dviem nepriklausomais mikrofonais.

Mikrofonai yra skirtingose ​​vietose, kad jie galėtų pasiimti skirtingą garso slėgį to, ką norite įrašyti.

Tada kiekviena ausis gauna vieną iš šių signalų rinkinių, o kai smegenys juos surenka ir interpretuoja, rezultatas yra daug realesnis nei klausantis monofoninių garsų. Todėl tai yra tinkamiausias metodas, kai kalbama apie muziką ir filmą, nors monofoninis ar monofoninis garsas vis dar naudojamas radijuje, ypač pokalbiams ir pokalbiams.

Homofonija ir polifonija

Muzikiniu požiūriu homofonija susideda iš tos pačios melodijos, kurią groja du ar daugiau balsų ar instrumentų. Kita vertus, polifonijoje yra du ar daugiau vienodos svarbos balsų ar instrumentų, kurie seka melodijas ir net skirtingą ritmą. Gautas šių garsų ansamblis yra harmoningas, toks kaip Bacho muzika.

Boso ir treblero garsai

Žmogaus ausis išskiria garsinius dažnius kaip aukštus, žemus ar vidutinius. Tai vadinama garso tašku.

Aukščiausi dažniai, nuo 1600 iki 20 000 Hz, yra laikomi ūminiais garsais, o 400–1600 Hz dažnių juosta atitinka garsus, kurių vidutinis tonas, ir galiausiai, nuo 20 iki 400 Hz dažnių diapazonas yra žemieji tonai.

Boso garsai skiriasi nuo treble'o tuo, kad pirmieji yra suvokiami kaip gilūs, tamsūs ir klesti, o pastarieji yra lengvi, aiškūs, džiaugsmingi ir pradurta. Be to, ausis juos interpretuoja kaip intensyvesnius, skirtingai nei boso garsai, sukeliantys mažesnio intensyvumo pojūtį.

Nuorodos

1. Figueroa, D. 2005. Bangos ir kvantinė fizika. Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. Redagavo D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6-asis. Edas Prentice'o salė.
3. Rocamora, A. Muzikos akustikos užrašai. Atkurta iš: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika mokslui ir inžinerijai. 1 tomas. 7-asis. Ed. Cengago mokymasis.
5. Vikipedija. Akustika. Atkurta iš: es.wikipedia.org.