Sunetul in fizica

Sunetul in fizica

Sunetul este un fenomen fizic care stimuleaza simtul auzului. La oameni auzul are loc cand vibratiile de frecvente intre 15 si 20.000 de hertzi ajung la urechea interna. Hertzul, sau Hz, este unitatea de masura a frecventei egala cu o perioada pe secunda. Astfel de vibratii ajung la urechea interna cand sunt transmise prin aer, si termenul sunet este ceva restrictionat la astfel de unde care vibreaza in aer. Fizicienii moderni, insa, extind termenul pentru a include vibratii similare in medii lichide sau solide. Sunete de frecvente mai mari de 20.000 Hz sunt numite ultrasonice.

In general, undele se pot propaga transversal sau longitudinal. In ambele cazuri, doar energia miscarii undei este propagata prin mediu; nici o parte din mediu nu se misca prea departe. Ca exemplu, o sfoara poate fi legata de un stalp la un capat, iar celalalt capat este tras pana sfoara se intinde, iar apoi sfoara este scuturata o data. O unda va trece pe sfoara pana la stalp, iar aici va fi reflectata si ea se va intoarce la mana. Nici un punct de pe sfoara nu se misca longitudinal spre stalp, dar parti succesive din sfoara se misca transversal. Acest tip de miscare se numeste unda transversala. De asemenea, daca o piatra este aruncata intr-o piscina, o serie de unde transversale pleaca din punctul de impact al pietrei. Un dop de pluta plutind in apropiere se va misca in sus si in jos, adica se va misca transversal respectand si directia de miscare a undei, dar nu se va deplasa prea mult longitudinal. O unda sonora, insa, este o unda longitudinala. In timp ce energia miscarii undei se propaga in exteriorul sursei, moleculele de aer care duc sunetul se misca in fata si in spate, paralel la directia de miscare a undei. Asadar, o unda sonora este o serie de compresii si extensii alternative ale aerului. Fiecare molecula da energia moleculei vecine, dar dupa ce unda sonora a trecut, fiecare molecula ramane in aceeasi pozitie ca la inceput.

Amplitudinea

Amplitudinea este caracteristica undelor sonore pe care o percepem ca volum. Distanta maxima pe care o unda o parcurge de la pozitia normala, sau zero, este amplitudinea; aceasta corespunde

cu gradul de miscare in moleculele de aer ale unei unde. Cand gradul de miscare in molecule creste, acestea lovesc urechea cu o forta mai mare. Din cauza aceasta, urechea percepe un sunet mai puternic. O comparatie de unde sonore la amplitudine scazuta, medie, si inalta demonstreaza schimbarea sunetului prin alterarea amplitudinii. Aceste trei unde au aceeasi frecventa, si ar trebui sa sune la fel doar ca exista o diferenta perceptibila in volum.

Amplitudinea unei unde sonore este gradul de miscare al moleculelor de aer din unda. Cu cat amplitudinea unei unde este mai mare, cu atat moleculele lovesc mai puternic timpanul urechii si sunetul este auzit mai puternic. Amplitudinea unei unde sonore poate fi exprimata in unitati masurand distanta pe care se intind moleculele de aer, sau diferenta de presiune intre compresie si extensie ale moleculelor, sau energia implicata in proces. Cand cineva vorbeste normal, de exemplu, se produce energie sonora la o rata de aproximativ o suta de miime dintr-un watt. Toate aceste masuratori sunt extrem de dificil de facut, si intensitatea sunetului este exprimata, in general, prin compararea cu un sunet standard, masurat in decibeli.

Caracteristici fizice

Orice sunet simplu, cum ar fi o nota muzicala, poate fi descrisa in totalitate, specificand trei caracteristici perceptive: inaltime, intensitate, si calitate (timbru). Aceste caracteristici corespund exact a trei caracteristici fizice: frecventa, amplitudine, si constitutia armonica, sau respectiv forma undei. Zgomotul este un sunet complex, o mixare de multe diferite frecvente, sau note care nu sunt legate armonic.

Frecventa

Noi percepem frecventa ca sunete mai 'inalte' sau sunete mai 'joase'. Frecventa unui sunet este numarul de perioade, sau oscilatii, pe care o unda sonora le efectueaza intr-un timp dat. Frecventa este masurata in hertzi, sau perioade pe secunda. Undele se propaga si la frecvente mari si la frecvente joase, dar oamenii nu sunt capabili sa le auda in afara unei raze relativ mici. Sunetele pot fi produse la frecvente dorite prin metode diferite. De exemplu, un sunet de 440 Hz poate fi creat activand o boxa cu un oscilator care actioneaza pe

aceasta frecventa. Un curent de aer poate fi intrerupt de o roata dintata cu 44 de dinti, care se roteste cu 10 rotatii/secunda; aceasta metoda este folosita la sirena. Sunetul produs de boxa si cel produs de sirena, la aceeasi frecventa este foarte diferit in calitate dar corespund la inaltime.

Intensitatea sunetului

Intensitatile sunetului sunt masurate in decibeli(dB). De exemplu, intensitatea la minimul auzului este 0 dB, intensitatea soaptelor este in medie 10 dB, si intensitatea fosnetului de frunze este de 20 dB. Intensitatile sunetului sunt aranjate pe o scara logaritmica, ceea ce inseamna ca o marire de 10 dB corespunde cu o crestere a intensitatii cu o rata de 10. Astfel, fosnetul frunzelor este de aproape 10 ori mai intens decat soapta. Distanta la care un sunet poate fi auzit depinde de intensitatea acestuia, care reprezinta rata medie a cursului energiei pe unitatea de suprafata perpendiculara pe directia de propagare. In cazul undelor sferice care se raspandesc de la un punct sursa, intensitatea variaza invers proportional cu patratul distantei, cu conditia sa nu se piarda energie din cauza vascozitatii, caldurii, sau alte efecte de absorbtie. Astfel, intr-un mediu perfect omogen, un sunet va fi de 9 ori mai intens la distanta de 1 unitate de origine decat la 3 unitati. In propagarea sunetului in atmosfera,schimbarile in proprietatile fizice ale aerului, cum ar fi temperatura, presiune si umiditate,produc scaderea amplitudinii undei sau imprastierea acesteia, asa ca legea de mai sus nu este aplicabila in masurarea intensitatii sunetului in practica.

Perceptia notelor

Daca urechea unei persoane tinere este testata de un audiometru, se va observa ca este sensibila la toate sunetele de la 15-20 Hz pana la 15.000-20.000 Hz. Auzul persoanelor in virsta este mai putin acut, mai ales la frecvente mai inalte. Gradul in care o ureche normala poate separa doua note de volum putin diferit sau de frecventa putin diferita variaza in diferite raze de volum si frecventa a notelor. O diferenta in inaltime de aproape 20%(1 decibel,dB), si o diferenta in frecventa de 1/3%(aproximativ 1/20 dintr-o nota) poate fi distinsa in sunete de intensitate moderata la frecventele la care urechea este sensibila (intre 1.000-2.000 Hz). Tot in acest interval,

diferenta intre cel mai mic sunet care poate fi auzit si cel mai puternic sunet care poate fi perceput ca sunet (sunetele mai puternice sunt 'simtite', sau percepute ca stimuli durerosi) este de aproape 120 dB(de aproximativ 1 trilion de ori mai puternic).

Toate aceste teste de senzitivitate se refera la note pure, cum ar fi cele produse de un oscilator electronic. Chiar si pentru astfel de note urechea este imperfecta. Note de frecventa identica dar cu intensitate foarte diferita par ca difera putin in inaltime. Mai importanta este diferenta intre intensitati aparent relative cu frecvente diferite. La volum inalt urechea este aproximativ la fel de sensibila la toate frecventele, dar la volum mai mic urechea este mai sensibila la frecventele mijlocii decat la cele mari sau mici. Astfel, aparatele care reproduc sunetele si functioneaza perfect, par ca nu reproduc corect notele cele mai mici si cele mai mari, daca volumul este scazut.

Reflexia

Sunetul este guvernat de reflexie de asemenea, respectand legea fundamentala ca unghiul de reflexie este egal cu cel de incidenta. Rezultatul reflexiei este ecoul. Sistemul de radar subacvatic depinde de reflexia sunetelor propagate in apa. Un megafon este un tub tip cornet care formeaza o raza de unde sonore reflectand unele dintre razele divergente din partile tubului. Un tub similar poate aduna undele sonore daca se indreapta spre sursa sonora capatul mai mare; astfel de aparat este urechea externa a omului.

Refractia

Sunetul, intr-un mediu cu densitate uniforma, se deplaseaza inainte intr-o linie dreapta. Insa, ca si lumina, sunetul este supus refractiei, care indeparteaza undele sonore de directia lor originala. In regiuni polare, de exemplu, unde aerul de langa pamant este mai rece decat cel ce se afla la inaltimi mai ridicate, o unda sonora indreptata in sus care intra in zona mai calda din atmosfera este refractata inspre pamant. Receptia excelenta a sunetului in directia in care bate vantul si receptia proasta invers directiei vantului se datoreaza tot refractiei. Viteza vantului este, de obicei, mai mare la altitudini ridicate decat la nivelul pamantului; o unda sonora verticala care se deplaseaza in directia vantului este refractata inspre pamant

in timp ce aceeasi unda indreptata invers directiei vintului, este refractata in sus.

Trei tipuri importante de sunete obisnuite:

In discutie, muzica, si zgomot, notele pure sunt rareori auzite. O nota muzicala contine in plus de o frecventa fundamentala, tonuri mai inalte care sunt armonici ale frecventei fundamentale. Vocea contine un amestec complex de sunete, dintre care unele (nu toate) sunt in relatie armonica intre ele. Zgomotul consista intr-un amestec de multe frecvente diferite intr-un anumit interval; este astfel comparabil cu lumina alba, care consta intr-un amestec de lumini de culori diferite. Zgomote diferite sunt distinse prin diferite distributii ale energiei in mai multe intervale de frecventa.

Cand o nota muzicala continand niste armonici ale unei note fundamentale, dar lipsindu-i unele armonici sau chiar fundamentala insasi, este transmisa la ureche, urechea formeaza diferite sunete sub forma sumei sau diferentei frecventelor, astfel producand armonicile sau fundamentala lipsa in sunetul original. Aceste note sunt si ele armonici ale notei fundamentale. Aceasta anomalie a urechii poate fi folositoare. Aparatele ce reproduc sunete si nu au boxe foarte mari, de exemplu, nu pot produce, in general, sunete de inaltime mai mica de anumite valori; totusi, o ureche umana ce asculta la astfel de echipament poate reda nota fundamentala rezolvand frecventele sunetului din armonicile sale. O alta imperfectie a urechii in prezenta sunetelor normale este incapabilitatea de a auzi note de frecventa inalta cand este prezent sunet de frecventa joasa de intensitate considerabila. Acest fenomen se numeste mascare.

In general, vocea este inteligibila si cantecele pot fi satisfacator intelese daca sunt reproduse doar frecventele intre 250 si 3.000 Hz, intervalul de frecventa a telefoanelor, chiar daca unele sunete din limbajul nostru au frecvente de aproape 6.000 Hz. Pentru naturalete, insa, trebuie reproduse frecventele de la 100 la 10.000 Hz. Sunetele produse de unele instrumente muzicale, pot fi reproduse natural doar la frecvente relativ scazute, si unele zgomote pot fi reproduse doar la

frecvente relativ inalte.

Unde sonore caracteristice

Fiecare instrument produce o anumita vibratie caracteristica. Vibratiile calatoresc prin aer sub forma undelor sonore care ajung la urechile noastre, dandu-ne posibilitatea sa identificam instrumentul chiar si daca nu il vedem. Cele patru unde sonore aratate in poza arata forma vibratiilor unor instrumente comune. Un diapazon scoate un sunet pur, vibrand regulat intr-o forma curbata. O vioara genereaza un sunet voios si o unda sonora cu forme ascutite. Flautul produce un sunet tandru, adevarat, si o forma relativ curbata. Diapazonul, vioara, si flautul, cantau toate aceeasi nota, de aceea, distanta dintre punctele inalte ale undei este aceeasi pentru fiecare unda. Un gong nu vibreaza intr-un sablon obisnuit ca celelalte trei instrumente. Forma undei este ascutita si libera, iar inaltimea sa nu este, in general, recunoscuta.

Viteza sunetului

Frecventa unei unde sonore este o masura a numarului de unde care trec printr-un punct dat intr-o secunda. Distanta dintre doua varfuri succesive ale undei (ventre) se numeste lungime de unda. Produsul dintre lungimea de unda si frecventa este egal cu viteza de propagare a undei, si este aceeasi pentru sunetele de orice frecventa (daca sunetul se propaga in acelasi mediu la aceeasi temperatura). Viteza de propagare in aer uscat la temperatura de 0 C(32 F este de 331,6 m/sec). Daca temperatura este marita, viteza sunetului creste; astfel, la 20 C, viteza sunetului este 344 m/sec. Schimbarile presiunii la o densitate controlata, nu au nici un efect asupra vitezei sunetului. Viteza sunetului in alte gaze depinde doar de densitatea acestora. Daca moleculele sunt grele, se misca mai greu, iar sunetul se propaga mai incet. De aceea sunetul se propaga putin mai repede in aer mai umed decat in aer uscat, deoarece aerul umed contine un numar mai mare de molecule mai usoare. Viteza sunetului in cele mai multe gaze depinde de asemenea de un alt factor, caldura specifica, care afecteaza propagarea undelor sonore. Sunetul se propaga, in general, mult mai repede in lichide si solide decat in gaze. Si in lichide si in solide, densitatea are acelasi efect ca in gaze; adica, viteza este invers proportionala cu radacina patrata a

densitatii. Viteza mai variaza si direct proportional cu radacina patrata a elasticitatii. Viteza sunetului in apa, de exemplu, este aproximativ 1525 m/sec la temperaturi normale dar creste foarte mult cand creste temperatura. Viteza sunetului in cupru este de aproape 3353 m/sec la temperaturi normale si scade odata cu cresterea temperaturii (din cauza elasticitatii care scade); in otel, care este mult mai elastic, sunetul se propaga cu o viteza de aproape 4877 m/sec, propagandu-se foarte eficient. Undele sonore calatoresc mai rapid si mai eficient in apa decat in aer uscat, permitand animalelor cum ar fi balenele sa comunice intre ele de la distante foarte mari. Balenele si casalotii folosesc undele sonore si pentru a le ajuta sa navigheze in ape intunecate, directionand si primind undele sonore la fel ca un radar al unei nave sau submarin.

Producerea si propagarea sunetelor

Vibratiile corpurilor materiale se propaga prin aer (si, in general, prina orice alt gaz) si ajungand la ureche produc senzatia auditiva, pe care 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 se pe cele care nu produc senzatie auditiva, cum ar fi ultrasunetele.

Vibratiile produse intr-un punct al unui mediu se propaga in acel mediu din aproape in aproape sub forma de unde. In aer (ca si in orice al gaz) sau in lichide avem de-a face cu unde longitudinale. Undele sonore fiind oscilatii ale mediului, produse de vibratiile unor corpuri materiale, vor avea proprietatile undelor elastice. Astfel viteza de propagare va fi v=. In cazul gazelor aceasta relatie devine:

v =(1)

unde M este masa unui mol de gaz, T - temperature absoluta, R - consatanta gazelor, iar γ este raportul dintre caldura specifica a gazului la presiune constanat si, respective, la volum constant (γ = C_p/ C_v). Aceasra relatie, numita si formula lui Laplace, ne arata ca viteza de propagare a undelor sonore este proportionala cu radacina patrata a temperaturii T si nu depinde de presiunea gazului. Sunetele se propaga mai rapid si la distante mai mari prin solide si lichide decat prin gaze, deoarece vibratiile se transmit mai usor in straturi care au moleculele apropiate. Materialele moi absorb sunetul, iar vidul ii impiedica propagarea. In realitate, in afara de temperatura, mai exista si alti factori care influenteaza viteza de propagare a sunetului si care nu au fost luati in seama la deducerea formulei. Astfel de factori sunt umiditatea aerului (viteza e mai mare in aerul umed decat decat in cel uscat), ionizarea aerului care duce la cresterea vitezei, curentii de aer, precum si intensitatea sunetului.

Deorece ne intereseaza indeosebi propagarea sunetului in aer va prezentam un table cu valorile vitezei pentru unele medii (pentru gaze si lichide este indicata si temperatura):

Cand izvorul sonor (presupus punctiform) este in repaus, undele sonore care pornesc din acest punct sunt unde sferice, fronturile de unda fiind suprafete sferice concentrice. In cazule in care sursa Sonora se misca (sa presupunem rectiliniu), centrele suprafetelor sferice se vor gasi pe linia care reprezinta traiectoria sursei. In functie de vitza sursei in raport cu viteza de propagare a sunetului avem trei situatii:

a) Viteza sursei sonore (u) mai mica decat viteza (v) a sunetului, undele sonore se inconjoara una pe alta fara sa se intretaie, insa nu mai au acelasi centru, ingramadindu-se in directia in care se misca sursa (figura 1). Dupa cum se vede, punctual A spre care se indreapta izvorul sonor este strabatut de un numar mai mare de unde in unitatea de timp (frecventa creste - efectul Doppler-Fizeau). situatia este inversata pentru punctual B, fata de care izvorul se indeparteaza.

b) Viteza sursei sonore (u) este egala cu viteza (v) a sunetului, undele sferice se ating in fiecare moment intr-un punct comun, care este punctul in care se gaseste sursa in acel moment (punctual din figura 2). Un observator asezat in directia spre care se misca sursa primeste deodata toate undele sub forma unui pocnet (bangul sonic).

c) Viteza sursei sonore (u) mai mare decat viteza (v) a sunetului, in acest caz, undele sferice se intretaie. Infasuratoarea acestor unde este un con cu varful in punctual in care se gaseste sursa in momentul respectiv (figura 3).Unde unghiul φ dintre

Figura 1 Figura 2 Figura 3

generatoarea conului (AO₆) si directia de deplasare a sursei (O₁O₆) este dat de relatia:

sin φ = = = , (2)

unde Δt este timpul in care sursa s-a deplasat de la O₁ la O₆ si, respective unda Sonora excitata in O₁ s-a propagate pe distanta ||O₁A||. Situatia apare ca si cum sursa Sonora art rage dupa ea undele sonore, un observator situat inpartea inspre care inainteaza sursa va primi undele sonore in ordinea inverse in raport cu cea in care au fost produse.

Corpurile care se misca cu o viteza mai mare decat cea a sunetului (supersonice) produc, prin comprimarea aerului in directia de inaintare, o unda care nu are character periodic, reprezentand doar un domeniu de comprimare care se propaga cu viteza sunetului. O astfel de unda se numeste unda de soc sau unda balistica. Ele provoaca senzatia unui soc puternic. Aceste unde apar de exemplu, in cazul proiectilelor sau al avioanelor cu reactie.

Calitatile sunetului

Sunetele pot fi caracterizate prin trei calitati principale: inaltimea, intenstitatea si timbru.

a) Inaltimea sunetului este proprietatea sa de a fi mai profound (grav) sau mai acut (ascutit, subtire). Experimental s-a constatat ca inaltimea sunetului depinde de frecventa oscilatiilor sonore. Astfel, urechea apreciaza doua sunete cu aceeasi inaltime (sunt la unison) daca au aceeasi frecventa, iar in cazul in care au frecvente diferite, este mai inalt (acut) cel care are frecventa mai mare. Din aceasta cauza, inaltimea sunetului se exprima numeric prin frecventa undei sonore.

Sa observam aici ca vibratiile libere ale corpurilor materiale au loc, in general, cu diferite pulsatii proprii, spre deosebire de cauzl oscilatiilor punctului material in care avem o singura frecventa de vibratie, determinate de masa punctului si constanta fortei elastice (ω₀ = k/m). astfel, un corp material care vibreaza va produce sunete de diferite inaltimi, de frecvente bine determinate pentru fiecare corp. Sunetul emis de corp, sunet cu frecventa cea mai mica, se numeste sunet fundamental, iar cele corespunzatoare unor frecvente egale cu multiplii intregi ai frecventei sunetului fundamental se numesc armonice superioare.

In natura se intalnesc foarte rar sunete "curate", care sa aiba o frecventa bine determinate, sunetele naturale fiind, de fapt, compuse din sunete de diferite frecvente.

b) Intensitatea sau taria sunetului intr-un anumit punct din spatiu este determinata de cantitatea de energie pe care o transporta unda sonora in unitatea de timp prin unitatea de suprafata asezata in acel punct, perpendicular pe directia de propagare. Pentru a vedea care sunt marimile de care depinde intensitatea, sa consideram un paralelipiped de sectiune ΔS, perpendicular pe directia de propagare a undei si de lungime νT (figura 4). Suprafata ΔS va fi strabatuta intr-o perioada T de energia medie W a undei sonore care se gaseste in paralelipipedul considerat

W = wΔSvT (3)

Intensitatea va fi deci: I = = wv = A²ω²ν sau 2π²ρA²ν²v (4), se vede ca inensitatea sunetului depinde atat de marimi care caracterizeaza oscilatia sonora (A, ν), cat si de marimi care caracterizeaza mediul (ρ, v).

In cazul undei plane, amplitudinea ocsilatiei nu depinde de distanta de la izvorul sonor si, in consecinta, intensitatea va fi aceeasi in orice punct. Daca insa sunetul se propaga prin unde sferice situatia se schimba. Pentru a vedea cum sa consideram cantitatea de energie care strabate intr-o perioada o suprafata sferica de rasa r cu centrul in punctul in care se gaseste unda sonora. Daca consideram propagarea intr-un mediu omogen, energia care strabate un element ΔS, suficient de mic, al suprafetei este data tot de relatia (3). Cum w, v si T au acealeasi valori in orice punct de pe suprafata sferica de raza r energia care trece prin toata suprafata sferica va fi W = 4πr² ω²A²ρvT. Considerand priopagarea fara absorbtie , energia transportata de unda, intr-o perioada, prin orice suprafata sferica cu centrul in sursa sonora, trebuie sa fie aceeasi. Cum w, ρ, ω, v si T sunt aceleasi in toate punctele mediului, trebuie sa avem Ar = const. sau A=A₀/r, adica amplitudinea este invers proportionala cu distanta pana la sursa Sonora. Pentru unda sferica putem descrie I = I₀/r² cu I₀ = 2π²ρA²ν²v adica intensitatea undelor sonore sferice scade invers proportional cu patratul distantei de la sursa.

c) Timbrul. Intre sunetele de aceeasi intensitate si inaltime, emise de instrumente diferite exista o deosebire calitativa pe care o numim timbrul sunetului. Un mod de vibratie a unei surse sonore reprezinta distributia ventrelor si nodurilor undelor stationare Aceasta deosebire este legata de faptul ca un corp material emite, in afara sunetului fundamental si o serie de sunete de frecvente superioare insa de intensitati mult mai mici decat a celui fundamental. Acestea depind de lungimea tubului sau corzii sonore. Corzile instrumentelor sau coloanelor de aer din tuburile instrumentelor de suflat trec de la un mod de vibratie (oscilatie) la altul foarte repede, incat totdeauna sunetul muzical este un sunet compus, in care sunt prezente simultan si frecvente superioare, numite armonice Timbrul este determinat tocmai de aceste sunete superioare care insotesc sunetul fundamental. Aceeasi piesa nu produce aceeasi senzatie auditiva si impresie asupra psihicului daca este redata de voci umane sau de instrumente diferite. Experienta arata ca timbrul undei sonore depinde de numarul, inaltimea si intensitatea sunetelor superioare, dar nu depinde de diferenta de faza dintre aceste vibratii (mai exact). Modurile de vibratie proprii ale corzilor vocale, care au lungimi diferite la oameni, cu frecventele armonice caracteristice, deosebesc vocile prin timbrul specific. Sunetele vocale sunt produse de vibratia corzilor vocale sub actiunea unui flux de aer. Daca deschizi gura si produci un sunet, fara sa pui in miscare alti muschi, il vei auzi nearticulat. Cand vorbesti, intra in actiune cavitatea bucala, muschii gatului, limba, buzele, faringele, care transforma sunetele in cuvinte. Sunetele muzicale sunt emise prin modificarea distantei si tensiunii in corzile vocale sub actiunea muschilor gatului.

Perceperea sunetelor

Perceperea sunetelor de catre om se realizeaza prin intermediul urechii. Vibratiile auditive sunt transmise prin intermediul diferitelor parti ale urechii, facand sa vibreze asa numitele fibre ale lui Corty. Sub actiunea unui sunet de inaltime (frecventa data), vibreaza anumite fibre excitand terminatiile corespunzatoare ale nervului auditiv, care la randul sau transmite excitatia la creier. Nervii auditivi transforma energia vibratiilor produse in ureche de undele sonore in mici impulsuri nervoase (biocurenti) care produc in creier o senzatie auditiva(care depinde de varsta si de starea receptorului auditiv) Frecventa sunetelor audibile este cuprinsa intre aproximativ 16 Hz si 20000 Hz. Aceste limite variaza insa de la o perosoana la alta si in general cu varsta. Vibratiile de frecventa mai mica decat 16 Hz se numesc infrasunete, iar cele peste 20000 Hz se numesc utrasunete.

Se constata deasemenea ca si intensitatea sunetelor este cuprinsa intre anumite limite si anume, aproximativ intre 410^-12 W/m² si 210² W/m². Intensitatea minima care determina senzatia minima se numeste prag de audibilitate. Daca intensitatea sunetului creste foarte mult, in ureche apare o senzatie de presiune si apoi de durere. Intensitatea maxima peste care apare aceasta senzatie se numeste prag tactil sau pragul senzatiei de durere. Limitele de intensitate depind de frecventa sunetului. Astfel, se constata ce pentru frecvente cuprinse intre circa 1000 Hz si 3000 Hz urechea este cea mai sensibila pragul de auditibilitate este cel mai jos, atingand valori de ordinul 10^-12 W/m². Pentru frecvente mai joase sau mai inalte, urechea este mai putin sensibila, progul de audibilitate fiind mai ridicat. In figura alaturata sunt reprezantate schematic pragul de audibilitate si pragul senzatiei de durere (curbele pline). Regiunea dintre cele 2 curbe reprezinta suprafata intensitatilor audibile sau suprafata de audibilitate.

Intensitatea senzatiei auditive (intensitatea subiectiva a sunetului) nu este proportionala cu intensitatea sunetului fizic definita mai sus. In general pentru un sunet de o frecventa data, senzatia auditiva creste rapid cu cresterea intensitatii si apoi, cand ne apropiem de pragul senzatiei de durere, intensitatea trebuie sa creasca foarte mult pentru ca urechea sa perceapa o diferenta, deci intensitatea subiectiva a sunetului nu poate fi masurata cantitativ exact. O evaluare aproximativa este data de legea psiho-fizica formulata de Weber si Fechner. Conform acestei legi, diferenta dintre senzatiile auditive produse 2 sunete este proportionala cu logaritmul raportului dintre cele 2 sunete, S₂-S₁ = klog(I₂/I₁)

In aceasta relatie S₁ reprezinta senzatia auditiva (sau nivelul intensitatii sunetului) produsa de sunetul de intensitate I₁. Desi ipotezele pe baza carora se deduce aceasta relatie nu sunt exact satisfacute, ea este foarte importanta, deoarece sistemul de masura a a intensitatilor sonore (scara nivelelor de intensitate a sunetelor) se bazeaza pe aceasta lege.

Daca luam ca nivel zero (senzatia auditiva S₀ = 0) pragul de audibilitate I₀, I₀ = 10^-12 W/m², nivelul intensitatii sunetului este dat de relatia S = klog(I/I₀), daca se ia k = 1, unitatea de masura pentru nivelul intensitatii sonore se numeste bel, iar daca se ia k = 0, decibel (dbel). Unei intensitati I = 10 I₀, ii corespunde un nivel S = 10 dbel, pentru I = 100 I₀ avem S = 20 dbel, iar pentru o intensitate apropriata de pragul senzatiei de durere I = 10¹⁴ I₀ avem valoarea S = 140 dbel.

In tabelul urmator dam nivelele intensitatii sunetelor pentru cateva sunete obisnuite; valorile intensitatilor se refera la sunetul de 1000 Hz. Pentru a percepe o vibratie ca sunet, in afara conditiilor de frecventa si intensitate mai exista si o conditie de durata. Astfel, pentru ca un om obisnuit sa perceapa bine inaltimea unui sunet, trebuie ca urechea sa sa primeasca unde sonore cel putin timp aproximativ o sutime de secunda, adica cel putin 5 vibratii pentru un sunet de 500 Hz, 10 vibratii pentru 1000 Hz etc. Totusi, dupa mult exercitiu, aceasta limita coboara sensibil ajungand, de exemplu, la 2 vibratii pentru a percepe destul de corect inaltimea unui sunet intre 40 Hz si 3000 Hz.

Din punct de vedere al senzatiei auditive pe care o produc sunetele pot fi impartite in 3 clase: sunete musicale (simple sau compuse); zgomote si pocnete. Se arata experimental ca sunetel musicale sunt produse de miscari periodice, zgomotele de miscari neregulate, iar pocnetul este rezultatul lovirii urechii de o variatie brusca si scurta a presiunii aerulul. Relatia dintre 2 sunete produse succesiv sau simultan este caracterizata prin raportul dintre frecventele celor 2 sunete (ν₂/ν₁) numit interval, iar daca reprezinta raportul dintre anumite numere intregi, avem un interval muzical. Principalele intervale musicale sunt si sunt determinate unisonul (1); secunda mare (9/8 sau 10/9); terta mare (5/4); terta mice (6/5); cvarta (4/3); cvinta (3/2); sexta mare (5/3); sexta mica (8/5); septima mare (15/8) septima mica (9/5) si octava (2/1).

Doua sau mai multe sunete produse simultab, separate prin intervale musicale, formeaza un accord. Senzatia auditiva pe care o produce poate fi mai mult sau mai putin placuta. In functie de aceasta, acordul se numeste consonant sau dissonant. Cele mai cunoscute acorduri sunt cele de octava, terta majora si cvinta, iar disonante cele de cvarta, sexta , secunda si septima. In general, acordul este cu atat mai consonant cu cat numerele care definesc raportul sunt mai mici. Trei sunete formeaza un accord perfect, daca ultimele doua sunt separate de primul (sunet fundamental) printr-o terta si, respective cvinta. Avem accord perfect major, daca terta este majora (luand pentru primul sunet unitatea, rapoartele sunt: 1, 5/4, 3/2) si acordul perfect minor (1, 6/5, 3/2).

O alta notiune importanta este aceea de scara muzicala, care desemneaza o secventa de sunete separate prin intervale musicale. Aceste secvente se reproduce prin serii de cate sapte sunete, numite game. De exemplu, secventa de mai jos, cu denumirile notelor cunoscute de toti, reprezinta gama Do major:

Note:      do re mi fa sol la si do

Interval fata de

prima nota a gamei 1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2

interval succesiv 9/8 10/9 16/15 9/8 10/9 9/8 16/15

Intervalele 9/8 si 10/9 se numesc ton major, respective ton minor, iar 16/15 semiton. Scara muzicala avand succesiunea de tonuri si semitonuri de mai inainte se numeste scara diatonica naturala si contine serii de game in tonalitate indicate de nota de la care se porneste (tonica gamei).

Sa observam ca, daca am pleca de la nota sol pentru a construe gama sol major, ar trebui sa introducem doua note noi: la si fa. In fine, daca am dori game avand ca tonica fiecare din cele sapte note, ar trebuie sa introducm o multime de note noi pentru fiecare octava. Pentru a ocoli aceasta dificultate s-a introdus scara uniform temperate care contine 12 semitonuri in fiecare octava, intervalul succesiv dintre doua note fiind de un semiton, interval constant si egal cu 2^1/12 = 1,05946. Seria standard pentru fiecare octava temperate va fi:

Do (2⁰); do# = reь(2^1/12); re (2^2/12); re# = miь(2^3/12); mi(2^4/12); fa(2^5/12); Fa# = solь(2^6/12); sol(2^7/12); sol# = laь(2^8/12); la (2^9/12); la# = siь(2^10/12); si(2^11/12); do(2^12/12);

In scara temperate se poate construi usor orice gama avand ca tonica oricare dintre cele 12 note date mai sus. In scara temperate toate intervalele (afara de octava) sunt usor diferite de cele din scarile diatonice. Aceasta inseamna ca un instrument acordat in scara temperate nu va suna deosebit de bine, dar va suna la fel de bine indiferent de tonalitatea in care se va canta, in timp ce, daca ar fi acordat intr-o anumita gama diatonica naturala, va suna foarte bine daca compozitia cantata este in acea tonalitate, dar foarte prost pentru orice alta tonalitate.

In timpul inregistrarii digitale (numerice) pe un compact-disc, sunetele convertite in semnale electrice codificate in secvente numerice (0 si 1) sunt gravate pe suprafata discului sub forma unor minuscule scobituri, care sunt apoi acoperite cu o folie subtire de aluminiu reflectorizant. Cand CD-ul este introdus in lectorul optoelectronic de discuri, un fascicul laser reflectat de succesiunea de scobituri decodifica informatia stocata in semnalele elctrice, care apoi sunt convertite in sunete de catre difuzoare. Acul capului unui pick-up urmareste denivelarile discului, facand sa vibreze spirele care se afla intre polii unui magnet, obtinandu-se prin inductie electromagnetica semnale electrice. Ele vor fi amplificate si transformate in semnale acustice de catre difuzoarele boxelor.

Sunete si zgomote

Sunetul s-a integrat in viata noastra cotidiana incat rareori suntem constienti de toate functiile sale.El ne ofera momente de distractie cand a ascultam o simfonie sau cantecul pasarilor;ne permite sa comunicam cu familia si prietenii nostrii prin intermediul vorbirii.Tot sunetul ne avertizeaza de apropierea unui automobil,ne atrge atentia atunci cand suna telefonul sau bate cineva la usa sau cand suna sirena unui vapor.

I.Sunetele

Din mediul ambiant omul vede doar 7 culori dar spectrul luminii este mult mai complex.Urechea umana percepe sunetele cu frecventa situata intre 16-20000 vibratii/s sau hertzi,in timp ce gama acoperita de un pian de la tonul cel mai grav pana la tonul cel mai ridicat este de la 27,5Hz-4186Hz.Sunetul se propaga sub forma de unde elastice numai in substante(gaze lichide si solide) dar nu se propaga in vid.El se propaga cu 331m/s in aer.Caracteristicile lui sunt:

-a)inaltimea(exprimata in frecventa vibratiei);

-b)intensitatea(exprimata in energia vibratiei);

II.Infrasunetele

Infrasunetele sunt oscilatii sonore de frecvente foarte joase,situate sub 16Hz,deci urechea umana nu le aude.Fiintele marine,cum ar fi pestii,meduzele aud infrasunetele si simt aparitia furtunilor si uraganelor care coboara si sub frecventa de 16Hz.Oamenii nu sesizeaza in mod direct prezenta infrasunetelor dar unele modificari ale starilor fizico-pshice confirma ca si organismele umane sunt totusi influentate.O recenta ipoteza lansata de savanti incearca sa dea o explicatie absolut stiintifica unor 'misterioase' accidente si catastrofe.De-a lungul timpului au fost gasite pe diferite mari nave abandonate sau avand la bordul lor cadavre ale caror fete purtau expresia durerii si a groazei.Conform ipotezei amintite in timpul furtunilor sunt emise infrasunete care se propaga cu viteza sunetului,ajungand la mari departari cu mult inaintea furtunii propriu-zise,astfel incat in ciuda vremii bune se pot resimtii efectele lor.Masuratorile efectuate arata ca infrasunetele provocate de furtuni pe mari si oceane au o frecventa medie de 6Hz.S-a constatat ca infrasunetele de intensitati mari,la frecventa de 7Hz pot traumatiza grav sistemul nervos,sistemul circulator,provocand chiar moartea.Astfel s-ar putea gasi o explicatie pentru catastrofele misterioase care au avut loc pe diferite mari si oceane.

Tot pe seama actiunii infrasunetelor cercetatorii explica si senzationala distrugere a unei paduri siberiene in 1908,prin explozia in atmosfera a unui meteorit.Astazi infrasunetele pot fi produse de unele tipuri de turbine,avioane turboreactoare cum ar fi avionul Concorde.

Asa cum nu pecepe vibratiile de frecvente foarte joase(infrasunetele),urechea umana nu le percepe nici pe cele de frecvente foarte inalte(ultrasunetele).

III.Ultrasunetele

Ultrasunetele sunt vibratii sonore situate intre 20000-1000000Hz.Unele fiinte cum ar fi liliacul percepe si ultrasunetele.Ele se propaga ca si sunetele sub forma de unde elastice,mai greu prin aer decat prin lichide sau solide,avand o lungime de unda mai mica decat sunetele.

Ultrasunetele pot fi produse prin mijloace mecanice(generatorul Hartman),mijloace electromagnetice,sau mijloace termice.Efectele ultrasunetele diferitelor stari de agregare a materiei si asupra organismelor vii sunt variate:unele fiind utile altele fiind daunatoare.Dintre aplicatiile utile face parte sondajul submarin pe baza de ultrasunete utilizat pentru a stabili adancimea apei sau pentru detectarea unor vase esuate in adancul marilor.O alta aplicatie o constituie defectoscopia cu ultrasunete,care permite punerea in evidenta a unor defecte in elementele de beton armat sau in organele de masini,fara a produce nici cele mai mici deteriorari suplimentare ale acestor piese.

Ultrasunetele sunt utilizate la distrugerea unor bacterii sau virusuri ale unor boli contagioase cum sunt bacilul tuberculozei,virusul gripei,insa ultrasunetele au si multe efecte nocive asupra omului atunci cand acesta se afla in imediata apropiere a sursei.Dr.Williams,cercetator la Departamentul de Biofizica al Universitatii Manchester(M.B.)facand experiente pe animale apoi pe oameni,considera ca terapia cu ultrasunete poate dezintegra globulele rosii din sange si afecteaza chiar globulele albe.In cazul folosirii ultrasunetelor pentru stabilirea unui diagnostic intensitatea lor este mult mai redusa dar totusi reclama prudenta.

O alta aplicatie utila este si realizarea unui bisturiu cu ultrasunete.Societatea olandeza A.H.S. a fabricat un bisturiu cu ultrasunete numit D.X.-101 utilizabil cu bune rezultate in neurochirurgie.

Zgomotul si efectele sale nocive

In conditiile civilizatiei contemporane,omul traieste intr-o continua ambianta sonora.Pretutindeni el este insotit neincetat de un cortegiu de sunete si zgomote de cele mai diferite intensitati avand efecte mai mult sau mai putin agresive asupra confortului si chiar asupra sanatatii sale.

Zgomotul poate fi definit ca vibratii sonore fara caracter periodic care se propaga prin diverse medii(aer,apa,etc.) si care impresioneaza negativ urechea omeneasca.

Dupa -Larousse - zgomotul constitue un asmblu de sunete fara armonie.Fizicienii definesc zgomotul ca o suprapunere dezordonata cu frecvente si intensitati diferite, iar fiziologii considera zgomotul ,orice sunet suparator care produce o senzatie dezagreabila.

Caracteristicile fizice sau obiective ale zgomotului privesc taria sau intensitatea,durata si frecventa.

Intensitatea este caracterul cel mai important care depinde de trasaturile sursei,de distanta si posibilitatile de transmitere sau multiplicare.Ea se masoara in decibeli sau foni.Decibelul(d.B.)este o marime fizica si reprezinta unitatea logaritmica calculata pornind de la pragul absolut de audibilitate 0 d.B. pentru un sunet de 1000Hz.Fonul este unitatea de masura fiziologica de perceptie de catre urechea umana a celei mai slabe excitatii sonore.S-a admis ca cifra 80 pe scara de decibeli sau pe scara de foni reprezinta pragul la care intensitatea sunetului devine nociva.

Durata reprezinta timpul cat excitantul sonor(zgomotul)actioneaza asupra analizatorului auditiv.Efectul nociv al zgomotului este direct proportional cu durata acestuia iar peste anumite limite de suportabilitate se ajunge la o pshihoza periculoasa.S-a observat ca daca zgomotul intens actioneaza un anumit timp asupra urechii drepte iar apoi asupra celei stangi,persoana respectiva are senzatia ca zgomotul este mult mai intens decat cel pe care il auzea anterior cu urechea dreapta.In acest caz se poate spune ca urechea dreapta s-a adaptat la zgomot.

Frecventa reprezinta numarul de vibratii acustice intr-o secunda si se masoara in numar de perioade pe secunde sau Hz.In banda de frecvente 1000-5000Hz in care urechea are sensibilitatea cea mai ridicata,inaltimea este direct proportionala cu frecventa.Sunetele joase cuprind gama de frecvente cuprinse intre 30-400Hz;cele mijlocii 400-1000Hz iar cele inalte peste 100Hz.

Nivelul zgomotului se masoara tinandu-se seama atat de intensitatea,cat si de frecventa sunetelor care-l compun.Aceste insusiri confera zgomotului potente nocive,indiferent de preferinte si de starea psihica a individului.

Zgomotul poate prosuce la nivelul organului auditiv fenomenul de oboseala auditiva,traumatism sonor si surditate profesionala.

Oboseala auditiva este caracterizata printr-o scadere temporara a pragului perceptiei auditive;ea se accentueaza in cazul maririi intensitatiim,frecventei si timpului de expunere a zgomot.Astfel un zgomot cu intensitate de peste 92d.B. si cu ofrecventa cuprinsa intre 500-800Hz produce dupa 60 de minute de expunere o scadere temporara a auditiei.

Traumatismul sonor produs brusc de zgomotul puternic chiar pentru un timp foarte scurt poate cauza ruptura timpanului.Astfel de situatii se intampla in cazul unor explozii,impuscaturi,eruptii intense de gaze din recimpiente sub presiune.Dupa vindecarea leziunii poate persista surditatea pentru sunete cu frecvente de peste 9000Hz. 3)Surditatea profesionala se datoreaza efectuarii anumitor activitati expuse in mod deosebit la zgomot.Surditatea datorata zgomotelor se caracterizeaza printr-o pierdere definitiva si ireversibila a auditiei.     

Surse de poluare sonora

Sursele de poluare sonora sunt foarte numeroase si diferite.Acestea sunt:

a)circulatia sau transporturile

b)industria

c)constructiile si montajele

d)comertul

e)copiii in terenurile de joaca(tipetele lor inregistrand 70-80d.B.

f)terenurile sportive si stadioanele(zgomotele provenite din acestea fiind de peste 100d.B.

g)animalele(cainii,pisicile,pasarile)pot tulbura linistea mai ales noaptea.

Latratul unui caine inregistreaza intensitati sonore de 70-80d.B.

Masurile de combatere a zgomotului se impun ca o necesitate de prim ordin si ele sunt foarte numeroase.Astfel pentru diminuarea zgomotului produs de traficul rutier,perdelele forestiere constituite din arbori si arbusti au capacitatea de a reduce zgomotul cu circa 10d.B.