Sunetul si propagarea lui

Sunetul si propagarea lui

In aer, ca si in orice alt gaz, oscilatiile se propaga sub forma de unde longitudinale. Ajungand la organul auzului nostru, urechea, vibratiile ale caror frecvente sunt cuprinse in intervalul aproximativ de la 20 la 20000 vibratii in 1s (Hertzi) provoaca senzatia specifica auditiva. Aceste vibratii sunt vibratiile sonore sau acustice numite sunete.

Aceasta separare a vibratiilor, care au frecvente cuprinse intre 20 si 20000 Hz, este legata de caracterele fiziologice ale urechii omului care percepe vibratiile cuprinse in acest interval de frecvente. Din punct de vedere fizic, oscilatiile de 10 Hz sau de 30000 Hz nu se deosebesc prin nimic specific de oscilatiile cu frecventa de 20 Hz sau 20000 Hz. Oscilatiile elastice cu frecvente de peste 20000 Hz sunt numite ultrasunete, iar cele cu frecvente mai mici de 20 Hz se numesc infrasunete. O parte din undele ultrasonice si anume acelea de frecvente foarte ridicate, nu se mai supun legilor clasice ale mecanicii, necesitand aplicarea legilor mecanicii cuantice. Pentru a se marca aceasta diferentiere, asemenea unde acustice au luat denumirea de microunde sau hipersunete. Domeniul lor incepe de la aproximativ 10⁹ Hz si se intinde in mediile solide pana la 10¹³-10¹⁴ Hz, acestor frecvente corespunzandu-le lungimi de unda comparabile cu distantele interatomice. 10¹⁴ Hz este frecventa cea mai ridicata pe care o pot avea undele acustice. Intr-un mediu gazos, atenuarea puternica a undelor ultrasonice determina restrangerea domeniului de existenta a microundelor.

Sunetul se poate propaga prin cele 3 medii gazos, lichid si solid. El nu se poate propaga in vid. Sunetul este produs prin comprimarea si decomprimarea straturilor succesive din mediu (perturbatia se transmite din aproape in aproape prin mediul elastic, creandu-se unde elastice, care iau alternativ forma unei compresiuni sau a unei rarefieri) - vezi figura urmatoare

Viteza sunetului este cu atat mai mare cu cat densitatea mediului este mai mare, deoarece fenomenul de propagare a unei unde se bazeaza pe existenta fortelor de interactiune dintre moleculele mediului; cu cat aceste forte sunt mai puternice cu atat deplasarea undei este mai rapida. Astfel viteza maxima este atinsa in solide si anume in granit - 6000 m/s.

In solide viteza sunetului este

,

unde E este modulul de elasticitate, ρ- densitatea, iar σ este coeficientul lui Poisson.

In tabelul urmator sunt prezentate cateva valori ale vitezei sunetului in solide:

In lichide viteza sunetului este

, unde k este modulul de compresabilitate, iar ρ este densitatea.

Cateva valori ale vitezei sunetului in lichide

In gaze viteza sunetului este

, unde μ este masa unui mol de gaz, T - temperatura absoluta, R - constanta gazelor, iar γ este raportul dintre caldura specifica a gazului la presiune constanta si caldura specifica la volum constant.

Deci , pentru un gaz dat, viteza de propagare a sunetului este direct proportionala cu radacina patrata a temperaturii T. Pentru diferite gaze , luate in conditii identice, vitezele sunetului sunt invers proportionale cu radacina patrata a greutatilor lor moleculare.

Cateva valori ale vitezei sunetului in diferite gaze la 0˚C :

Valoarea mare a vitezei sunetului in hidrogen este determinata de mica greutate molara a acestui gaz.

In lichide si in solide viteza sunetului este mai mare decat in gaze. Ea este invers proportionala cu radacina patrata a densitatii, si de asemenea, este direct proportionala cu radacina patrata a modulului de elasticitate. De exemplu, viteza sunetului in apa este de aproximativ 1525 m/s la temperaturi obisnuite, dar creste odata cu cresterea temperaturii. In schimb viteza sunetului in cupru la temperaturi obisnuite este de aproximativ 3353 m/s, dar descreste odata cu cresterea temperaturii ( deoarece scade modulul de elasticitate). In otel, care este mai elastic, viteza sunetului ajunge la 4877 m/s.

In propagarea undelor sonore in atmosfera, neomogenitatile acesteia au un rol important. Viteza sunetului depinde de temperatura aerului si de gradul de umiditate. Vantul influenteaza si el viteza de propagare a sunetului. Sunetul ajunge mai repede cand urmeaza miscarea vantului. Acest fenomen este determinat de gradientul vitezei vantului, si nu de viteza acestuia ca atare, deoarece aceasta este mai mica in comparatie cu viteza sunetului. Viteza vantului la suprafata pamantului este mai mica decat la o oarecare inaltime. Audibilitatea slaba in directia contrarie vantului se explica prin faptul ca razele sonore trec deasupra capului observatorului.

De asemenea in aerul cald, sunetul se propaga mai repede decat in aerul rece. Deci, din moment ce temperatura scade pe masura ce ne indepartam de suprafata pamantului, viteza sunetului scade cu inaltimea si razele sonore sunt deviate in sus. Acest lucru se intampla intr-o zi insorita si calda, cand suprafata pamantului este puternic incalzita. In aceste conditii audibilitatea este slaba. In schimb seara are loc o racire rapida a pamantului, care duce la racirea straturilor apropiate ale aerului. Temperatura aerului creste cu inaltimea, ceea ce duce la curbarea in jos a razelor sonore care se propaga in sus. Astfel se explica audibilitatea buna pe care o observam seara.

Prin neomogenitatile atmosferei se explica formarea asa-numitelor zone de tacere, care se observa in cazul propagarii la distante mari a sunetelor intense, cum ar fi cele provocate de explozii. Explozia se aude la distante relativ mici, dar si la distante foarte mari (sute de km), la mijloc insa exista o zona in care explozia nu se aude.