Acustica

D.1.

  

Caracteristicile sunetului

Activitatea experimentală 1D1−1

Investighează generarea sunetelor.

Pasul 1  Accesează acest generator audio.

Acesta îţi permite să generezi sunete prin difuzoarele ataşate calculatorului.

Pasul 2  Desfă sita frontală care protejează difuzoarele unei boxe şi pune boxa orizontal, cu difuzoarele în sus (figura 1D1−1).

Fig. 1D1-1. Difuzoarele unei boxe de calculator, expuse prin îndepărtarea sitei de protecţie.

Pasul 3  "Presară" bucăţi mici de polistiren expandat în conul difuzorului. Generează sunete cu diferite frecvenţe şi amplitudini şi observă ce se întâmplă.

Vibraţiile membranei difuzorului se transmit, prin ciocnire, particulelor de polistiren (figura 1D1−2).

Fig. 1D1-2. Vibraţiile membranei difuzorului se transmit particulelor de polistiren.

Totodată, auzi sunete! Aşa cum membrana difuzorului loveşte particulele de polistiren, tot aşa loveşte şi moleculele aerului, provocând comprimarea locală a acestuia.

Această perturbaţie se propagă din aproape în aproape, ca o undă longitudinală, până la urechile tale (figura 1D1−3).

Fig. 1D1-3. Membrana care vibrează provoacă unde longitudinale în aer.

Undele sonore sunt unde mecanice longitudinale de compresie/rarefiere.

Frecvenţa undelor sonore este frecvenţa cu care se succed compresiile la care este supusă o zonă a mediului.

Viteza de propagare a undelor sonore depinde de caractaristicile mediului de propagare.

Provocarea 1D1−1

Cât te aştepţi să fie viteza de propagare a undelor sonore în aer?

În condiţii obişnuite, distanţa medie dintre moleculele aerului este mult mai mare decât dimensiunile acestora.

Perturbând o moleculă, aceasta poate transmite perturbaţia doar străbătând distanţa care o separă de o moleculă vecină, pe direcţia de propagare a perturbaţiei.

Aşadar, viteza undelor sonore în aer este comparabilă cu viteza cu care moleculele se mişcă pe direcţia de propagare:

(1)

unde este constanta universală a gazelor, T este temperatura absolută a aerului (considerat gaz ideal), iar M este masa sa molară.

La temperatura camerei (200C), viteza cu care se mişcă, pe direcţia de propagare, moleculele de azot − cele mai numeroase în compoziţia aerului (Mazot = 28 kg · kmol-1), este aproape 300 m/s (aproximativ 1000 km/h!).

Ne aşteptăm ca viteza sunetului în aer să fie chiar mai mare decât rezultatul precedent: în zonele de comprimare foarte rapidă (adiabatică), temperatura este mai mare decât cea ambientală!

Activitatea experimentală 1D1−2

Măsoară viteza sunetului în aer, cu mijloace aflate la îndemână!

Pasul 1  Rulează, din carton, un tub cu lungimea 0,5 m şi diametrul aproximativ egal cu lăţimea boxelor.

Pasul 2  Pune boxele pe masă, răsturnate, faţă în faţă. Pune tubul de carton între cele două boxe, astfel încât capetele tubului să fie în dreptul difuzoarelor celor două boxe.

Pasul 3  Porneşte generatorul de sunete şi creşte treptat frecvenţa.

Observă ce se întâmplă în intervalul 340 Hz...350 Hz.

Încearcă să determini viteza sunetului pe baza observaţiilor făcute!

În intervalul 340 Hz...350 Hz are loc o scădere accentuată a intensităţii sunetului pe care îl auzi. Dacă îndepărtezi tubul de carton dintre cele două boxe, vei auzi un sunet intens. Simpla reaşezare a tubului reduce dramatic intensitatea sunetului.

Aceasta înseamnă că lungimea tubului coincide cu o jumătate de lungime de undă a sunetului, astfel încât, în dreptul fiecărui capăt, interferenţa undelor provenite de la cele două difuzoare este distructivă.

Aşadar, la frecvenţa pentru care are loc interferenţa distructivă la capetele tubului (n0), lungimea de undă este dublul lungimii tubului (l0 = 1 m).

Provocarea 1D1−2

Cât este valoarea unui factor cu care trebuie corectată relaţia (1) pentru a o pune în acord cu rezultatul obţinut la activitatea experimentală precedentă?

Viteza undelor sonore într−un gaz ideal este dată de relaţia:

unde g este exponentul adiabatic al gazului ideal.

O sursă sonoră, cum este un difuzor, transferă energie mediului, într−un anumit ritm.

Numim putere acustică a unei surse de unde sonore, puterea transferată mediului de către aceasta.

Tabelul 1D1−1 prezintă puterile acustice ale câtorva surse.

Tabelul 1D1−1. Puteri acustice (ordine de mărime).
Sursa sonoră Puterea
acustică
(W)
Foşnetul frunzelor, torsul pisicii 10-9
Voce obişnuită 10-5
Voce tare 10-3
Ţipăt 10-1
Orchestră mare 102
Avion cu reacţie 104
Rachetă 107

Este remarcabilă întinderea intervaluli puterilor acustice: o rachetă furnizează de zece milioane de miliarde de ori mai multă putere acustică decât o pisică torcând!

Puterea acustică a unei surse se răspândeşte în mediu. Într−o anumită zonă a mediului, printr−un element de suprafaţă ("petec" imaginar, suficient de mic pentru a putea fi considerat plan), normal pe directia de propagare a undelor sonore, se transferă o anumită putere (figura 1D1−4).

Fig. 1D1-4. Un element de suprafaţă prin care se transferă putere acustică.

Numim intensitate acustică densitatea superficială a puterii acustice:

Intensitatea
acustică		 = Puterea transferată printr−un element de suprafaţă
Aria elementului normal de suprafaţă

Tabelul 1D1−2 prezintă câteva intensităţi acustice.

Tabelul 1D1−2. Intensităţi acustice (ordine de mărime).
Sursa sonoră Intensitatea
acustică
(W/m2)
Pisică torcând, de la 10 m
(pragul audibilităţii)		 10-12
Foşnetul frunzelor 10-11
Şoaptă, de la 1 m 10-10
Conversaţie normală, de la 1 m 10-6
Stradă aglomerată 10-5
Aspirator, de la 1 m 10-4
Walkman, nivel maxim 10-2
Concert rock, primul rând 10-1
Avion cu reacţie, de la 3 m 102

Intensitatea acustică datorată unui avion cu reacţie este de o sută de mii de miliarde de ori mai mare decât pragul audibilităţii!

Ne putem descurca mai uşor cu o plajă atât de largă, luând în considerare doar ordinele de mărime, în comparaţie cu pragul audibilităţii.

Numim nivel de intensitate acustică logaritmul zecimal al raportului dintre intensitatea acustică şi pragul audibilităţii.

Exprimăm nivelul intensităţii acustice în belli (simbol B).

Numele unităţii a fost dat în onoare americanului Graham Bell, invetatorul telefonului.

Pentru a evita zecimalele, exprimăm uzual nivelul intensităţii sonore în zecimi de belli (decibeli, simbol dB).

Astfel, nivelul intensităţii acustice a unui sunet cu intensitatea acustică I este, comparativ cu intensitatea acustică a pragului audibilităţii (I0):

Nivelul intensităţii acustice (în dB) = .

Aşadar, nivelul intensităţii acustice a pragului audibilităţii este 0 dB, iar cel al unei conversaţii normale este

Provocarea 1D1−3

Transcrie în dB tabelul 1D1−2.

Cu cât creşte nivelul intensităţii acustice dacă se trece de la şoaptă la conversaţie normală?