Bine ați venit la a treia tranșă din „lumea prin sunet”, Seria Web Acoustics Today care arată cum înțelegerea doar a câtorva concepte în acustică poate schimba modul în care vedeți lumea din jurul vostru. Ultima dată am luat în considerare frecvența și modul în care relația dintre frecvență și timp pentru undele acustice poate ajuta la risipirea misterului principiului incertitudinii mecanicii cuantice. În acest articol, vom combina conceptele ultimelor două articole despre viteza și frecvența sunetului pentru a vorbi despre lungimea de undă și importanța scării atunci când avem de-a face cu fizica.
lungimea de undă este dimensiunea unei unde, măsurată de la vârf la vârf.
lungimea de undă este unul dintre conceptele acustice mai simple de imaginat. Este pur și simplu dimensiunea unui val, măsurată de la un vârf la altul. Dacă cineva își imaginează o undă sonoră ca ceva de genul unui val de apă, atunci lungimea de undă este pur și simplu Distanța de la creasta unui val la următoarea creastă cea mai apropiată. Astfel, dacă distanța dintre două vârfuri este de 1 m, atunci lungimea de undă este de 1 m. există o relație directă între lungimea de undă, frecvența și viteza sunetului. Și anume, dacă cunoaștem frecvența (care este numărul de repetări ale undelor pe secundă, adesea date în Hertz sau Hz) și viteza sunetului (care este viteza pe care o parcurge unda în metri pe secundă), atunci putem găsi lungimea de undă folosind ecuația lungime de undă=viteză/frecvență.
altfel spus, lungimea de undă este distanța pe care o undă o parcurge înainte ca următoarea undă să înceapă. Asta înseamnă că la o anumită viteză a sunetului, pe măsură ce frecvența devine mai mare, timpul dintre repetări scade și lungimea de undă devine mai scurtă și invers.
undele se pot îndoi în jurul obiectelor mici cu ușurință, în timp ce obiectele mai mari pot bloca aceste unde.
lungimea de undă este cantitatea esențială de știut atunci când încercăm să înțelegem cum se mișcă valurile prin lume. Lungimile de undă lungi se îndoaie în jurul obiectelor care sunt mai mici decât ele însele, în timp ce lungimile de undă scurte se reflectă sau sunt absorbite de aceleași obiecte. Astfel, un sunet cu o lungime de undă de 3,4 cm în aer (1.000 Hz) nu va fi împiedicat de un obiect cu diametrul mai mic de 3,4 cm, dar un obiect mai mare poate interfera sau bloca în întregime acea undă.
adesea oamenii vorbesc despre ” lung „și” scurt”, dar ce se înțelege cu adevărat prin acești Termeni?”Cum se trasează o linie între acele categorii, desigur, neclare și extrem de subiective? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să înțelegem conceptul de scară. Scara este importantă în întreaga știință, de la biologie la fizică, deși nu toate disciplinele îi oferă un tratament formal.
scara este relativă. O pietricică care poate părea uriașă în comparație cu o furnică ar fi mică lângă un elefant!
pentru a vedea cum se gândește un fizician la scară, gândiți-vă la această întrebare: „Cât de mare este o rocă de 1 inch (2,54 cm)?”Dacă răspunsul tău este „nu foarte mare”, atunci gândești ca un om. Dar imaginați-vă pentru o secundă că ați fost o furnică. Stânca aia ar părea un deal! Dacă ai fi un șoarece, stânca ar fi ca un bolovan mic. Dacă ești om, stânca este doar o pietricică. Și dacă ai fi un elefant, stânca este ca o mică bucată de pietriș. Scara se aplică la mai mult decât dimensiunea fizică, totuși. De exemplu, s-ar putea să fi auzit de o „scară de timp geologică”, care se referă la perioade de timp suficient de lungi pentru a observa schimbări semnificative pe pământul însuși. Aproape fiecare cantitate poate acoperi o scară largă, fie că distanța, presiunea, timpul sau chiar banii.
când vorbim despre diferențe de scară, termenul folosit cel mai adesea este „ordin de mărime”, care este un alt mod de a spune puterea de zece. Dacă cineva ar spune că ceva a fost” cu un ordin de mărime mai mare”, ceea ce spune cu adevărat este că este de zece ori mai mare decât orice ar fi comparat. Dacă ceva este cu două ordine de mărime mai mare, ar fi de 100 de ori mai mare. Ordinea de mărime este atât de importantă încât face parte din notația științifică. De exemplu, 5.000.000.000 de metri (m) ar putea fi scrise ca 5.0 109 m, 9 din exponent fiind ordinul de mărime. Un videoclip celebru comandat de IBM parcurge scările universului în ordine de mărime, de la cel mai mare la cel mai mic.
deși există cu siguranță excepții, două cantități sunt considerate comparabile atunci când se află într-un ordin de mărime unul față de celălalt. Dincolo de asta, descriem unul ca fiind „mult mai mare” sau „mult mai mic” decât celălalt. În timp ce acest lucru poate părea doar o diferență semantică, în multe ecuații fizice având o cantitate mult mai mică sau mult mai mare, matematica se curăță până la forme mult mai simple, ceea ce corespunde unui comportament fizic mult mai simplu.
deși scara este importantă în întreaga știință, există puține locuri în care este mai evidentă decât cu lungimea de undă și sunetul. Lungimea de undă a sunetelor audibile, după cum se dovedește, acoperă o gamă foarte largă de scale. La capătul mare, aveți unde de joasă frecvență cu lungimi de undă de până la 17 metri (20 Hz), în timp ce cele mai înalte frecvențe pot fi la fel de mici ca 1.7 centimetri (20.000 Hz). Comparați acest lucru cu lungimile de undă ale luminii vizibile (430-790 nanometri) și nu numai că găsiți că sunetul acoperă o gamă mult mai largă de scale (patru ordine de mărime), dar acoperă și o gamă care este în mod direct la scara experienței umane.
pentru un exemplu despre modul în care lungimea de undă determină comportamentul sau sunetul, luați în considerare locuirea într-un apartament cu un vecin zgomotos. În cazul în care vecinul se transformă în sus stereo lor, s-ar putea auzi bas clar prin perete. Notele de bas sunt de joasă frecvență, cu lungimi de undă foarte lungi. Lungimi de undă atât de mult timp, de fapt, că gips carton ipsos vă separă de muzica ar fi considerat „foarte subțire.”Notele superioare, pe de altă parte, sunt blocate cu ușurință de perete, rezultând sunetul „înăbușit” care este adesea asociat cu surse blocate.
lungimea de undă determină, de asemenea, cât de ușor este să găsești direcția unui sunet. Este posibil să fi auzit, de exemplu, că plasarea unui subwoofer într-o cameră nu face o mare diferență pentru un sistem de sunet. Așa cum este adesea descris, „frecvențele joase” nu sunt direcționale. Ceea ce înseamnă cu adevărat este că lungimile de undă ale frecvențelor joase (care pot avea mai mult de un metru lungime) sunt atât de mari încât capul ascultătorului este mult mai mic decât o lungime de undă. Ca urmare, există o diferență foarte mică între sunetul primit de urechile stângi și drepte, iar diferența sunetului primit la cele două urechi este ceea ce creierul folosește pentru a calcula direcția unui sunet.
dimensiunea contează la proiectarea difuzoarelor. Difuzoarele mici scot sunetul în toate direcțiile, în timp ce difuzoarele mari difuzează într-un con în fața lor.
chiar și modul în care sunetul este generat este afectat de lungimea de undă. Pentru difuzoarele care sunt mult mai mici decât o lungime de undă, sunetul va tinde să se răspândească uniform în toate direcțiile. Aceasta se numește „omni-direcționalitate.”Când difuzoarele devin mai mari, ele devin mai direcționale, cu difuzoare care sunt foarte mari în comparație cu o lungime de undă care se proiectează într-o formă conică în fața lor. Aceasta este o mare parte din motivul pentru care sistemele de difuzoare high-end sunt alcătuite din mai multe difuzoare (numite drivere). Dimensiunea fiecărui driver este aleasă pentru lungimile de undă ale sunetului pe care îl reproduce cel mai bine, asigurându-se că sistemul de sunet poate acoperi întreaga gamă de la 17 metri la 1,7 centimetri.
desigur, în timp ce lungimea de undă pentru sunetele sonore este relativ largă, este încă limitată. Cu toate acestea, pentru sunetele dincolo de frecvențele sonore, lungimile de undă pot fi și mai extreme. Ecografia (sunete peste limita auzului uman la ~20 kHz), are lungimi de undă atât de mici încât reflexiile lor pot fi folosite pentru a imagina structurile minuscule din corpul nostru sau folosite de lilieci și delfini pentru a detecta și diferenția obiectele de pradă. Infrasunetele (definite în general ca frecvențe sub limita inferioară a auzului uman sau 20 Hz), pe de altă parte, pot avea lungimi de undă atât de lungi încât sunetele trebuie măsurate folosind rețele masive de senzori care lucrează la unison
lungimile de undă ale Infrasunetelor pot fi atât de lungi încât sunt necesare setări uriașe pentru a le măsura. Credit foto: CTBTO.
gama de scale, de la dimensiunea universului observabil la lățimea unui singur neutron este de aproximativ 40 de ordine de mărime (vezi video de mai sus). În timp ce gama de lungimi de undă pentru sunet nu este aproape atât de mare, gama pe care o acoperă este importantă pentru oameni și este o gamă pe care o experimentăm în viața noastră de zi cu zi. Ca urmare, ascultând cu atenție, putem auzi cum atât „foarte mare”, cât și „foarte mic” modifică modurile în care sunetele se mișcă prin lumea din jurul nostru. Putem auzi cum o pernă groasă absoarbe toate sunetele, cu excepția celor mai profunde, în timp ce un difuzor mic poate reproduce doar cele mai înalte.
așteptați-vă să vedeți lungimea de undă apărând din nou și din nou în această serie. Este un concept fundamental cu implicații de anvergură pentru orice, de la ceea ce permite unui mediu să susțină sunetul, la ceea ce face un inel rezonator acustic. Și data viitoare când vedeți termenul, fiți atenți la fraze precum „ordin de mărime”, „mult mai mare” și „mult mai mic”, pentru că atunci când vine vorba de lungimea de undă, scara este totul.
articolul următor…
Andrew ” Pi ” Pyzdek
Andrew „Pi” Pyzdek este doctorand în programul Penn State Graduate în acustică. Interesele de cercetare ale lui Andrew includ procesarea semnalelor matrice și acustica subacvatică, cu accent pe matrice de senzori rare și geometria matricei coprime. Andrew, de asemenea, voluntari timpul său de a face acoustics outreach și educație ca un panelist și moderator pe popular subreddit AskScience și prin curatoriat știri acustică interesante pentru un public general la ListenToThisNoise.com.
informații de Contact: [email protected]