Onda sonora: fórmula, propriedades. Fontes de ondas sonoras

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 05:39

A onda sonora é um processo ondulatório que ocorre em meios gasosos, líquidos e sólidos, que, ao atingir os órgãos auditivos humanos, é percebido por eles como som. A frequência dessas ondas está na faixa de 20 a 20.000 oscilações por segundo. Fornecemos fórmulas para uma onda sonora e consideramos suas propriedades com mais detalhes.

Por que há uma onda sonora?

Muitas pessoas se perguntam o que é uma onda sonora. A natureza do som está na ocorrência de perturbação em um meio elástico. Por exemplo, quando ocorre uma perturbação de pressão na forma de compressão em um determinado volume de ar, essa área tende a se espalhar no espaço. Esse processo leva à compressão do ar em áreas adjacentes à fonte, que também tendem a se expandir. Este processo cobre cada vez mais o espaço até chegar a algum receptor, por exemplo, o ouvido humano.

Características gerais das ondas sonoras

Vamos considerar o que é uma onda sonora e como ela é percebida pelo ouvido humano. Onda sonoraé longitudinal, ao entrar na concha do ouvido, provoca vibrações do tímpano com certa frequência e amplitude. Você também pode representar essas flutuações como mudanças periódicas na pressão no microvolume de ar adjacente à membrana. Primeiro, aumenta em relação à pressão atmosférica normal e depois diminui, obedecendo às leis matemáticas do movimento harmônico. A amplitude das mudanças na compressão do ar, ou seja, a diferença entre a pressão máxima ou mínima criada por uma onda sonora, com a pressão atmosférica é proporcional à amplitude da própria onda sonora.

Muitos experimentos físicos mostraram que a pressão máxima que o ouvido humano pode perceber sem prejudicá-lo é 2800 µN/cm². Para comparação, digamos que a pressão atmosférica perto da superfície da Terra seja 10 milhões de µN/cm^{2. Considerando a proporcionalidade de pressão e amplitude de oscilação, podemos dizer que este último valor é insignificante mesmo para as ondas mais fortes. Se falarmos sobre o comprimento de uma onda sonora, então para uma frequência de 1000 vibrações por segundo, será um milésimo de centímetro.}

Os sons mais fracos criam flutuações de pressão da ordem de 0,001µN/cm², a amplitude de oscilação de onda correspondente para uma frequência de 1000 Hz é 10^{- 9}cm, enquanto o diâmetro médio das moléculas de ar é 10^{-8 cm, ou seja, o ouvido humano é um órgão extremamente sensível.}

O conceito da intensidade das ondas sonoras

Com geometriaDo ponto de vista de uma onda sonora, é uma vibração de certa forma, do ponto de vista físico, a principal propriedade das ondas sonoras é sua capacidade de transferir energia. O exemplo mais importante de transferência de energia das ondas é o sol, cujas ondas eletromagnéticas irradiadas fornecem energia para todo o nosso planeta.

A intensidade de uma onda sonora em física é definida como a quantidade de energia transportada por uma onda através de uma superfície unitária, que é perpendicular à propagação da onda e por unidade de tempo. Resumindo, a intensidade de uma onda é a sua potência transferida através de uma unidade de área.

A força das ondas sonoras é geralmente medida em decibéis, que são baseados em uma escala logarítmica, conveniente para a análise prática dos resultados.

Intensidade de vários sons

A seguinte escala de decibéis dá uma ideia do significado das diferentes intensidades sonoras e das sensações que provoca:

limiar para sensações desagradáveis e desconfortáveis começa em 120 decibéis (dB);
martelo de rebitar gera 95 dB de ruído;
trem de alta velocidade - 90 dB;
rua de trânsito - 70 dB;
o volume de uma conversa normal entre pessoas é 65 dB;
Carro moderno movendo-se em velocidades moderadas gera 50 dB de ruído;
volume médio do rádio - 40 dB;
conversa tranquila - 20 dB;
ruído da folhagem da árvore - 10 dB;
O limite mínimo de sensibilidade ao som humano é próximo de 0 dB.

A sensibilidade do ouvido humano dependefrequência do som e é o valor máximo para ondas sonoras com uma frequência de 2000-3000 Hz. Para um som nesta faixa de frequência, o limite inferior da sensibilidade humana é 10-5 dB. Frequências mais altas e mais baixas do que o intervalo especificado levam a um aumento no limiar de sensibilidade inferior de tal forma que uma pessoa ouve frequências próximas a 20 Hz e 20.000 Hz apenas em sua intensidade de várias dezenas de dB.

Quanto ao limiar superior de intensidade, após o qual o som começa a causar incômodo para uma pessoa e até dor, deve-se dizer que praticamente não depende da frequência e fica na faixa de 110-130 dB.

Características geométricas de uma onda sonora

Uma onda sonora real é um pacote oscilatório complexo de ondas longitudinais, que podem ser decompostas em vibrações harmônicas simples. Cada uma dessas oscilações é descrita do ponto de vista geométrico pelas seguintes características:

Amplitude - o desvio máximo de cada seção da onda do equilíbrio. Para este valor, a designação A.
Período. Este é o tempo que leva para uma onda simples completar sua oscilação completa. Após esse tempo, cada ponto da onda começa a repetir seu processo oscilatório. O período é geralmente denotado pela letra T e medido em segundos no sistema SI.
Frequência. Esta é uma quantidade física que mostra quantas oscilações uma determinada onda faz por segundo. Ou seja, em seu significado, é um valor inverso ao período. É denotado pela letra latina f. Para a frequência de uma onda sonora, a fórmula para determiná-la através de um período é a seguinte: f=1/T.
O comprimento de uma onda é a distância que ela percorre em um período de oscilação. Geometricamente, comprimento de onda é a distância entre dois máximos mais próximos ou dois mínimos mais próximos em uma curva senoidal. O comprimento de oscilação de uma onda sonora é a distância entre as áreas de compressão do ar mais próximas ou os locais mais próximos de sua rarefação no espaço onde a onda se move. Geralmente é denotado pela letra grega λ.
A velocidade de propagação da onda sonora é a distância sobre a qual a área de compressão ou a área de rarefação da onda se propaga por unidade de tempo. Este valor é denotado pela letra v. Para a velocidade de uma onda sonora, a fórmula é: v=λf.

A geometria de uma onda sonora pura, ou seja, uma onda de pureza constante, obedece a uma lei senoidal. No caso geral, a fórmula de uma onda sonora é: y=Asin(ωt), onde y é o valor da coordenada de um dado ponto da onda, t é o tempo, ω=2pif é a frequência de oscilação cíclica.

Som aperiódico

Muitas fontes sonoras podem ser consideradas periódicas, por exemplo, o som de instrumentos musicais como violão, piano, flauta, mas também há um grande número de sons na natureza que são aperiódicos, ou seja, as vibrações sonoras mudam sua frequência e forma no espaço. Tecnicamente, esse tipo de som é chamado de ruído. brilhanteexemplos de som aperiódico são o ruído urbano, o som do mar, sons de instrumentos de percussão, como um tambor, e outros.

Meio de propagação do som

Ao contrário da radiação eletromagnética, cujos fótons não necessitam de nenhum meio material para sua propagação, a natureza do som é tal que um determinado meio é necessário para sua propagação, ou seja, de acordo com as leis da física, as ondas sonoras não podem se propagam no vácuo.

O som pode viajar através de gases, líquidos e sólidos. As principais características de uma onda sonora se propagando em um meio são as seguintes:

onda se propaga linearmente;
se espalha igualmente em todas as direções em um meio homogêneo, ou seja, o som diverge da fonte, formando uma superfície esférica perfeita.
independentemente da amplitude e frequência do som, suas ondas se propagam com a mesma velocidade em um determinado meio.

A velocidade das ondas sonoras em várias mídias

A velocidade de propagação do som depende de dois fatores principais: o meio em que a onda se move e a temperatura. Em geral, a seguinte regra se aplica: quanto mais denso o meio e quanto maior a temperatura, mais rápido o som se move nele.

Por exemplo, a velocidade de propagação de uma onda sonora no ar próximo à superfície da Terra a uma temperatura de 20 ℃ e uma umidade de 50% é 1235 km/h ou 343 m/s. Na água a uma dada temperatura, o som viaja 4,5 vezes mais rápido, entãohá cerca de 5735 km/h ou 1600 m/s. Quanto à dependência da velocidade do som com a temperatura do ar, ela aumenta 0,6 m/s com um aumento da temperatura para cada grau Celsius.

Timbre e tom

Se uma corda ou placa de metal vibrar livremente, ela produzirá sons de diferentes frequências. É muito raro encontrar um corpo que emita um som de uma determinada frequência, geralmente o som de um objeto possui um conjunto de frequências em um determinado intervalo.

O timbre de um som é determinado pelo número de harmônicos presentes nele e suas respectivas intensidades. O timbre é um valor subjetivo, ou seja, é a percepção de um objeto sonoro por uma pessoa específica. O timbre é geralmente caracterizado pelos seguintes adjetivos: alto, brilhante, sonoro, melódico e assim por diante.

Tom é uma sensação sonora que permite classificá-lo em agudo ou grave. Esse valor também é subjetivo e não pode ser medido por nenhum instrumento. O tom está associado a uma quantidade objetiva - a frequência de uma onda sonora, mas não há relação inequívoca entre eles. Por exemplo, para um som de frequência única de intensidade constante, o tom aumenta à medida que a frequência aumenta. Se a frequência do som permanecer constante, mas sua intensidade aumentar, o tom ficará mais baixo.

Forma das fontes de som

De acordo com a forma do corpo que vibra mecanicamente e assim gera som, existem três tipos principais de fontes de ondas sonoras:

Fonte pontual. Produz ondas sonoras de forma esférica e decaem rapidamente com a distância da fonte (aproximadamente 6dB se a distância da fonte for dobrada).
Fonte de linha. Ele cria ondas cilíndricas cuja intensidade diminui mais lentamente do que a partir de uma fonte pontual (para cada duplicação da distância da fonte, a intensidade diminui em 3 dB).
Uma fonte plana ou bidimensional. Ele gera ondas apenas em uma determinada direção. Um exemplo de tal fonte seria um pistão movendo-se em um cilindro.

Fontes de som eletrônicas

Para criar uma onda sonora, as fontes eletrônicas utilizam uma membrana especial (alto-falante), que realiza vibrações mecânicas devido ao fenômeno da indução eletromagnética. Essas fontes incluem o seguinte: