VI.4. Acustică.

• VI.4.1. Sunetele. Surse sonore. Proprietățile sunetului.
• VI.4.2. Propagarea sunetului.
• VI.4.3. Reflexia sunetului. Ecoul.
• VI.4.4. Auzul.
• VI.4.5. Poluarea fonică.

Acustica este ramura Fizicii care studiază sunetele.

VI.4.1. Sunetele. Surse sonore. Proprietățile sunetului.

Sunetele sunt unde sonore formate dintr-o serie de compresii şi de extensii (rarefieri) alternative ale unui mediu elastic.

Fiecare moleculă a mediului elastic transferă energia moleculei vecine, dar după ce unda sonoră a trecut, fiecare moleculă rămâne în poziţia sa iniţială.

Sursa sonoră este un corp care produce sunete prin vibrație (oscilație).

Sursele sonore sunt:

1) Coardele vibrante (cordele vocale ale animalelor și ale omului, coardele vibrante ale instrumentelor-vioară, chitară, pian etc)

2) Tuburile sonore (fluier,flaut, taragot, nai, orgă, clarinet etc.)

3) Membrane sau plăci vibrante (tobă, cinel, xilofon, talgere, tam-tam, difuzor)

Instrumente muzicale

• Când atingi clapa unui pian, un ciocănel lovește coardele, făcându-le să vibreze.
• Pentru a obține un sunet mai înalt, coarda este scurtată (vezi vioara).
• Sunetul unui contrabas provine prin vibrarea coardelor, fie prin ciupire, fie prin folosirea unui arcuș.
• Făcându-și buzele să vibreze, instrumentistul pune în vibrație coloana de aer dinăuntrul trompetei.
• Când bețele lovesc toba sau țambalul, membranele metalice ale acestora vibrează.
• Când sufli într-un saxofon, o bucată mică de lemn (ancie) vibrează, determinând vibrația aerului în saxofon. Clapele saxofonului scurtează sau lungesc coloana de aer din interior. Cu cât ea este mai lungă, cu atât sunetul este jos.

Proprietățile (calitățile) sunetului

I. Intensitatea (tăria) sunetului ne arată cât de tare sau cât de slab este un sunet. Ea este direct proporțională cu energia pe care o transportă unda sonoră în unitatea de timp prin unitatea de suprafață. Cu cât ne îndepărtăm de sursă, cu atât intensitatea sunetului scade.

Se măsoară în decibeli (dB).

Amplitudinea este caracteristica undelor sonore pe care o percepem ca intensitate (volum). Distanța maximă pe care o unda o parcurge de la poziția normală, sau zero, este amplitudinea. Aceasta corespunde cu gradul de mișcare în moleculele de aer ale unei unde. Când gradul de mișcare în molecule crește, acestea lovesc timpanul urechii cu o forță mai mare și sunetul este auzit mai puternic.

Intensitatea sunetului este exprimată, în general, prin compararea cu un sunet standard, măsurat în decibeli (dB).

Intensitățile sunetului sunt aranjate pe o scară logaritmică.

Distanța la care un sunet poate fi auzit depinde de intensitatea acestuia, care reprezintă rata medie a cursului energiei pe unitatea de suprafață perpendiculară pe direcția de propagare.

În cazul undelor sferice care se răspândesc de la un punct sursă, intensitatea variază invers proporțional cu pătratul distanței, cu condiția să nu se piardă energie din cauza vâscozității, căldurii sau a altor efecte de absorbție. Astfel, într-un mediu perfect omogen, un sunet va fi de 9 ori mai intens la distanța de 1 m față de sursă decât la 3 m.

Exemple de intensități de sunete:

• Foșnet de frunze 10 dB
• Șoapte 20 dB
• Vorbire normală 40 dB
• Țipăt 60-70 dB
• Aspirator 70 dB
• Zgomotul trenului 80 dB
• Zgomot de stradă 90 dB
• Tunet 80 dB - 100 dB
• Ciocan pneumatic 100 dB
• Concert 110 dB
• Decolarea avionului cu reacție 130 dB
• Sunete dureroase 140 dB
• Surzire peste 140 dB
• Balena albastră poate produce sunete de 188 dB care pot fi auzite de la o distanță de 850 km

II. Înălțimea sunetului se măsoară prin frecvența sunetelor = litera grecească, niu, υ

Clasificarea sunetelor după frecvență:

a) Infrasunete sunt sunetele care au o frecvență mai mică decât 16 Hz. Exemple: bătăile inimii, undele seismice, oscilații ale pendulului mecanic. Omul nu le poate auzi. Balenele, hipopotamii, elefanții și aligatorii folosesc infrasunetele pentru a comunica.

b) Sunetele sunt singurele unde sonore percepute de om și au frecvența de 16-20.000 Hz.

c) Ultrasunetele sunt sunetele cu frecvența mai mare decât 20.000 Hz. Animale care percep ultrasunete: câini, pisici, lilieci, delfini, șoareci, unele insecte (moliile). Nici acestea nu le auzim.

Ultrasunetele se utilizează la prepararea serurilor şi vaccinurilor, la sterilizarea şi conservarea alimentelor.

III. Timbrul sunetului permite identificarea sursei sonore. Vocea noastră este o amprentă (unică) ca și amprenta digitală și cea a irisului ochiului nostru.

Aplicații

Sunetul este considerat a fi muzical atunci când în sursa sa sonoră se formează unde staţionare, sunetele emise fiind periodice. Sunetul muzical înseamnă are o serie de însuşiri precum: o înălţime constantă, modificarea acesteia trebuie să depindă numai de voinţa executantului, o intensitate care să poată fi modulată după necesitate sau după dorinţă, un timbru caracteristic, personal, bine definit şi inconfundabil, o durată convenabilă, suficientă cerinţei muzicale, durată care poate fi mică (coarde lovite, ciupite etc.), sau mare (coarde solicitate cu arcuşul, tuburi sonore).

VI.4.2. Propagarea sunetului.

Sunetul are nevoie de un mediu (gazos, lichid, solid) pentru a se propaga.

În vid sunetul nu se propagă, pentru că nu are cine să transmită vibrația.

Sunetul își schimbă viteza în funcție de mediul traversat.

Cea mai mică viteză a sunetului este în aer de aproximativ 340m/s.

Viteza sunetului depinde de doi factori:

a) Temperatura mediului elastic prin care se propagă sunetul cu cât este mai mare, cu atât crește și viteza.(vezi tabelul de mai jos la aer pentru diferite temperaturi).

b) Viteza sunetului variază de la substanță la substanță: sunetul călătorește cel mai lent în gaze, călătorește mai repede în lichide și cel mai rapid în solide.

Tabel cu viteza sunetului prin diferite medii:

👀 Experiment: Viteza sunetului

Materiale necesare:
Un ceas care ticăie (preferabil mecanic), o masă cu blat de lemn sau metal.

Descrierea experimentului:

• Aşază un ceas care ticăie pe blatul mesei, la un capăt și ascultă-i ticăitul.
• Aşază urechea lipită de masă la distanţa măsurată prima dată.
• Ce observi ?

  Ticăitul ceasului este perceput de ureche mai tare când îl ascultăm prin blatul mesei.

Concluzia experimentului:
Sunetul se propagă mai repede prin blatul de lemn al mesei, decât prin aer.
Sunetul se propagă cu viteze diferite în diverse medii, cea mai mare viteză fiind prin solidele compacte, apoi prin lichide şi, în cele din urmă, prin gaze.

Mach (pronunție /mah/) este o unitate de măsură folosită în aerodinamică pentru a exprima viteza unui corp supersonic.

Corpul supersonic (proiectil, avion, rachetă etc.) este corpul care se deplasează cu o viteză egală sau mai mare decât viteza sunetului în aer .

Viteza 1 Mach = 340 m/s

Aplicații

Boomul sonic este un fenomen care apare atunci când un obiect se deplasează cu o viteză mai mare decât cea a sunetului. Practic, atunci când un aparat de zbor - de exemplu un avion supersonic - depăşeşte bariera sunetului, acesta călătoreşte mai repede decât undele sonore. Rezultă este un fenomen de compresie a undelor sonore care creează un "boom" când ajung la nivelul urechii unei persoane.

Bariera sunetului a fost depăşită pentru prima dată în 1947 de pilotul în vârstă de doar 24 de ani pe nume Chuck Yeager, la bordul unui aparat de zbor de tip Bell X-1. Avionul a fost lansat de la bordul unui alt aparat de zbor aflat în aer la mare înălţime şi a atins viteza de 1229 de km/h, fiind propulsat de un motor-rachetă. Deşi la vremea respectivă bariera sunetului era considerată de netrecut, în zilele noastre foarte multe aparate de zbor dezvoltă viteze supersonice.

Pe cer fulgerul (lumina) și tunetul (sunetul) se produc simultan. Dar omul vede mai întâi lumina fulgerului și mai târziu aude zgomotul tunetului, deoarece lumina se propagă cu o viteză mult mai mare (300.000.000 m/s) față de viteza sunetului (340 m/s).

🔓 Probleme rezolvate

1. Transformă viteza de 9,6 Mach în km/h (avioanele care depășesc 5 Mach sunt hipersonice).

Rezolvare

Transformăm din Mach în m/s și apoi în km/h.

2. Transformă viteza de 1600 km/h în Mach.

Rezolvare

Transformăm întâi viteza în m/s și apoi în Mach, cu regula de trei simplă.

VI.4.3. Reflexia sunetului. Ecoul.

Reflexia sunetului are loc când unda sonoră întâlnește un alt mediu și se întoarce în primul mediu, cu schimbarea direcției de propagare.

Ecoul este un fenomen acustic ce constă în repetarea sunetului emis de o sursă și perceperea lui ca un sunet distinct în raport cu sunetul primar. El este o consecință a reflexiei sunetului pe un obstacol îndepărtat de sursa sonoră.

Pentru ca sunetul reflectat de un obstacol să fie perceput distinct, ca ecou, el trebuie să se întoarcă la ureche după ce a încetat perceperea sunetului inițial.

Deoarece un sunet persistă în ureche cel puțin o zecime de secundă (adică urechea noastră este impresionată de un sunet timp de 0,1s, timp în care nu mai auzim alt sunet), sunetul reflectat va fi perceput ca ecou doar dacă va ajunge la ureche după cel puțin 1/10 secunde de la perceperea sunetului emis.

Pentru a afla distanța minimă dintre sursa sonoră și un obstacol (perete) pentru a auzi ecoul sunetului inițial, calculăm distanța parcursă de sunet dus-întors:

2 ∙ d = v ∙ t

2 ∙ d = 340 m/s ∙ 0,1 s = 34 m

d = 17 m (distanța minimă a obstacolului pentru a auzi ecoul unui sunet monosilabic).

Pentru ca un sunet foarte scurt să fie perceput ca ecou, distanța până la un obstacol trebuie să fie de cel puțin 17 m, deoarece viteza sunetului în aer este de cca. 340 m/s. Dacă distanța este dublă (34 m) sau triplă (51 m), ecoul va fi bisilabic, respectiv trisilabic.

De aceea fenomenul ecoului este observat cel mai bine în munți sau într-o sală goală de mari dimensiuni.

Dacă distanța până la obstacolul reflectant este mai mică de 17 m, sunetul reflectat va sosi înainte de încetarea senzației auditive a sunetului direct, producând în ureche o prelungire și o întărire a acestuia. În această situație nu mai este vorba de ecou, ci de fenomenul numit reverberație.

📝 Aplicațiile reflexiei sunetelor

Ecolocația constă în orientarea animalelor cu ajutorul ecoului (reflexiei sunetului). Unele animale folosesc ecoul pentru detectarea locației și navigație, cum ar fi cetaceele (delfini și balene) și liliecii.

Sonarul este un dispozitiv folosit de vase maritime pentru a determina cu ajutorul reflexiei ultrasunetului (US) adâncimea apei, bancurile de pești, găsirea epavelor, detectarea icebergurilor.

Ecograful dă imagini ale unor organe pe baza reflexiei ultrasunetelor. Ecografia implică utilizarea unui transductor mic (sonda) și gel pentru a expune organismul la undele sonore de înaltă frecvență. Ecoul ultrasunetelor pe un anumit organ este transformat în semnale electrice care alcătuiesc o imagine pe un ecran.

Ecografia tridimensionala 3D cu ajutorul computerului se realizează vizualizarea volumetrică a structurilor anatomice. Ecografia 4D înseamnă 3D în mișcare.

În tehnică se utilizează pentru punerea în evidenţă a defectelor pieselor metalice numită defectoscopia ultrasonoră.

🔓 Probleme rezolvate

1. Sursa sonoră a unui sonar are o frecvență de 50 Hz. Viteza de propagare a sunetului prin apă este de 1450 m/s. Ce lungime de undă are unda sonoră emisă?

υ = 50 Hz
v = 1450 m/s
λ = ?

Rezolvare:

2. Lungimea undei sonore emisă de un liliac este de 3 mm. Calculează frecvența sunetului emis de liliac, considerând viteza sunetului de 340 m/s. Putem auzi sunetul respectiv? Argumentează.

λ = 3 mm = 3/1000 m
v = 340 m/s
υ = ?

Rezolvare:

Noi nu auzim acest sunet emis de liliac, deoarece are frecvența mai mare de 20.000Hz, fiind un ultrasunet.

VI.4.4. Auzul.

Sunetele produse de o sursă sonoră sunt captate de pavilionul urechii și produc vibrația timpanului, care pune în vibrație cele trei oscioare articulate: ciocan, nicovală și scăriță. Vibrația acestora este condusă într-un tub înfășurat, în formă de melc (cochlee, de formă spiralată, plin cu un fluid). În melc se transformă vibrațiile în impulsuri nervoase transmise de nervul auditiv creierului. Creierul le analizează și dă senzația de auz.

👀 Experiment: Urechea de iepure

Materiale necesare:
Dosar carton (bucată de carton), bandă adezivă, căşti de urechi cu radio sau MP3 player.

Descrierea experimentului:

• Realizează un con din cartonul dosarului prin răsucire şi prinde-l cu bandă adezivă pentru a nu se desface.
• Dă drumul la radio prin căşti şi vei observa că dacă nu pui căştile în urechi, nu auzi aproape nimic.
• Apropie conul de carton cu partea mai îngustă de ureche şi îndreaptă gura mai largă a conului spre casca cu muzică.

  Muzica se aude prin con destul de bine ca şi cum ai fi pus căştile în urechi.

Concluzia experimentului:
Sunetele slabe se împrăştie uşor înainte să ajungă la urechile tale. Prin urmare acest con captează mult mai bine aceste sunete decât micuţul pavilion al urechii tale.
Sunetele din jur sunt culese de pavilionul urechii, direcţionându-le prin canalul auditiv spre timpan.
La animalele ierbivore (gândeşte-te mai ales la urecheatul fricos), pavilionul urechii este mult mai mare şi mult mai flexibil faţă de cel al omului. Din acest motiv ele captează şi sunetele cele mai slabe din jur şi de aceea auzul constituie arma lor de apărare cea mai bună (pe lângă fugă, bineînţeles!).
Acest con se mai poate folosi şi ca megafon. Dacă vorbeşti în partea mai îngustă a conului, acesta îţi amplifică sunetele, nelăsându-le să se împrăştie în jur.

VI.4.5. Poluarea fonică.

Poluarea fonică este o componentă a poluării mediului, produsă de zgomote.

Zgomotul este definit ca un complex de sunete fără un caracter periodic, un sunet supărător sau amestec de sunete discordante, care afectează starea psihologică și biologică a oamenilor și a altor organisme din natură. Caracteristicile fizice sau obiective ale zgomotului privesc tăria sau intensitatea sonoră, durata și frecvența. Intensitatea este caracterul cel mai important care depinde de trăsăturile sursei, de distanță și posibilitățile de transmitere sau multiplicare. Ea se măsoară în decibeli sau foni.

Cel puțin 1 din 5 europeni este expus la niveluri de zgomot considerate nocive pentru sănătate, adică acele niveluri care depășesc 55 de decibeli.

Sursele de poluare fonică:

• traficul rutier (automobile, motociclete, sirenele ambulanțelor, mașinilor de poliție și pompieri, pietoni etc)
• traficul feroviar (trenuri)
• traficului aerian (avioane)
• industria (mașinăriile din fabrici, mori, ventilatoare, compresoare sau generatoare)
• activitățile de construcție
• concerte, muzica la un nivel foarte mare la boxe de la vecini, muzica atunci când este ascultată la volum ridicat în căști, țipetele oamenilor
• unele aparate casnice (hote, aspiratoare, mașini de spălat haine, mașini de spălat vase, uscătoare, mașini de tuns gazonul)
• instrumente muzicale, jucării și jocuri video zgomotoase
• pocnitori, artificii, armele de foc, explozii
• furtuni cu tunete
• animale (lătratul unor câini etc).

Nivelurile ridicate de zgomot afectează și distrug numeric din celulele ciliate din urechea internă (celule vitale pentru auz) ducând la slăbirea auzului și chiar surditate.

Sunetele intense și prelungite sunt luate drept semnale de pericol de către creier. Astfel, se produce un răspuns de stres, iar organismul eliberează așa-numiții hormoni de stres (adrenalina, cortizolul, noradrenalina) ce produc efecte la nivel celular, soldate cu creșterea tensiunii arteriale, a frecvenței cardiace (pulsului), cu scăderea imunității, afecțiuni metabolice, oboseală, agitație și tulburări de somn.

Jumătate dintre locuitorii Capitalei sunt afectați de poluarea fonică provenită din traficul rutier (de exemplu, un claxon măsoară aproximativ 90 dB).

Expunerea pe termen lung la zgomot poate produce efecte variate asupra sănătății, și anume disconfort, tulburări de somn, efecte negative asupra performanțelor cognitive (modificarea relexelor, atenția, cititul, rezolvarea de probleme, memorarea etc), supărare, indispoziție și chiar agresivitate la zgomote mai mari de 80 dB.

Ce soluții sunt pentru diminuarea poluării fonice?

Sunt câteva măsuri pe care putem să le luăm la nivel individual astfel încât să reducem poluarea fonică. Medicii ne recomandă ca atunci când ascultăm muzică, să nu depășim 60% din bara de volum a dispozitivului la care ascultăm și să nu depășim o oră de ascultare continuă. Dacă locuim în zone aglomerate, sunt recomandate căștile care reduc zgomotul (antifonice). Iar pentru un somn mai liniștit, putem apela la dopurile de urechi.