HANG: TÖRTÉNELEM, JELLEMZŐK, ELŐÁLLÍTÁS MÓDJA, TÍPUSAI - FIZIKAI - 2025

A hangot úgy határozzuk meg, hogy zavarja egy olyan közegben, mint a levegő, terjedését, felváltva tömörítést és expanziót hoz létre benne. Ezek a légnyomás és sűrűség változásai elérik a fülét, és az agy hallásbeli érzésként értelmezik azokat.

A hangok a kezdetektől fogva kísérik az életet, és részét képezik azoknak az eszközöknek, amelyeknek az állatoknak kommunikálniuk kell egymással és a környezetükkel. Egyesek azt állítják, hogy a növények is hallgatnak, de mindenesetre érzékelik a környezet rezgéseit, még akkor is, ha nincs hallókészülékük, mint például magasabb állatok.

1. ábra: A hanggátló szakadása

A hangon keresztül a beszéd útján történő kommunikáción kívül az emberek művészi kifejezésként használják a zenén keresztül. Valamennyi kultúrában, az ősi és a legújabb kultúrákban is bármilyen zenei megnyilvánulása van, amelyek révén elmondják történeteiket, szokásaikat, vallási meggyőződéseiket és érzéseiket.

Történelem

Fontossága miatt az emberiség érdeklődött a természet tanulmányozása iránt, és létrehozta az akusztikát, a fizika egyik ágát, amely a hanghullámok tulajdonságainak és viselkedésének szentelt.

Ismert, hogy a híres matematikus, Pythagoras (ie 569-475) hosszú ideig töltötte a hangok magasságának (frekvenciájának) különbségeit. Másrészt Arisztotelész, aki a természet minden aspektusával spekulált, helyesen állította, hogy a hang a levegőben lévő kiterjesztésekből és kompressziókból áll.

Később a híres római mérnök, Vitruvius (ie 80–155) értekezését írta az akusztikáról és annak alkalmazásáról a színházak építésében. Maga Isaac Newton (1642-1727) megvizsgálta a hang terjedését szilárd közegekben, és meghatározta egy képletet annak terjedési sebességére.

Az idő múlásával a számítás matematikai eszközei lehetővé tették a hullám viselkedésének komplexitásának megfelelő kifejezését.

Hangjellemzők (tulajdonságok)

A legegyszerűbb formában a hanghullám szinuszos hullámnak tekinthető, amely időben és térben terjed, mint például a 2. ábrán. Megfigyelhető, hogy a hullám periodikus, vagyis van forma, amely időben megismétlődik.

Hosszhullámként a terjedési irány és a vibráló közeg részecskéinek mozgatásának iránya megegyezik.

Hanghullám-paraméterek

2. ábra: A hang hosszanti hullám, a zavar ugyanabban az irányban terjed, amelyben a molekulák elmozdulást tapasztalnak. Forrás: Wikimedia Commons.

A hanghullám paraméterei:

T időszak: az az idő, amely a hullám egy fázisának megismétléséhez szükséges. A Nemzetközi Rendszerben másodpercekben mérik.

Ciklus: a hullám azon része, amely a periódusban van, és egyik pontról a másikra lefedi, amelynek magassága és lejtése megegyezik. Lehet az egyik völgyről a másikra, az egyik gerincről a másikra, vagy egyik pontról a másikra is, amely megfelel a leírt specifikációnak.

Λ hullámhossz: a távolság a hullám egyik címe és a másik között, az egyik völgy és a másik között, vagy általában az egyik pont és a másik között, azonos magassággal és lejtéssel. Mivel hosszúságot méteren mérnek, bár a hullám típusától függően más egységek is megfelelőbbek.

F frekvencia: az időegységenkénti ciklusok száma. Egysége a Hertz (Hz).

A amplitúdó: megfelel a hullám maximális magasságának a vízszintes tengelyhez képest.

Hogyan termelik és terjesztik a hangot?

A hang akkor keletkezik, amikor egy anyagba mártott tárgy rezeg, a 2. ábra alján látható módon. A bal oldali hangszóró feszes membránja rezeg, és tovább továbbítja a zavart a levegőn keresztül, amíg eléri a hallgatót.

A zavar terjedésekor az energia továbbjut a környezeti molekulákhoz, amelyek kölcsönhatásba lépnek egymással, expanzió és kompresszió útján. A hang terjesztéséhez mindig szükséges anyagi közeg, legyen az szilárd, folyékony vagy gáz.

Amikor a levegő zavara eléri a fülét, a légnyomás változásai miatt a dobhártya rezeg. Ez olyan elektromos impulzusokat eredményez, amelyeket a hallóidegön keresztül továbbítanak az agyba, és miután az impulzusok hangossá válnak.

A hang sebessége

A mechanikus hullámok sebessége egy adott közegben követi ezt a kapcsolatot:

Például ha gázban, például levegőben terjednek, a hang sebességét a következőképpen lehet kiszámítani:

A hőmérséklet növekedésével megemelkedik a hangsebesség is, mivel a közegben levő molekulák hajlamosabbak rezegni és mozgásuk révén továbbítani a rezgést. A nyomás viszont nem befolyásolja annak értékét.

A hullámhossz és a frekvencia viszonya

Már láttuk, hogy a hullám egy ciklus befejezéséhez az az időtartam, míg az adott időszakban megtett távolság megegyezik egy hullámhosszúsággal. Ezért a hang v sebességét a következőképpen kell meghatározni:

Másrészt a gyakoriság és az időtartam összefüggenek, az egyik a másik fordítottja, így:

Ami az alábbiakhoz vezet:

Az emberek hallható frekvenciatartománya 20 és 20 000 Hz között van, ezért a fenti hullámhossz helyett a fenti hullámhossz 1,7 cm és 17 m között van.

Ezek a hullámhosszok a közös objektumok mérete, amely befolyásolja a hang terjedését, mivel hullámként reflexiót, refrakciót és diffrakciót tapasztal, amikor akadályokkal találkozik.

A diffrakció megtapasztalása azt jelenti, hogy a hang akkor érinti, ha olyan akadályokkal és nyílásokkal találkozik, amelyek hullámhosszához közel vagy annál kisebbek.

A mélyhangok jobban elterjedhetnek nagy távolságokon, ezért az elefántok az infravörös hangot (nagyon alacsony frekvenciájú, az emberi fül számára hallhatatlan hangok) használják hatalmas területükön történő kommunikációhoz.

Ha a közeli helyiségben zenét hallunk, akkor a basszus jobban hallható, mint a magas hang, mert a hullámhossza körülbelül az ajtók és ablakok mérete van. Másrészt, amikor távozik a helyiségből, a magas hangok könnyen elvesznek, és ezért nem hallják őket.

Hogyan mérik a hangot?

A hang a levegő tömörítésének és ritka részének sorozatából áll, oly módon, hogy terjedésekor a hang növeli és csökkenti a nyomást. A Nemzetközi Rendszerben a nyomást paszkálokban mérik, amely Pa rövidítése.

Ami történik, hogy ezek a változások nagyon alacsonyak a légköri nyomáshoz képest, ami körülbelül 101 000 Pa értékű.

Még a leghangosabb hangok is csak 20-30 Pa (fájdalomküszöb) ingadozást eredményeznek, ez viszonylag kicsi. De ha meg tudja mérni ezeket a változásokat, akkor megvan a lehetősége a hang mérésére.

A hangnyomás a hanggal történő légköri nyomás és a hang nélküli légköri nyomás különbsége. Mint már említettük, a leghangosabb hangok 20 Pa hangnyomást eredményeznek, míg a leggyengébbek körülbelül 0,00002 Pa (hangküszöb).

Mivel a hangnyomások tartománya többféle 10-es energiát ölel fel, logaritmikus skálát kell használni ezek jelölésére.

Másrészt kísérletileg azt állapították meg, hogy az emberek észrevehetőbben érzékelik az alacsony intenzitású hangok változásait, mint az azonos nagyságrendű, de az intenzív hangok változásait.

Például, ha a hangnyomás 1, 2, 4, 8, 16… -kal növekszik, a fül intenzitása 1, 2, 3, 4… növekedést érzékel. Ezért kényelmes meghatározni egy új mennyiséget, az úgynevezett hangnyomásszint (Hangnyomás szint) L _{P értéket}:

Ahol P _o a referencianyomás, amelyet hallóküszöbként veszünk, és P ₁ az átlagos effektív nyomás vagy az RMS nyomás. Ez az RMS vagy az átlagos nyomás az, amit a fül érzékel a hangjel átlagos energiájaként.

decibel

Az eredmény a fenti kifejezés az L _P, ha vizsgáljuk különböző értékei P ₁, adott decibelben, egy dimenzió nélküli mennyiség. A hangnyomás szintjének ilyen kifejezése nagyon kényelmes, mivel a logaritmusok nagy számokat konvertálnak kisebb, könnyebben kezelhető számokká.

Sok esetben azonban a hangnyomás helyett inkább a hangintenzitást kell használni a decibel meghatározására.

A hangintenzitás az az energia, amely egy másodpercig (teljesítmény) áramlik egy egység felületen, amely merőleges az a hullám terjedési irányára. A hangnyomáshoz hasonlóan ez egy skaláris mennyiség, és I-vel jelölve. Az I mértékegységei W / m ², vagyis az egységnyi területre eső teljesítmény.

Megmutatható, hogy a hang intenzitása arányos a hangnyomás négyzetével:

Ebben a kifejezésben ρ a közeg sűrűsége, c pedig a hang sebessége. Ekkor az L _I hangintenzitás szintet a következőképpen kell meghatározni:

Ezt decibelben is kifejezik, és néha görög β betűvel jelölnek. Az I _o referenciaérték 1 x ^10–12 W / m ². Tehát 0 dB jelenti az emberi hallás alsó határát, míg a fájdalomküszöb 120 dB.

Mivel ez logaritmikus skála, hangsúlyozni kell, hogy a decibelszám kis eltérései nagy különbséget okoznak a hangintenzitás szempontjából.

A zajszintmérő

A zajszintmérő vagy decibelmeter egy olyan eszköz, amely a hangnyomás mérésére szolgál, jelezve a mérést decibelben. Úgy tervezték, hogy úgy reagáljon rá, mint az emberi fül.

3. ábra: A zajszintmérő vagy decibelmeter a hangnyomásszint mérésére szolgál. Forrás: Wikimedia Commons.

Ez egy mikrofonból áll, amely összegyűjti a jelet, és több erősítővel és szűrővel ellátott áramkörből áll, amelyek felelősek ennek a jelnek az elektromos áramnak megfelelő átalakításáért, és végül egy skáláról vagy egy képernyőről, amely a leolvasás eredményét mutatja.

Széles körben használják annak meghatározására, hogy az egyes zajok milyen hatással vannak az emberekre és a környezetre. Például a gyárakban, az iparban, a repülőtereken zaj, a forgalmi zaj és még sokan mások.

Hangtípusok (infrahang, ultrahang, mono, sztereo, polifonikus, homofonikus, basszus, magas hang)

A hangot a frekvencia jellemzi. Azok szerint, amelyeket az emberi fül képes rögzíteni, minden hangot három kategóriába sorolunk: azokat, amelyeket hallunk vagy a hallható spektrumot, azokat, amelyek frekvenciája a hallható spektrum alsó határa alatt vagy az infravörös, és azokat, amelyek a hallható spektrum felett vannak. felső határ, ultrahang.

Mindenesetre, mivel a hanghullámok lineárisan átfedhetik egymást, a mindennapi hangok, amelyeket néha egyedinek tekintünk, valójában különböző hangokból állnak, eltérő, de egymáshoz közel álló frekvenciákkal.

4. ábra. A hang spektruma és frekvenciatartománya. Forrás: Wikimedia Commons.

Hallható spektrum

Az emberi fül úgy van kialakítva, hogy felvegye a frekvencia széles tartományát: 20 és 20 000 Hz között, de ebben a tartományban nem minden frekvenciát észlelünk azonos intenzitással.

A fül érzékenyebb az 500–6000 Hz frekvenciasávban, azonban vannak olyan egyéb tényezők is, amelyek befolyásolják a hang érzékelésének képességét, például az életkor.

infrahang

Olyan hangok, amelyek frekvenciája kevesebb, mint 20 Hz, de az a tény, hogy az emberek nem hallják őket, nem azt jelenti, hogy más állatok nem. Például az elefántok kommunikációra használják őket, mivel az infrahang nagy távolságra haladhat.

Más állatok, például a tigris, álruhájuk kábítására használják őket. Az infrahang nagy objektumok detektálására is használható.

Ultrahang

20 000 Hz-nél nagyobb frekvenciájuk van, és sok területen széles körben használják. Az ultrahang egyik legfigyelemreméltóbb felhasználása a gyógyász eszköz, mind a diagnosztika, mind a kezelés. Az ultrahanggal kapott képek nem invazívak és nem használnak ionizáló sugárzást.

Az ultrahangokat arra is használják, hogy hibákat találjanak a szerkezetekben, meghatározzák a távolságot, észleljék az akadályokat a navigáció során és így tovább. Az állatok ultrahangot is használnak, és valójában így fedezték fel annak létezését.

A denevérek hangimpulzumokat bocsátanak ki, majd az általuk előidézett visszhangot értelmezik a távolságok becslésére és a ragadozók megkeresésére. A kutyák a maga részéről ultrahangot is hallhatnak, ezért válaszolnak a kutya sípjára, amelyet a tulajdonos nem hall.

Monofonikus hang és sztereofonikus hang

4. ábra: A stúdióban a hang elektronikus eszközökkel megfelelően módosul. Forrás: Pixabay.

A monofonikus hang egy mikrofonnal vagy audiocsatornával rögzített jel. Fejhallgatóval vagy hangszarvával hallgatva mindkét fül pontosan ugyanazt hallja. Ezzel szemben a sztereó hang két független mikrofonnal rögzíti a jeleket.

A mikrofonok különböző pozíciókban vannak elhelyezve, így különféle hangnyomásokkal tudják felvenni azt, amit rögzíteni szeretne.

Aztán minden fül megkapja az egyik ilyen jelkészletet, és amikor az agy összegyűjti és értelmezi azokat, az eredmény sokkal reálisabb, mintha monofonikus hangokat hallgatnánk. Ezért ez a preferált módszer a zene és a film vonatkozásában, bár a monofónikus vagy monofónikus hangot még mindig használják a rádióban, különösen interjúk és beszélgetések során.

Homofónia és polifónia

Zenei szempontból a homofónia ugyanabból a dallamból áll, amelyet két vagy több hang vagy hangszer játszik. Másrészről, a polifóniában két vagy több azonos hangú vagy hangszer létezik, amelyek dallamakat követnek, sőt különböző ritmust követnek. Ezeknek a hangoknak az együttese harmonikus, mint például Bach zenéje.

Basszus és magas hangok

Az emberi fül megkülönbözteti a hallható frekvenciákat magas, alacsony vagy közepes frekvenciáktól. Ezt nevezik a hangmagasságnak.

A legmagasabb frekvenciákat (1600 és 20 000 Hz között) akut hangoknak tekintik, a 400 és 1600 Hz közötti sáv közepes hangú hangoknak felel meg, és végül a 20 és 400 Hz közötti frekvencia a basszushang.

A basszus hangok abban különböznek a magas hangoktól, hogy az előbbieket mélynek, sötétnek és virágzónak tekintik, míg az utóbbi könnyű, tiszta, boldog és áttört. A fül emellett intenzívebben értelmezi őket, ellentétben a basszushangokkal, amelyek kisebb intenzitással érzik magukat.

Irodalom

1. Figueroa, D. 2005. Hullámok és kvantumfizika. Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. Szerkesztette D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6.. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Jegyzetek a zenei akusztikáról. Helyreállítva: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika a tudomány és a technika számára. 1. kötet. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Akusztika. Helyreállítva: es.wikipedia.org.