SO: HISTÒRIA, CARACTERÍSTIQUES, COM ES PRODUEIX, TIPUS - FÍSICA - 2025

El so es defineix com una pertorbació que a l'propagar-se en un mitjà com l'aire, produeix alternativament compressions i expansions en ell. Aquests canvis en la pressió i la densitat de l'aire arriben a l'oïda i són interpretats pel cervell com sensacions auditives.

Els sons acompanyen la vida des dels seus inicis, formant part de les eines que tenen els animals per comunicar-se entre si i amb el seu entorn. Algunes persones asseguren que les plantes també escolten, però en tot cas podrien percebre les vibracions de l'entorn encara que no disposin d'un aparell auditiu com els animals superiors.

Figura 1. Ruptura de la barrera del so

A més d'utilitzar el so per comunicar-se mitjançant la parla, les persones el fan servir com a expressió artística a través de la música. Totes les cultures, antigues i recents, posseeixen manifestacions musicals de tota mena, a través de les quals expliquen les seves històries, costums, creences religioses i sentiments.

història

Per la seva importància, la humanitat es va interessar en estudiar la seva naturalesa i va crear l'acústica, una branca de la física dedicada a les propietats i el comportament de les ones sonores.

Se sap que el cèlebre matemàtic Pitàgores (569-475 aC) va passar molt temps estudiant les diferències d'altura (freqüència) entre els sons. D'altra banda, Aristòtil, qui va especular sobre tots els aspectes de la natura, va assegurar amb encert que el so consistia en expansions i compressions en l'aire.

Posteriorment el famós enginyer romà Vitruvi (80-15 a, C.) Va escriure un tractat d'acústica i les seves aplicacions en la construcció de teatres. El mateix Isaac Newton (1642-1727) va estudiar la propagació del so en els mitjans sòlids i va determinar una fórmula per la seva velocitat de propagació.

Amb el temps, les eines matemàtiques de càlcul van permetre expressar adequadament tota la complexitat de l'comportament de les ones.

Característiques de el so (propietats)

En la seva forma més simple, una ona sonora pot ser descrita com una ona sinusoïdal, propagant-se en el temps i en l'espai, com la que es mostra a la figura 2. Allà s'observa que l'ona és periòdica, és a dir, té una manera que es repeteix en el temps.

A l'tractar-se d'una ona longitudinal, la direcció de propagació i la direcció en què es mouen les partícules de l'mitjà que està vibrant són les mateixes.

Paràmetres de l'ona sonora

Figura 2. El so és una ona longitudinal, la pertorbació es propaga en la mateixa direcció en què les molècules experimenten el seu desplaçament. Font: Wikimedia Commons.

Els paràmetres d'una ona sonora són:

Període T: és el temps que tarda a repetir-se una fase de l'ona. En el Sistema Internacional es mesura en segons.

Cicle: és la part de l'ona continguda dins el període i abasta des d'un punt fins a un altre que tingui la mateixa altura i la mateixa pendent. Pot ser d'una vall a el següent, des d'una cresta a la següent o des d'un punt qualsevol a una altra que compleixi l'especificació descrita.

Longitud d'ona λ: és la distància que hi ha entre una cresta i una altra de l'ona, entre una vall i un altre, o en general entre un punt i el següent amb la mateixa altura i pendent. A l'ésser una longitud es mesura en metres, encara que altres unitats són més apropiades segons el tipus d'ona.

Freqüència f: es defineix com el nombre de cicles per unitat de temps. La seva unitat és el Hertz (Hz).

Amplitud A: correspon a l'alçada màxima de l'ona respecte a l'eix horitzontal.

Com es produeix i propaga el so?

El so es produeix quan es fa vibrar un objecte que estigui immers en un medi material, tal com apareix a la part inferior de la figura 2. La membrana tensa de l'altaveu que està a l'esquerra vibra i transmet la pertorbació per l'aire fins que arriba a l'oient.

A mesura que es propaga la pertorbació, es transmet energia a les molècules de l'mitjà, que interactuen entre elles, mitjançant expansions i compressions. Sempre es necessita d'un medi material per a la propagació del so, ja sigui sòlid, líquid o gas.

Quan la pertorbació en l'aire arriba l'oïda, les variacions en la pressió de l'aire fan que el timpà vibri. Això dóna lloc a impulsos elèctrics que són transmesos a el cervell mitjançant el nervi auditiu, i un cop allà els impulsos es tradueixen en so.

La velocitat del so

La velocitat de les ones mecàniques en un medi donat segueix aquesta relació:

Per exemple quan es propaga en un gas com l'aire, la velocitat del so es pot calcular com:

A l'augmentar la temperatura també ho fa la velocitat del so, ja que les molècules de l'mig estan més disposades a vibrar ia transmetre la vibració a través dels seus moviments. La pressió en canvi, no afecta el seu valor.

Relació entre longitud d'ona i freqüència

Ja hem vist que el temps que triga l'ona en completar un cicle és el període, mentre que la distància recorreguda En el període de temps equival a una longitud d'ona. Per tant la velocitat v de el so es defineix com:

Per la seva banda la freqüència i el període estan relacionats, sent una revés de l'altre, així:

El que fa que:

El rang de freqüències audible en els humans està entre 20 i 20.000 Hz, per tant la longitud d'ona de el so està entre 1.7 cm i 17 m a l'substituir els valors en l'equació anterior.

Aquestes longituds d'ona són de la mida dels objectes comuns, la qual cosa influeix en la propagació del so, ja que a l'ésser una ona, experimenta reflexió, refracció i difracció quan es troba amb obstacles.

Experimentar difracció vol dir que el so és afectat quan es topa amb obstacles i obertures que pesa semblant a el de la seva longitud d'ona o menor.

Els sons greus poden propagar-se millor a través de llargues distàncies, per això els elefants fan servir infrasons (sons de molt baixa freqüència, inaudibles per l'oïda humana) per comunicar-se a través dels seus extensos territoris.

Així mateix quan hi ha música en una habitació propera, els baixos se senten millor que els aguts, perquè la seva longitud d'ona és més o menys semblant a la mida de portes i finestres. En canvi, a l'sortir de l'habitació, els sons aguts es perden fàcilment i per això deixen de escoltar-se.

Com es mesura el so?

El so consisteix en una sèrie de compressions i rarefaccions de l'aire, de manera que a l'propagar-se, el so causa augments i disminucions de la pressió. En el Sistema Internacional, la pressió es mesura en pascal, que s'abreuja Pa.

El que passa és que aquests canvis són molt petits comparats amb la pressió atmosfèrica, que val uns 101.000 Pa.

Fins als sons més intensos produeixen fluctuacions de tot just uns 20-30 Pa (llindar de dolor), una quantitat bastant petita en comparació. Però si s'aconsegueixen mesurar aquests canvis, llavors es té una forma de mesurar el so.

La pressió sonora és la diferència entre la pressió atmosfèrica amb so i la pressió atmosfèrica sense so. Com hem dit, els sons més intensos produeixen pressions sonores de 20 Pa, mentre que els més febles causen uns 0.00002 Pa (llindar sonor).

Ja que el rang de pressions sonores abasta diverses potències de 10, convindria utilitzar una escala logarítmica per indicar-les.

D'altra banda, experimentalment es va determinar que les persones perceben més notòriament els canvis en els sons poc intensos, que els canvis d'igual magnitud però en sons intensos.

Per exemple, si la pressió sonora s'incrementa en 1, 2, 4, 8, 16…, l'oïda percep increments d'1, 2, 3, 4… en intensitat. Per això és convenient definir una nova magnitud anomenada nivell de pressió sonora (Sound Pressure Level) L _P, definit com:

On P _o és la pressió de referència que es pren com el llindar d'audició i P ₁ és la pressió mitjana eficaç o pressió RMS. Aquesta pressió RMS o mitjana és la que percep l'oïda com l'energia mitjana del senyal sonor.

decibels

El resultat de l'expressió anterior per a L _P, quan s'avalua per a diversos valors de P ₁, ve donat en decibels, una quantitat adimensional. Expressar el nivell de pressió sonora així és molt convenient, perquè els logaritmes converteixen nombres grans en nombres més petits i manejables.

No obstant això, en molts casos es prefereix utilitzar la intensitat del so per determinar els decibels, i no la pressió sonora.

La intensitat del so és l'energia que flueix durant un segon (potència) a través d'una superfície unitària orientada perpendicularment a la direcció en què es propaga l'ona. A l'igual que la pressió sonora, es tracta d'una magnitud escalar i es denota com I. Les unitats de R són W / m ², és a dir, potència per unitat d'àrea.

Es pot demostrar que la intensitat del so és proporcional a el quadrat de la pressió sonora:

En aquesta expressió, ρ és la densitat de l'mig i c és la velocitat del so. Llavors es defineix el nivell d'intensitat del so L _I com:

Que també s'expressa en decibels i en ocasions apareix denotat amb la lletra grega β. El valor de referència I _o és 1 x 10 ^-12 W / m ². D'aquesta manera, 0 dB representa el límit inferior de l'audició humana, mentre que el llindar de dolor se situa en 120 dB.

Ja que es tracta d'una escala logarítmica, cal fer èmfasi en que petites diferències la quantitat de decibels, fan una gran diferència pel que fa a intensitat del so es refereix.

el sonòmetre

Un sonòmetre o decibelímetro és un aparell emprat per mesurar la pressió sonora, indicant la mesura decibels. Està dissenyat per respondre-hi de la mateixa manera com ho faria l'oïda humana.

Figura 3. El sonòmetre o decibelímetro és utilitzat per mesurar el nivell de pressió sonora. Font: Wikimedia Commons.

Consta d'un micròfon per recollir el senyal, més circuits amb amplificadors i filtres, que s'encarreguen de transformar adequadament aquest senyal en un corrent elèctric, i finalment una escala o una pantalla on mostrar el resultat de la lectura.

S'usen molt per determinar l'impacte que determinats sorolls tenen en les persones i en l'ambient. Per exemple sorolls en fàbriques, indústries, aeroports, el soroll de l'trànsit i molts altres.

Tipus de so (infrasò, ultrasò, granota, estèreo, polifònic, homofònic, greu, agut)

El so es caracteritza per la seva freqüència. D'acord a aquelles que l'oïda humana pot captar, tots els sons es classifiquen en tres categories: els que podem escoltar o espectre audible, els que tenen freqüència per sota de el límit inferior de l'espectre audible o infrasons, i els que estan per sobre de l' límit superior, denominats ultrasons.

En tot cas, ja que les ones sonores es poden superposar linealment, els sons quotidians, que de vegades interpretem com a únics, en realitat consisteixen de diferents sons amb freqüències diferents però properes.

Figura 4. Espectre de so i els rangs de freqüència. Font: Wikimedia Commons.

espectre audible

L'oïda humà està dissenyat per captar un ampli rang de freqüències: entre 20 i 20.000 Hz. Però no totes les freqüències en aquest rang es perceben amb la mateixa intensitat.

L'oïda és més sensible a la banda de freqüències entre els 500 i 6.000 Hz. No obstant això hi ha altres factors que afecten la capacitat de percepció de el so, com ara l'edat.

infrasons

Són els sons la freqüència és menor a 20 Hz, però el fet que els humans no puguin escoltar-los, no vol dir que altres animals no puguin fer-ho. Per exemple, els elefants es serveixen d'ells per comunicar-se, ja que els infrasons poden viatjar llargues distàncies.

Altres animals, com el tigre, els fan servir per atordir a les seves preses. Els infrasons també s'empren en la detecció d'objectes grans.

ultrasons

Tenen freqüències majors a 20.000 Hz i són àmpliament utilitzats en molts camps. Un dels usos més notables dels ultrasons és com eina de la medicina, tant diagnòstica com de tractament. Les imatges obtingudes mitjançant ultrasons són no invasives i tampoc fan ús de radiacions ionitzants.

Els ultrasons també s'empren per trobar falles en estructures, determinar distàncies, detectar obstacles durant la navegació i més. Els animals també es serveixen de l'ultrasò, i de fet així va ser com es va descobrir la seva existència.

Els ratpenats emeten polsos sonors i després interpreten el ressò que aquests produeixen per estimar distàncies i situar les preses. Per la seva banda els gossos també poden escoltar els ultrasons i per això responen a el xiulet per a gossos que el seu propietari no pot escoltar.

So monofònic i so estereofònic

Figura 4. En un estudi de gravació el so es modifica apropiadament mitjançant aparells electrònics. Font: Pixabay.

El so monofònic és un senyal gravada amb un sol micròfon o canal d'àudio. Quan s'escolta amb audiòfons o cornetes de so, tots dos oïdes escolten exactament el mateix. En canvi el so estereofònic grava senyals amb dos micròfons independents entre si.

Els micròfons s'ubiquen en diferents posicions perquè puguin recollir diferents pressions sonores del que es vol gravar.

Després cada oïda rep un d'aquests conjunts de senyals, i quan el cervell els reuneix i interpreta, el resultat és molt més realista que a l'escoltar sons monofònics. Per tant és el mètode preferit quan es tracta de música i cinema, tot i que el so monofònic o monoaural se segueix emprant en la ràdio, sobretot per a entrevistes i converses.

Homofonia i polifonia

Musicalment parlant, l'homofonia consta d'una mateixa melodia interpretada per dos o més veus o instruments. En canvi, en la polifonia apareixen dues o més veus o instruments d'igual importància que segueixen melodies i fins a ritmes diferents. El conjunt que resulta d'aquests sons és harmoniós, com ara la música de Bach.

Sons greus i aguts

L'oïda humana discrimina les freqüències audibles com agudes, greus o mitjanes. Això és el que es coneix com el to de el so.

Les freqüències més altes, entre 1600 i 20.000 Hz, són considerades com sons aguts, la banda entre 400 i 1600 Hz correspon a sons amb to mig i finalment les freqüències en el rang de 20 a 400 Hz són els tons greus.

Els sons greus difereixen dels aguts en què els primers es perceben com profunds, foscos i retumbantes, mentre que els segons són lleugers, clars, alegres i penetrants. Així mateix l'oïda els interpreta com més intensos, a diferència dels sons greus, que produeixen la sensació de menor intensitat.

referències

1. Figueroa, D. 2005. Ones i Física Quàntica. Sèrie: Física per a Ciències i Enginyeria. Editat per D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Apunts d'Acústica musical. Recuperat de: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 1. 7dt. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Acústica. Recuperat de: es.wikipedia.org.