Ce sunt undele sonore și cum contează acestea în acustică

Undele sonore sunt perturbații mecanice care transferă energia sonoră prin aer, apă, solide și alte materiale elastice . În aer, acestea se deplasează în principal sub formă de unde longitudinale formate prin regiuni alternante de compresie și rarefiere. Frecvența, amplitudinea, lungimea de undă, faza și viteza lor determină modul în care se comportă sunetul și modul în care oamenii îl percep.

Pentru acusticieni, aceste proprietăți ale undelor sonore explică probleme practice precum claritatea vorbirii, reverberația, acumularea de frecvență joasă, transmiterea sunetului prin pereți și vibrațiile structurale .

Înțelegerea undelor sonore oferă fundamentul pentru o izolare fonică eficientă, un tratament acustic al încăperilor, controlul vibrațiilor și măsurarea precisă a sunetului.

 

Concluzii cheie

• Undele sonore necesită un mediu fizic. Ele se deplasează prin transferul de energie mecanică între particulele vecine.
• Frecvența definește rata vibrației. Aceasta influențează puternic înălțimea percepută și determină lungimea de undă la o anumită viteză a sunetului.
• Amplitudinea se referă la variația presiunii și la intensitatea sunetului. O presiune acustică mai mare creează de obicei o senzație auditivă mai puternică.
• Lungimile de undă mari se comportă diferit față de lungimile de undă scurte. Sunetul de joasă frecvență interacționează puternic cu dimensiunile încăperii și structurile clădirilor.
• Suprafețele își schimbă comportamentul ondulatoriu. Reflexia, absorbția, difuzia și transmiterea undelor sonore au loc ori de câte ori sunetul atinge o limită.
• Încăperile creează rezonanță acustică și unde staționare. Dimensiunile și proprietățile suprafeței determină ce frecvențe primesc întărire sau atenuare.
• Proiectarea acustică profesională pornește de la comportamentul undelor. Măsurătorile identifică problemele dependente de frecvență și ghidează selecția absorbției, izolației, masei, amortizării și difuziei.

 

Ce sunt undele sonore?

O sursă sonoră începe cu o vibrație . Corzile vocale se mișcă în timpul vorbirii. Conul unui difuzor se mișcă înainte și înapoi. O coardă de chitară oscilează după ce este ciupită. Mașinile, pompele, ventilatoarele, podelele, pereții și țevile pot deveni, de asemenea, surse sonore atunci când forțele mecanice le fac să vibreze.

Aceste vibrații sonore perturbă particulele din jurul sursei . În aer, sursa în mișcare comprimă moleculele din apropiere și apoi le permite să se împrăștie. Perturbarea se transmite de la un grup de particule la altul.

Particulele oscilează în jurul poziției lor locale de echilibru, în timp ce unda transportă energia departe de sursă. Această distincție este importantă. Propagarea sunetului transferă energie prin mediu, în timp ce fiecare particulă efectuează o mișcare locală relativ mică.

NASA descrie sunetul în aer prin regiuni alternante de compresie și rarefiere generate de schimbări ritmice de presiune . Acest mecanism creează variațiile de presiune recunoscute de microfoane și de sistemul auditiv uman.

Prin urmare, sunetul necesită un mediu cu proprietăți mecanice care să susțină propagarea undelor. Aerul, apa, oțelul, betonul, lemnul, gips-cartonul și sticla transmit undele acustice în mod diferit, deoarece densitatea, rigiditatea, amortizarea și structura lor internă diferă.

Un vid nu conține particule materiale care să transfere perturbația mecanică. Prin urmare, propagarea sunetului necesită materie solidă, lichidă sau gazoasă .

 

 

Cum se deplasează undele sonore

Sunetul în aer se comportă în principal ca o undă longitudinală . Particulele se mișcă înainte și înapoi în aproximativ aceeași direcție ca și perturbația de presiune care se deplasează.

O compresie conține o densitate și o presiune a particulelor temporar crescute. O rarefiere conține o densitate și o presiune reduse. Repetarea acestor regiuni produce unda călătoare .

Acest comportament diferă de undele transversale, unde mișcarea particulelor are loc perpendicular pe direcția de deplasare. Vibrațiile din corzi pot prezenta un comportament transversal, în timp ce sunetul audibil transmis prin aer care ajunge la un ascultător se comportă predominant longitudinal.

Același principiu de bază se aplică și în cazul lichidelor. Solidele suportă un comportament elastic mai complex, deoarece pot transmite mișcări de compresiune și forfecare.

Această distincție devine importantă în clădiri. Zgomotul aerian poate excita un perete, o podea, o fereastră sau un tavan. Elementul clădirii vibrează apoi și transferă energie prin structură. Suprafața receptoare radiază o parte din acea vibrație înapoi în aer sub formă de sunet.

Prin urmare, un acustician urmează calea completă:

Sursă → mediu → structură sau cameră → receptor

Controlul eficient al zgomotului vizează secțiunea cea mai slabă sau cea mai energică a acestei căi.

 

Frecvență și unde sonore

Frecvența sunetului descrie numărul de cicluri complete de presiune care au loc în fiecare secundă. Unitatea de măsură este hertz, scris Hz . Un ton de 100 Hz completează 100 de cicluri pe secundă. Un ton de 1.000 Hz completează 1.000 de cicluri pe secundă.

Frecvența influențează puternic înălțimea percepută . Frecvențele mai joase creează, în general, o percepție auditivă mai joasă, în timp ce frecvențele mai înalte creează o percepție mai înaltă.

Intervalul aproximativ al auzului uman se întinde de la 20 Hz la 20.000 Hz în condiții favorabile, deși sensibilitatea la frecvențele superioare scade de obicei odată cu vârsta. Frecvențele sub intervalul auditiv convențional se încadrează în infrasunete. Frecvențele peste aproximativ 20 kHz se încadrează în ultrasunete.

Gama de frecvență contează considerabil în acustică, deoarece materialele și construcțiile au performanțe diferite pe întreg spectrul.

Energia de joasă frecvență provenită de la subwoofere, utilaje industriale, instalații sanitare pentru clădiri, trafic și muzică poate excita elemente structurale mari. Zgomotul de voce și al echipamentelor de înaltă frecvență au, în general, lungimi de undă mai scurte și interacționează mai ușor cu materiale absorbante relativ subțiri.

Prin urmare, analiza frecvenței oferă mult mai multe informații de diagnostic decât o singură valoare generală a decibelilor.

 

 

Amplitudine, presiune sonoră și intensitate sonoră

Amplitudinea descrie magnitudinea variației unei unde în jurul stării sale de echilibru . În acustică, inginerii lucrează de obicei cu presiunea acustică, mai degrabă decât cu înălțimea vizuală a unei forme de undă desenate.

Nivelul presiunii sonore exprimă presiunea acustică pe o scară logaritmică a decibelilor . Presiunea standard de referință în aer este de 20 micropascali.

O variație mai mare a presiunii corespunde, în general, cu o intensitate sonoră mai mare și o percepție sonoră crescută . Relația dintre nivelul fizic și percepția sunetului rămâne complexă, deoarece sistemul auditiv uman reacționează diferit în funcție de frecvență, nivel, durată și conținut spectral.

Acest domeniu aparține parțial psihoacusticii , care studiază relațiile dintre stimulii acustici măsurabili și percepția auditivă.

Două sunete cu același nivel de presiune sonoră măsurat pot produce o calitate a sunetului și o proeminență percepută diferite atunci când conținutul lor de frecvență, durata, modulația sau caracterul tonal diferă.

Această distincție devine deosebit de importantă atunci când se evaluează pompele, compresoarele, transformatoarele, sistemele de ventilație , utilajele industriale și zgomotul ambiental de joasă frecvență.

 

Lungimea de undă explicată

Lungimea de undă descrie distanța fizică ocupată de un ciclu complet de undă.

Relația este:

Lungimea de undă = viteza sunetului ÷ frecvența

La aproximativ 20°C, viteza sunetului în aer este de aproximativ 344 de metri pe secundă, conform Laboratorului Național de Fizică din Marea Britanie.

Aceasta oferă exemple practice utile:

• La 100 Hz , lungimea de undă este de aproximativ 3,44 metri .
• La 1.000 Hz , lungimea de undă este de aproximativ 0,344 metri .
• La 10.000 Hz , lungimea de undă este de aproximativ 34 de milimetri .

Aceste valori explică multe provocări în materie de proiectare acustică.

O undă de 100 Hz poate avea dimensiuni comparabile cu o cameră întreagă. Prin urmare, spuma decorativă subțire are o influență limitată asupra unei lungimi de undă atât de mari. Controlul frecvenței joase necesită de obicei o adâncime substanțială a absorbției, sisteme reglate, capcane de bas poziționate cu atenție, izolare structurală sau modificări ale geometriei camerei.

Frecvențele mai mari au lungimi de undă mai scurte și interacționează eficient cu absorbanți poroși relativ puțin adânci.

Lungimea de undă influențează, de asemenea, difracția în jurul obstacolelor, interferența dintre mai multe surse de sunet, comportamentul în modul cameră și poziționarea microfonului.

 

 

Viteza sunetului în diferite materiale

Viteza sunetului depinde de proprietățile mecanice ale mediului.

Aerul la aproximativ 20°C permite propagarea sunetului cu aproximativ 344 m/s . Temperatura modifică această valoare. Sunetul se deplasează, în general, mult mai repede prin apă și multe solide, deoarece rigiditatea lor permite un transfer mai rapid de energie mecanică.

Acest comportament are consecințe majore asupra acusticii clădirilor.

O vibrație introdusă într-o placă de beton sau într-un element de oțel se poate propaga prin structură și poate reapărea sub formă de sunet într-o locație îndepărtată. Prin urmare, zgomotul transmis de structură necesită izolarea vibrațiilor cât mai aproape de sursă.

Exemple tipice includ:

• Pompe conectate rigid la conducte;
• Instalație de acoperiș conectată la o structură metalică;
• Mașini de ridicat care transmit vibrații în pereți;
• Pași care agitează o placă de podea;
• Difuzoare care transferă basul în mobilier sau pereți despărțitori;
• Echipamente mecanice montate direct pe beton.

Vibroizolația întrerupe această cale mecanică prin intermediul suporților elastici, arcurilor, elastomerilor, podelelor plutitoare, suporților elastici sau conectorilor flexibili.

 

Reflexie, absorbție, transmisie și refracție

Când sunetul atinge o limită, energia sa poate urma mai multe căi.

Reflecţie

Reflexia undei sonore are loc atunci când o parte din energia incidentă se întoarce în spațiul inițial. Suprafețele dure și dense, cum ar fi betonul, sticla, piatra și tencuiala, creează de obicei reflexii puternice pe o mare parte a intervalului sonor.

Reflexiile influențează inteligibilitatea vorbirii, claritatea muzicală, reverberația, ecoul flutterului și localizarea sunetului.

Absorbţie

Materialele absorbante transformă o parte din energia acustică în cantități foarte mici de căldură prin frecare și mișcare internă.

Absorbantele poroase, cum ar fi vata minerală, funcționează eficient atunci când are loc mișcarea aerului în interiorul structurii lor. Grosimea, densitatea, amplasarea, golurile de aer și frecvența determină performanța lor.

Transmitere

Transmiterea sunetului are loc atunci când energia acustică excită un element de separare și produce sunet pe partea opusă.

Sistemele de izolare fonică controlează acest proces prin masă, separare elastică, amortizare, etanșeitate, absorbție a cavităților și proiectare atentă a joncțiunilor.

Refracţie

Refracția undei sonore descrie o schimbare a direcției de propagare cauzată de variațiile vitezei undei. Gradienții de temperatură și condițiile atmosferice pot curba căile sonore exterioare.

Refracția are o relevanță deosebită în acustica mediului și în predicția zgomotului pe distanțe lungi.

Atenuare

Atenuarea undelor sonore descrie reducerea nivelului acustic pe măsură ce sunetul se deplasează. Răspândirea geometrică, absorbția atmosferică, barierele, amortizarea materialelor și pierderile structurale pot contribui.

Fiecare mecanism necesită o strategie de tratament diferită.

 

 

Rezonanță și unde staționare

Rezonanța acustică apare atunci când o sursă sonoră excită un sistem în apropierea uneia dintre frecvențele sale naturale. Vibrația rezultată poate deveni substanțial mai puternică la acea frecvență.

Camerele au rezonanțe numite moduri de cameră . Pereții, podelele, tavanele, panourile, conductele, mașinile și elementele structurale au, de asemenea, frecvențe naturale.

Undele staționare se formează atunci când undele incidente și cele reflectate interacționează într-un model spațial stabil. Anumite poziții dezvoltă o presiune sonoră mai puternică, în timp ce altele experimentează niveluri mai scăzute. Aceasta explică o problemă frecventă a încăperilor mici: basul poate suna puternic lângă un perete și mult mai slab la mică distanță . Prin urmare, mutarea difuzorului, a ascultătorului sau a microfonului de măsurare poate modifica substanțial răspunsul la frecvență joasă măsurat.

Lucrările profesionale de acustică a încăperii utilizează dimensiunile încăperii, răspunsul în frecvență, măsurătorile de descreștere, pozițiile de ascultare, pozițiile sursei și plasarea absorbției pentru a controla comportamentul modal.

 

Undele sonore în camere și clădiri

O cameră închisă conține mii de reflexii după ce pornește o sursă sonoră.

Reflexiile timpurii apar la scurt timp după sunetul direct și afectează claritatea, localizarea și impresia spațială. Reflexiile ulterioare se combină în reverberație.

Timpul de reverberație descrie modul în care sunetul se diminuează după ce sursa se oprește. BS EN ISO 3382 oferă metode de măsurare pentru parametrii acustici ai încăperii, inclusiv timpul de reverberație pentru diferite tipuri de încăperi. Reverberația lungă poate reduce inteligibilitatea vorbirii în birouri, săli de clasă, restaurante, săli de ședințe și spații publice. Reverberația foarte scurtă poate crea un mediu acustic uscat, în care muzica și indiciile spațiale naturale își pierd susținerea.

Ecoul de fluturare se dezvoltă atunci când sunetul se reflectă în mod repetat între suprafețe paralele adecvate. Adesea creează un caracter rapid, metalic sau repetitiv.

Prin urmare, forma camerei și distribuția suprafeței contează alături de absorbția totală. Un mediu acustic eficient depinde de relația dintre:

• Volumul camerei;
• Absorbție superficială;
• Geometria reflexiei;
• Difuzie;
• Locația sursei;
• Locația ascultătorului;
• Zgomot de fundal;
• Decădere dependentă de frecvență.

Sistemele de tratare acustică DECIBEL utilizează aceste principii pentru a controla reverberația, reflexiile, claritatea vorbirii, intimitatea și calitatea generală a sunetului.

 

Cum sunt măsurate undele sonore

Măsurarea profesională a sunetului transformă variația presiunii în date electrice prin intermediul unui microfon calibrat . Un sonometru poate măsura nivelul general al presiunii sonore, în timp ce analizoarele de frecvență împart semnalul în benzi de octavă, o treime de octavă sau benzi de frecvență mai înguste.

Ghidul Executivului pentru Sănătate și Securitate din Regatul Unit face referire la instrumente conforme cu BS EN 61672-1 pentru măsurarea nivelului sonor.

Acusticienii pot examina:

• Nivel sonor continuu echivalent;
• Niveluri maxime și minime;
• Presiune sonoră maximă;
• Spectre de octavă sau de o treime de octavă;
• Timpul de reverberație;
• Răspuns în frecvență;
• Răspuns la impuls;
• Viteza sau accelerația vibrației;
• Izolație fonică aeriană și de impact.

Poziția de măsurare contează. Distanța față de sursele de sunet, reflexiile, limitele camerei, înălțimea microfonului, condițiile de fundal și calibrarea pot afecta rezultatele.

Aplicațiile telefonice pot ajuta la identificarea modificărilor evidente sau a frecvențelor dominante. Evaluarea conformității și diagnosticarea tehnică necesită instrumente calibrate, proceduri controlate și o interpretare corectă.

 

 

Exemple cotidiene de unde sonore

Teoria undelor sonore apare în medii obișnuite în mod continuu:

• Vorbirea începe cu corzile vocale și tractul vocal, se deplasează prin aer, ajunge la ureche și creează vibrații la nivelul timpanului. Sistemul auditiv transformă semnalul mecanic în informație neuronală.
  
  
• Muzica combină numeroase frecvențe, amplitudini, faze și evenimente tranzitorii. Reflexiile din încăpere modifică echilibrul tonal, claritatea și impresia spațială.
  
  
• Traficul rutier produce zgomot la nivelul motorului, anvelopelor, aerodinamic și structural, pe o gamă largă de frecvențe.
  
  
• Pașii creează excitație la impact în podele și pot produce componente transportate prin aer și structuri în spațiile adiacente.
  
  
• Instalațiile sanitare generează sunet prin ventilatoare, pompe, flux de aer, mișcarea apei, motoare, compresoare și vibrații.
  
  
• Imagistica cu ultrasunete utilizează frecvențe peste intervalul auditiv normal pentru a crea informații diagnostice din energia acustică reflectată.
  
  
• Sonarul subacvatic folosește sunetul transmis și reflexiile temporale pentru detectarea sonarului și estimarea distanței. Animalele marine folosesc, de asemenea, ecolocația pentru navigare și detectarea prăzii.
  
  
• Curățarea cu ultrasunete utilizează energie acustică de înaltă frecvență în interiorul lichidului pentru a ajuta la îndepărtarea contaminării de pe suprafețe.

Aceste aplicații demonstrează aceleași caracteristici fundamentale ale undelor sonore în medii foarte diferite.

 

Când cunoașterea undelor sonore devine importantă

Cunoștințele de bază despre undele sonore devin deosebit de utile în trei etape.

Diagnosticarea unei probleme de zgomot

Un zumzet de joasă frecvență necesită o investigație diferită față de transmiterea vorbirii de înaltă frecvență. O vibrație resimțită prin podea indică o traiectorie mecanică. O descreștere lungă după o bătaie din palme indică o reverberație excesivă în încăpere.

Proiectarea unui spațiu acustic

Sălile de ședințe au nevoie de reverberație controlată și intimitate a vorbirii. Studiourile de înregistrări au nevoie de reflexii controlate și răspuns la frecvență joasă. Restaurantele au nevoie de un mediu acustic echilibrat care să susțină conversațiile fără acumulare excesivă de sunet.

Specificarea izolației fonice

Izolarea fonică eficientă depinde de frecvență, masă, rigiditate, adâncimea cavității, conexiunile elastice, căile de flancare, penetrările și manopera.

Aici teoria acustică devine inginerie practică. Proprietățile undelor sonore ghidează selecția materialelor, grosimea sistemului, detaliile de izolare, metodele de măsurare și așteptările de performanță.

 

Întrebări frecvente

Ce este mai exact o undă sonoră?

O undă sonoră este o perturbație mecanică care transferă energie printr-un solid, lichid sau gaz. În aer, aceasta se deplasează în principal prin compresii și rarefieri alternante create de o sursă vibratoare.

Cum se leagă frecvența și lungimea de undă?

Frecvența și lungimea de undă au o relație inversă atunci când viteza undei rămâne constantă. O frecvență sonoră mai mare creează o lungime de undă mai scurtă, în timp ce o frecvență mai mică creează o lungime de undă mai mare.

Ce înseamnă amplitudinea în acustică?

Amplitudinea descrie magnitudinea variației unei unde. În acustica practică, presiunea sonoră oferă principala mărime măsurabilă, în timp ce nivelul presiunii sonore exprimă acea presiune logaritmic în decibeli.

De ce afectează reflexiile și absorbția acustica încăperii?

Reflexiile mențin energia acustică în mișcare prin cameră după sosirea sunetului direct. Suprafețele absorbante reduc reflexiile selectate și timpul de descreștere, îmbunătățind controlul asupra reverberației, claritatea vorbirii și echilibrul tonal.

Cum creează undele staționare zone cu explozii?

Undele staționare se formează prin interacțiunea dintre sunetul incident și cel reflectat. La anumite frecvențe ale camerei, unele locații dezvoltă maxime de presiune puternice, în timp ce altele dezvoltă regiuni mai slabe, creând un răspuns inegal al basului.

Care este diferența dintre sunetul transmis prin aer și cel transmis prin structură?

Sunetul transmis prin aer se deplasează prin aer înainte de a excita receptorul sau elementul clădirii. Sunetul transmis prin structură pătrunde într-o construcție solidă prin vibrații și se poate propaga prin podele, pereți, grinzi, țevi și alte elemente conectate.

Cum afectează temperatura viteza sunetului?

Temperatura modifică viteza sunetului în aer. La aproximativ 20°C, Laboratorul Național de Fizică din Marea Britanie oferă o valoare de aproximativ 344 m/s, valoarea precisă modificându-se în funcție de condițiile de mediu.

Când ar trebui să rog un acustician să investigheze sunetul?

Evaluarea profesională devine valoroasă atunci când zgomotul se răspândește între încăperi sau proprietăți, problemele de joasă frecvență persistă, claritatea vorbirii rămâne slabă, vibrațiile se propagă prin structură sau un proiect necesită performanțe acustice măsurabile. Un acustician poate identifica frecvențele de control și căile de transmisie înainte de a specifica tratamentul.

 

Surse și referințe tehnice

1. Laboratorul Național de Fizică (NPL), Nivelul presiunii sonore și nivelul intensității
   Acoperă presiunea acustică, intensitatea sunetului, presiunea de referință de 20 µPa, impedanța acustică și viteza sunetului în aer la 20°C.
   https://resource.npl.co.uk/acoustics/techguides/concepts/spl.html
2. Centrul Național pentru Informații Biotehnologice, Cum auzim: Percepția și codificarea neuronală a sunetului
   Oferă informații tehnice despre percepția auditivă umană, sensibilitatea la frecvență, tonalitatea sunetelor și intervalul auditiv uman aproximativ de la 20 Hz la 20.000 Hz.
   https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5819010/
3. Laboratorul Național de Fizică, Scara Decibelilor
   Explică scara logaritmică a decibelilor, intensitatea acustică, nivelul presiunii sonore și relația dintre presiunea acustică și intensitate.
   https://resource.npl.co.uk/acoustics/techguides/concepts/dbscale.html
4. Centrul Național pentru Informații Biotehnologice, Informații despre Auz, Comunicare și Înțelegere
   Oferă informații suplimentare despre frecvență, ton, gamă auditivă, propagarea sunetului și influența temperaturii și a mediului asupra vitezei sunetului.
   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK20366/