19.01.2015 ACUSTICA

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/ACUSTICA134249321.php 1/7

ALTE DOCUMENTEUnitati de masura in sistemul internationalTermometrulElectrostaticaTeoria electromagnetica a lui MaxwellTRADUCTOAREDIODA SEMICONDUCTOAREDETERMINAREA CLORULUI REZIDUALProprietati ale centrului de masaMateriale semiconductoareRedresor activ fara diode

Search

Username / Parola inexistente

email ••••••

Login Am uitat parola x Creaza cont nou

Home Exploreaza Upload

Administratie

Arta cultura

Biologie

Casa gradina

Diverse

Economie

Geografie

Gradinita

Istorie

Jurnalism

Limba

Literatura romana

Management

Medicina

Personalitati

Profesor scoala

Sociologie

StiintaArhitectura constructii

Astronomie

Chimie

Drept

Fizica

Informatica

Matematica

Stiinte politice

Tutorials

Tehnica mecanica

Timp liber

ACUSTICAFizica

ACUSTICA

Producerea si propagarea sunetelor

Vibratiile corpurilor materiale se propaga prin aer (si, în general, prin orice alt gaz) siajungand la ureche produc senzatia auditiva, pe care o numim sunet. Trebuie sa mentionam însa canu toate oscilatiile receptionate de ureche sunt percepute auditiv. Obiectul acusticii îl constituiestudiul producerii si propagarii sunetelor, înglobînd aici nu numai vibratiile auditive, ci si pe celecare nu produc senzatie auditiva, cum ar f i ultrasunetele.

Vibratiile produse intr­un punct al unui mediu elastic se propaga în acel mediu din aproape inaproape sub forma de unde. În aer (ca si în orice alt gaz) sau în lichide avem de­a face cu undelongitudinale. Undele sonore f iind oscilatii ale mediului, produse de vibratiile unor corpuri materiale,vor avea proprietatile undelor elastice. Astfel, dupa cum am aratat viteza de propagare v­a f iv=√E/ρ

În cazul gazelor aceasta relatie devine v=√γRT/√M

unde M este masa unui mol de gaz, T — temperatura absoluta, R — constanta gazelor, iar γ esteraportul dintre caldura specif ica a gazului la presiune constanta si, respectiv, la volum constant(γ=cp/cv) *. Aceasta relatie, numita formula Iui Laplace, ne arata ca viteza de propagare a undelorsonore este proportionala cu radacina patrata a temperaturii T si nu depinde de presiuneagazului. În realitate, în afara de temperatura, mai exista si alti f actori care inf luenteaza vitezade propagare a sunetului si care nu au fost luati în considerara la deducerea formulei. Astfel defactori sînt umiditatea aerului (viteza e mai mare în aerul umed decit în cel uscat), ionizareaaerului care duce la cresterea vitezei, curentii de aer, precum si intensitatea sunetului.Deoarece ne intereseaza îndeosebi propagarea sunetului în aer, nu mai dam formulele pentruviteza de propagare în. alte medii, ci prezentam numai un tabel cu valorile vitezei pentru unelemedii (pentru gaze si lichide este indicata si temperatura)

Substanta v(m/s) Temperatura (°C) Substanta v (m /s)

Aer 331,8 0 Aluminiu 5 104 |

Dioxid de carbon 259 0 Fier 5 000

Hidrogen 1 261 0 Plumb 1 320

Apa curata 1 440 15 Lemn de brad 500

Apa de mare 1 503 15 Cupru 3 600

Cauciuc circa 50

Cînd izvorul sonor (presupus punctiform) este în repaus, undele sonore care pornesc din acest punct sint unde sferice, fronturile de unda f iind suprafete sfericeconcentrice. În cazul în care sursa sonora se misca (sa presupunem rectiliniu); centrele suprafetelor sferice se vor gasi pe linia care reprezinta traiectoria sursei. Înfunctie de viteza sursei în raport cu viteza de propagare a sunetului, avem trei situatii:

a) Viteza sursei sonore (u) mai mica decît viteza (v) a sunetului. Undele sonore se înconjoara una pe alta fara sa se întretaie, însa nu mai au acelasi centru,ingramadindu­se în directia în care se misca sursa. Dupa cum se vede, punctul A spre care se îndreapta izvorul sonor este strabatut de un numar mai mare de unde înunitatea de timp (frecventa creste — efectul Doppler­Fizeau). Situatia este inversata pentru punctul B, fata de­care izvorul se departeaza.

b) Viteza sursei sonore (u) este egala cu viteza sunetului (v). Undele sferice se ating în f iecare moment într­un punct comun, care este punctul în care segaseste sursa în acel moment . Un observator asezat în directia spre care se misca sursa primeste deodata toate undele sub forma unui pocnet.

c) Viteza sursei sonore (u) mai mare ca viteza (v) a sunetului. În acest caz, undele sferice se întretaie. Înfasuratoarea acestor unde este un con cu vÎrful înpunctul în care se gaseste sursa în momentul respectiv.

19.01.2015 ACUSTICA

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/ACUSTICA134249321.php 2/7

Unghiul dintre generatoarea conului (A06) si directia de deplasare a sursei (0106) este dat de relatia:

Sin = ||O1A||/ ||O1O6|| = vΔt / uΔt = r/u

(Δt este timpul în care sursa s­a deplasat de la 01 la 06 si respectiv, unda sonora excitata in 01 s­a propagat pe distanta ||01A||). Situatia apare ca si cum sursa sursasonora­ ar trage dupa ea undele sonore, un observator situat in partea înspre care înainteaza sursa va primi undele sonore in ordinea inversa in raport cu cea în careau fost produse.

Corpurile care se misca cu o viteza mai mare decit viteza sunnetului (super sonice) produc, prin comprimarea aerului în directia de înaintare, o unda care nuare caracter periodic, reprezentînd doar un domeniu de comprimare care se propaga cu viteza sunetului. O astfel de unda.' se numeste unda de soc sau unda balistica.Ele provoaca senzatia unui soc puternic. Aceste unde apar, de exemplu, în cazul miscarii proiectilelor sau al avioanelor cu reactie.

In încheierea acestui paragraf, mentionam ca, deoarece undele sonore sunt unde, elastice, si in cazul propagarii sunetelor apar fenomenele, caracteristiceundelor ca reflexia, refractia, interferenta, difractia. Unele dintre aceste fenomene, mai ales din punct de vedere al particularitatilor prezentate de sunete, vor f i discutateîn paragrafele urmatoare.

Calitatile sunetului

Sunetele pot f i caracterizate prin trei calitati principale: înaltime, intensitate si timbru.

a) Înaltimea sunetului este proprietatea sa de a f i mai profund (grav) sau mai acut (ascutit, subtire). Experimental s­a constatat ca înaltimea sunetului depindede frecventa oscilatiilor sonore. Astfel, urechea apreciaza doua sunete ca au aceeasi înaltime (sunt la unison) daca au aceeasi frecventa; iar în cazul în care aufrecvente diferite, este mai înalt (acut) cel care are frecventa mai mare. Din aceasta cauza, înaltimea sunetului se exprima numeric prin frecventa undei sonore.

Sa observam aici ca vibratiile libere ale corpurilor materiale au loc, în general, cu diferite pulsatii proprii, spre deosebire de cazul oscilatiilor punctului material încare avem o singura frecventa de vibratie, determinata de masa punctului si constanta fortei elastice (0 = k/m). Astfel, un corp material care vibreaza va producesunete de diferite înaltimi, de frecvente bine determinate pentru f iecare corp. Sunetul emis de corp, sunet cu frecventa cea mai mica, se numeste sunet fundamental, iarcele corespunzatoare unor frecvente egale cu multiplii întregi ai frecventei sunetului fundamental se numesc armonice superioare.

În natura Se întalnesc foarte rar sunete „curate'', care sa aiba o frecventa bine determinata, sunetele naturale f iind, de fapt, compuse din sunete de. diferitefrecvente.

b) Intensitatea sau taria sinetului într­un anumit punct din spatiu este determinata de cantitatea de energie pe care o transporta unda sonora în unitatea de timp prinunitatea de suprafata asezata în acel punct, perpendicular pe directia de propagare. Pentru a vedea care sunt marimile de care depinde intensitatea, saconsideram un paralelipiped de sectiunea ΔS, perpendicular pe directia de propagare a undei si de lungime vT. Suprafata ΔS va f i strabatuta intr­operioada T de energia medie W a undei sonore care se gaseste in paralelipipedul considerat WW

W=w · ΔS · vT

Intensitatea va f i deci: I= W / ΔS · T = w · v = ½ ρA2 · 2v

Sau I = 2π2 · ρA2v2v

Se vede ca intens itatea sunetului depinde atat de mar imi care carac ter izeaza oscilatia sonora (A, v), cît si de marimi care caracterizeaza mediul (ρ, v).

In cazul undei plane, amplitudinea osc ilatiei nu depinde de dis tanta de la izvorul sonor s i, in consec inta, intens itatea va f i aceeas i înor ice punc t. Daca însa sunetul se propaga pr in unde s f er ice, s ituatia se schimba. Pentru a vedea cum, sa cons ideram cantitatea de energiecare s trabate într­o per ioada o supraf ata s f er ica de raza r , cu centrul în punc tul în care se gases te unda sonora. Daca considerampropagarea într­un mediu omogen, energia care strabate un element ΔS, suf ic ient de mic , al supraf etei es te data tot de paralelipiped. Cum w , v si Tau aceleasi valori în. orice punct de pe suprafata sferica de raza r , energia care trece pr in toata supraf ata s f er ica va f i:

W = 4 πr2 ·1/2 · 2 A2 ρvT

c) Timbrul Intre sunetele de aceeasi intensitate si înaltime, emise de instrumente dif er ite ex is ta o deosebire calitativa pe care o numim timbrulsunetului. Aceas ta deosebire es te legala de f aptul ca un corp mater ial emite, în af ara sunetului f undamental, s i o serie de sunete de f recventesuperioare, insa de intensitati mult mai mici decat a celui fundamental. Timbrul este determinat tocmai de aceste sunete superioare, care însotesc sanetulfundamental. Experienta arata ca timbrul undei sonore depinde de numarul, înaltimea si intens itatea sunetelor super ioare, dar nu depinde de dif erenta def aza dintre aces te v ibratii. Asupra modului in care apar sunetele super ioare s i legatura cu timbrul instrumentelor muzicale vom reveni în capitolulsurse sonore.

Perceperea sunetelor

Perceperea sunetelor de catre om se realizeaza prin intermediul urechii. Descrierea anatomica a urechii si mecanismul auditiei pot f i gasite de cititor în oricemanual de anatomie. Aici vom mentiona doar ca vibratiile auditive sunt transmise prin intermediul diferitelor parti ale urechii, facand sa vibreze asa­numitele fibre ale luiCorti. Sub actiunea unui sunet de înltime (frecventa) data, vibreaza anumite fibre, excitînd terminatiile corespunzatoare ale nervului auditiv , care, la randul sau,transmite exc itatia la creier.

In continuare, ne vom ocupa de conditiile pe care trebuie sa le îndeplineasca o vibratie acustica pentru a f i perceputa ca sunet, adica sa discutam limitelede audibilitate. Se constata ca f recventa sunetelor audibile este cuprinsa aproximativ între 16 Hz si 20000 G Hz. Aceste limite variaza insa de la persoana lapersoana si în general, cu vîrsta. Vibratiile de f recventa mai mica decat 16 Hz se numesc inf rasunete, iar cele de f recventa mai mare decat 20 000 Hzse numesc ultrasunete.

Se constata, de asemenea, ca si intensitatea sunetelor audibile este cuprinsa între anumite limite si anume, aproximativ între 4·10­12 W/m2 si 2·102W/m2.Intensitatea minima care determina senzatia auditiva se numeste prag de audi­bilitate. Daca intensitatea sunetelor creste foarte mult, în ureche apare o senzatie depresiune si apoi de durere.Intensitatea maxima peste care apare aceasta senzatie, se numeste prag tactil sau pragul senzatiei de durere. Limitele de intensitatedepind de f recventa sunetului. Astfel, se constata ca pentru frecvente cuprinse între circa l000 Hz si 3000 Hz urechea este cea mai sensibila, pragul de audibilitateeste cel mai jos, atingînd valori de ordinul 10­12W/m2. Pentru frecvente mai joase sau mai înalte urechea este mai putin sensibila, pragul de audibilitate f iind mai ridicat.Inf igura urmatoare sunt reprezentate schematic pragul de audibilitate si pragul senzatiei de durere (curbele pline). Regiunea dintre cele doua curbe reprezinta suprafataintensitatilor audibile sau suprafata de audibilitate.

Intensitatea senzatiei auditive (intensitatea subiectiva a sunetului) nu este proportionala cu intensitatea sunetului f izic, pe care am def init­o mai inainte. Ingeneral, pentru un sunet de o frecventa data­, senzatia auditiva creste (de la pragul de audibilitate) rapid cu cresterea intensitatii si apoi, cand ne apropiem depragul senzatiei de durere, intensitatea trebuie sa creasca foarte mult pentru ca urechea sa perceapa o diferenta. De fapt, intensitatea subiectiva a sunetului nupoate f i masurata cantitativ exact. O evaluare aproximativa este data de legea psiho­f izica formulata de Weber si Fechner. Conform acestei legi, diferenta dintresenzatiile auditive produse de doua sunete este proportionala cu logaritmul raportului dintre intensitatile celor doua sunete. S2 – S1 = k log ( I2 / I1)

19.01.2015 ACUSTICA

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/ACUSTICA134249321.php 3/7

In aceasta relatie S1 reprezinta senzatia auditiva (sau nivelul intensitatii sunetului) produsa de sunetul de intensitate I1. Desi ipotezele pe baza carora se deduceaceasta relatie nu sunt exact satisfacute, ea este foarte importanta, deoarece sistemul de masura a intensitatilor sonore (scara nivelelor de intensitate a sunetelor) sebazeaza pe aceasta lege.

Daca luam ca nivel zero (senzatia auditiva S0 = 0) pragul de audibilitate I0, I0 = 10­12W/m2, nivelul intensitatii sunetului este dat de relatia S = k log ( I /I0).

Daca se ia k = l, unitatea de masura pentru nivelul intensitatii sonore se numeste bel, iar daca se ia k = 10, decibel (dbel). Unei intensitati I = 10 I0 îi corespunde

un nivel S = 10 dbel, pentru I = 100 I0 avem S = 20 dbel, iar pentru o intensitate apropiata de pragul senzatiei de durere I = 10Î4 I0 avem valoarea S = 140 dbel.

In tabelul urmator dam nivelele intensitatii sunetelor pentru cîteva sunete obisnuite; valorile intensitatilor se refera la sunetul de l 000 Hz. Pentru a percepe­ovibratie ca sunet, în afara conditiilor de frecventa si intensitate mai exista si­o conditie de durata. Astfel, pentru ca un om obisnuit sa perceapa bine înaltimea unuisunet, trebuie ca urechea sa sa primeasca unde sonore cel putin. timp de aproximativ o sutime de secunda, adica cel putin 5 vibratii pentru. un sunet de 500Hz, 10 vibratii pentru l 000 Hz etc. Totusi, dupa mult exercitiu, aceasta limita coboara sensibil ajungînd, de exemplu, la doua vibratii pentru a percepe destul de corectînaltimea unui sunet între 40 Hz si 3 000 Hz.

Sursa sunetului Nivelul (decibeli) Intensitatea sunetului (W/m2)

Pragul audibilitatii (liniste absoluta) 0 10­12

Freamatul frunzelor 10 10­11

soapte 20 10­10

Pasi, ruperea hîrtiei 40 10­8

Vorbirea 50­70 10­7­10­5

Muzica tare la radio 80 10­4

Nituirea 100 10­2

Motor avion (la 3 m departare) 130 10

Din punctul de vedere al senzatiei auditive pe care o produc, sunetele pot fi împartite în trei clase: sunete muzicale (simple sau compuse), zgomote si pocnete. Searata experimental ca sunetele muzicale sînt produse de miscari periodice, zgomotele ­ de miscari neregulate, iar pocnetul este rezultatul lovirii urechii de o variatiebrusca si scurta a presiunii aerului.

Relatia dintre doua sunete produse succesiv sau simultan este caracterizata prin raportul dintre frecventele celor doua sunete, v2 si v1 numit interval, iar dacareprezinta raportul dintre anumite numere întregi, avem un interval muzical. Principalele intervale muzicale sunt: unisonul (v2 / v1= 1); secunda mare (v2/ v1 = 9/8 sau 10/9) si secunda mica (v2/v1 = 16/15); terta mare (v2/v1= 5/4) si terta mica (v2/v1= 6/5), cvarta (v2/v1= 4/3); cvinta (v2/v1 = 3/2); sextamare (v2/v1 = 5/3) s i sexta mica (v2/v1 = 8/5); septima mare (v2/v1=15/8) s i s epta mic a ( v2/v1= 9/5) s i oc tav a ( v2/v1=2/1) .

Doua sau mai multe sunete produse simultan, separate prin intervale muzicale, f ormeaza un acord. Senzatia auditiva pe care o produc poate f imai mult sau mai putin placuta, In functie de aceasta, acordul se numeste consonant sau disonant. Cele mai consonante acorduri sînt cele de octava,terta majora si cvinta, iar disonante cele de cvarta, sexta, secunda s i septima. In general, acordul este cu atat mai consonant cu cit numerele caredef inesc raportul sunt mai mici. Trei sunete formeaza uu acord perfect, daca ultimele doua sunt separate de primul (sunet f undamental) pr intr­o terta s i,respectiv , o cv inta. Avem acord perf ect major, daca terta este majora (luînd pentru primul sunet unitatea, rapoartele sunt: 1, 5/4, 3/2) s i acordulperf ec t minor (1,6/5, 3/2) .

O alta notiune importanta este cea de scara muzicala, care desemneaza o secventa, de sunete separare prin intervale muzicale. Aceste secventese reproduc prin serii de cîte sapte sunete, numite game. De exemplu, secventa de mai jos cu denumirile notelor cunoscute de toti, reprezinta gama domajor:

note: do re mi fa sol la si do

interval f ata de

prima nota a gamei 1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2

interval succesiv 9/8 10/9 16/15 9/8 10/9 9/8 16/15

19.01.2015 ACUSTICA

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/ACUSTICA134249321.php 4/7

Intervalele 9/8 si 10/9 se numesc ton major, respectiv, ton minor, iar 16/15 semiton.Se pot obtine aceste note lov ind numai c lapele albe ale pianului, pornind de la clapa do central (do4) spre dreapta. Prin conventie, notei la,

imediat urmatoare lui do central (la4), îi corespunde f recventa de 440 Hz si; conform intervalelor indicate, se pot calcula s i celelalte f recvente.Scara muzicala avînd succesiunea de tonuri si semitonuri de mai înainte se •numeste scara diatonica naturala si contine serii de game în tonalitatea

indicata de nota de la care se porneste (tonica gamei), în exemplul dat, avem gama do major si, respectiv, relativa ei ­ la minor (daca apasam pe clapelealbe, incepînd de la nota la pîna ajungem din nou la nota la) .

Semnul # (diez) implica ridicarea notei cu un semiton ­ in scara, temperara, echivalent cu înmultirea intervalului cu 21/12, iar semnul Ь (bemol) implica coborârea cu unsemiton. La pian. notele cu diez sau bemol corespund clapelor negre.

In scara temperata se poate construi usor orice gama avind ca tonica oricare dintre cele 12 note date mai sus. Intervalele succesive sunt: ton, ton,semiton, ton, ton, ton, semiton pentru gama majora (de exemplu, re major = re, mi, fa #, so,l la, si, do # , re) sau ton, semiton, ton, ton, ton, semiton, ton, ton pentru gamaminora (de exemplu gama fa diez minor = fa #, sol# , la, si, do#, re, mi, f a diez).

In scara temperata toate intervalele (afara de octava) sunt usor diferite de cele din scarile diatonice. Aceasta înseamna ca un instrument acordat în scaratemperata nu va suna deosebit de bine, dar va suna la fel de bine indiferent de tonalitatea în care se va cânta, în timp ce, daca ar f i acordat într­o anumitagama diatonica. naturala, va suna foarte bine daca compozitia cintata. este in acea tonalitate, dar foarte prost pentru orice alta tonalitate.

Ref lex ia sunetelor

Ajungând la suprafata de separare dintre doua medii, unda sonora, ca orice unda elastica, este partial ref lectata, o alta parte f iind transmisa în cel de­aldoilea mediu, In acest 'fel, intensitatea sunetelor ref lectate este, de obicei, mai mica decît a sunetului incident.

Un fenomen natural foarte cunoscut, consecinta a ref lexiei sunetului, este

ecoul. Acesta consta în faptul ca, producând un sunet de durata scurta în fata unui obstacol (perete, deal etc.) în anumite conditii se aude si sunetul ref lectatde obstacol. Pentru ca sunetul ref lectat sa f ie perceput distinct (ca ecou) el trebuie sa ajunga la ureche dupa ce a încetat perceperea sunetului initial.

Senzatia auditiva produsa de sunetul initial persista în ureche cel putin o zecime de secunda, astfel ca sunetul ref lectat va f i perceput ca un ecou doardaca ajunge la ureche dupa un interval de cel putin 1/10 secunde fata de primul. Pentru un sunet f oarte scurt, distanta pîna la obstacol trebuie sa f ie de celputin 17 m, deoarece sunetul ­ care are viteza în aer de circa 340 m/s ­ va parcurge distanta de 34 m (sursa ­ obstacol si înapoi) în aproximativ o zecime de secunda.Pentru sunete articulate, distanta trebuie sa f ie de cel putin dublul lui 17 m. Astfel, vorbind în fata unui perete ref lectator situat la 34 metri distanta, ecoul varepeta ultima silaba, din care cauza se numeste ecou monosilabic. Daca distanta este de 68 m sau 102 m, ecoul va diisilabic sau trisilabic, repetând ultimeledoua,' respectiv, trei s ilabe. In cazul a doi pereti s ituati fata în fata se poate obtine fenomenul de ecou multiplu, produs de reflexia succesiva pe f iecare din ceidoi pereti ref lectatori. Se poate aminti aici castelul Simonetta de lînga Milano unde un cuvînt pronuntat între cele doua aripi ale cladirii este repetat de 40 de ori.Fenomenul de ecou are o serie de aplicatii importante precum masurarea adâncimii marilor, descoperirea submarinelor cu imersiune sau a unor bancuri depeste. Adâncimea marii se determina, de exemplu, masurînd timpul dupa care sunetul produs pe un vas la suprafata marii se reîntoarce sub forma de ecouîn urma ref lexiei pe f undul marii.

In cazul în care distanta la peretele ref lectator este mai mica decît distanta minima pentru producerea ecoului, sunetul ref lectat va sosi înainte de încetareasenzatiei auditive a sunetului direct, producând o prelungire si o întarire acestuia. Fenomenul poarta numele de reverberatie. Daca sunetul reflectat este perceputaproape concomitent cu cel direct, fenomenul de reverberatie devine foarte util, deoarece produce o întarire a senzatiei auditive, fara a produce si deformarea(distorsionarea) sunetului direct.

Fenomenul de reflexie a sunetului trebuie luat în consideratie la constructia încaperilor care cer conditii acustice speciale (sali de curs, de concert, de teatruetc.). Atît fenomenul de ecou. cît si cel de reverberatie trebuie atenuate sau chiar eliminate în astfel de încaperi. Acustica arhitecturala cauta sa îmbine cerintaeliminarii efectelor daunatoare ale ecoului si reverberatiei cu cea a folosirii efectului de întarire fara distorsionarea sunetului. Pentru aceasta se folosesc mai multesolutii: draperii care absorb puternic sunetele, pereti cu tencuiala zgrunturoasa sau ornamentatii care, în locul ref lexiei nete, dau o difuzare a sunetului sau sala esteastfel construita încat sunetele ref lectate sa nu se întâlneasca cu cele directe (arcade, pereti înclinati etc).

Interferenta sunetelor

In cazul undelor sonore putem observa usor fenomenul de interferenta. Acesta se poate pune în evidenta cu ajutorul aparatului imaginat de Quincke,compus din doua tuburi în forma de U intrînd unul în altul si care pot culisa, astfel ca lungimea unuia din cele doua tuburi poate f i variata (fig. I.12.4). Vibratiile sonoreproduse în pîlnia S ajung la observatorul O pe doua cai diferite, SAO si SBO, interferînd în acest punct. Daca cele doua tuburi au lungimi diferite, drumul d1 parcurs desunet pe calea SAO este diferit de drumul d2 parcurs de sunet pe calea SBO. Daca dif erenta de drum es te egala cu un numar par de semiunde, |d2 – d1 | =2k/2, amplitudinea rezultanta este maxima, iar daca diferenta de drum este un numar impar de semiunde, |d2 – d1 | = (2k +1) /2, amplitudinea rezultanta este minima.Aceasta înseamna ca, în primul caz, intensitatea sunetului auzit de observatorul O este maxima, iar în al doilea caz minima. Miscmd deci; tubul B in sus si în jos sunetul auzitde O va fi cînd mai tare, cînd mai slab.

Acest aparat poate f i folosit pentru determinarea lungimii de unda a sunetului emis de sursa S. Masurînd cu ajutorul riglei R deplasarea x a tubului întredoua pozitii succesive, pentru care sunetul rezultant are intensitatea maxima, lungimea de unda va fi = 2x (înmultim cu doi, deoarece diferenta de drum este dubluldeplasarii tubului).

Prin interferenta dintre unda sonora directa si unda ref lectata apar unde stationare. Acest fapt poate f i pus în evidenta cu ajutorul tubului Kundt care permite sideterminarea vitezei sunetului f ie în gazul cu care este umplut tubul, f ie in solidul din care este .facuta vergeaua. Acest dispozitiv (f igura I.12.5) este alcatuit dintr­un tub AB; la capat A se gases te pis tonul C care poate var ia lungimea camerei închise CD, in interiorul careia se af la pulbere f ina de pluta iar lacapatul celalalt se gaseste o vergea metalica DE, prinsa la mijloc în B si avînd în D un disc de diametru mai mic decît diametrul interior al tubului. Prinf recarea vergelei în lung se excita vibratii longitudinale, producîndu­se o unda stationara cu un nod în locul în care este f ixata (B) si cu ventru la capete.Discul D începe astf el sa osc ileze producînd unde sonore care se propaga de la D la pistonul C unde se ref lecta întorcîndu­se înapoi. Dacalungimea camerei CD a fost astfel aleasa încît sa cuprinda un numar întreg de semiunde, prin interf erenta undei directe cu cea ref lectata ia nastere ounda stationara avînd noduri la capete. Existenta nodurilor si ventrelor undei stationare este pusa în evidenta de pulberea de pluta, care, f iindspulberata din ventre, se acumuleaza în noduri.

19.01.2015 ACUSTICA

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/ACUSTICA134249321.php 5/7

Dispozitivul permite determinarea vitezei sunetului f ie în bara, f ie în gazul din tub. Lungimea l1 a vergelei este 1/2 (1 f iind lungimea de unda asunetului în vergea), adica l1 = 1/ 2 = v 1T/ 2 , unde v1 este v iteza sunetului în varga, iar T ­ perioada oscilatiilor (aceeasi in varga, ca si în gazuldin tub). Distanta dintre doua noduri consecutive este l2 es te 2/2 (2 f iind lungimea de unda a sunetului în gaz), adica l2 = 2/ 2 = v 2T/ 2 , u n d e v2este v iteza sunetului în gaz. Facînd raportul, obtinem l1/l2=1/2= v 1 / v2. Deoarece 11 s i 12 pot f i masurate direc t, cunosc înd una dintre v iteze, oputem calcula pe cealalta.

Surse sonore

Orice corp material care vibreaza poate servi ca sursa sonora, deoarece produce unde elastice în. mediul înconjurator. Ne vom opri, pe scurt,asupra meca­nismulai de producere a sunetelor de catre cîteva tipuri s imple de surse sonore, în care vibratiile sînt produse pe cale mecanica. Dinaceasta categorie f ac parte coardele, tubur ile sonore, vergile, diapazoanele, membranele s i plac ile.

a) Coarde. Prin coarda întelegem un f ir perf ect f lex ibil (care nu opune nic i o rez is tenta def ormar ilor perpendiculare pe lungimea sa) f ixat laambele capete. Cand exc itam v ibratii în aceasta coarda (c iupire, lov ire, f recare cu arcusul) , perturbatia produsa într ­un punct se propaga înlungul coardei, ajungînd la unul din capete este ref lectata, propagîndu­se în sens contrar, ref lectîndu­se apoi la celalalt capat s .a.m.d. Pr ininter f erenta ia nas tere o unda s tationara avînd noduri în locurile în care este f ixata coarda. Conditia pentru ca sa se f ormeze o unda s tationaraeste ca doua unde care inter f era (direc ta s i ref lec tata) sa aiba aceeas i f aza. A ceas ta înseamna ca în lungimea l a coardei es te cupr ins unnumar în t r eg de s emiunde l = n/2, n € [N*

Altf el spus, o coarda de lungime l nu produce decît sunete avînd lungimea de unda =2l / n sau frecventa۷=vn/2l (f ig I. 12. 7), unde v este v itezasunetului in coarda. Frecventa sunetului fundamenta va f i deci v1 = v/2L, iar armonicile superioare vor avea frecventele v2=v/l, v3=3v/2l etc. In f igura I.12.6

sunt reprezentate cateva dintre undele stationare care se pot stabili intr­o coarda f ixata la capete.

In general intens itatea sunetului f undamental es te mult mai mare dec it cea a armonicelor superioare. S­a constatat experimental ca intensitatearelativa a armonicelor in raport cu cea a sunetului f undamental creste cu cît punctul de excitare se af la mai aproape de un capat al corz ii. In plus. unelearmonice superioare nu vor mai f i produse, functie de locul de c iupire al corzii s i anume acele armonice pentru care unda s tat ionara ar trebui sa aibanod în locul de c iupire. Acest lucru se poate întelege daca tinem seama ca in punctul în care este ciupita, coarda trebuie sa vibreze si deci în acestpunct nu se poate forma un nod. Astfel, daca ciupim coarda la mijloc, nu mai pot aparea armonicele pare corespunzatoare lui n = 3, 4, 6, 8... (înparticular nu se f ormeaza unda stationara n=2 din f igura I.12.6b), daca, o c iupim la o treime de capat nu apar armonic e le c u n = 3, 6 , 9 , . . .

. 1 2 . 5 6

b) Tuburi sonore. Prin tub sonor întelegem un tub cu pereti r igiz i care produce sunete daca aerul din el este facut sa vibreze, în f igura I.12.7 siI.12.8 s înt desenate tubur i sonore s imple cu buza (sau cu pana). Acestea sunt compuse din doua par ti: camera de compres iune A s i tubul derezonanta C. In camera A este suf lat aerul printr­un mic tub, f iind apoi silit sa iasa printr­un orif ic iu stramt, unde loveste buza ascutita B, punînd­o învibratie. Se produce astfel un sunet care poate f i auzit chiar daca lipseste tubul de rezonanta. Sunetul produs de buza este compus, rolul camerei derezonanta f iind de a le întari numai pe unele dintre acestea.

Pentru a intelege mai bine rolul tubului de rezonanta, sa consideram urmatoarea experienta. Doua tubur i A s i B ( f igura I.12.0) smt unite prin tabul decauciuc C, f ormand doua vase comunicante. Ridic înd sau coborînd tubul A , nivelul apei din tubul B coboara sau se r idica, as tf el înc ît înaltimeacoloanei de aer din aces t tub var iaza. Facand sa v ibreze un diapazon deasupra tubului B, vom cons tata ca, pentru anumite înaltimi ale coloaneide aer sunetul diapazonului va f i întarit. Aceasta întarire arc loc deoarece unda sonora se ref lec ta în ex tremitatea cealalta a tubului (pe supraf ataapei) suprapunîndu­se peste sunetul direct s i da nastere unei unde s tat ionare. Daca ajunge în f az a c u cea de a doua unda produsa dediapazon, ele se vor întar i, în tub aparînd unde s tationare induse de rezonanta. Deoarece ref lex ia se f ace pe un mediu mai dens ca aerul (si anumeapa), pe supraf ata de ref lex ie trebuie sa avem un nod al undei s tationare s i, cum în capatul celalalt unde se produce exc itarea v ibratiilor trebuiesa avem un v entr u, r ez ulta c a f enomenul de r ezonanta s e v a produce pentr u c azur ile în care înaltimea coloanei de aer este egala cu unnumar impar de /4. Daca înaltimea coloanei de aer este f ixa s i înlocuim diapazonul cu o sursa de sunete compuse, rezonanta se va producenumai pentru acele sunete pentru care este sat is f acuta condit ia de rezonanta, în cazul tubur ilor sonore, rolul sursei de s unete es te juc atde buza v ibratoare.

O situatie asemanatoare apare în cazul unui tub (a carui lungime poate f i variata) liber la ambele capete (deschis). Numai ca, în acest caz, ref lexiafacîndu­se pe aerul liber, care poate f i considerat ca un mediu mai putin dens, la ambele capete trebuie sa avem ventru si deci conditia de rezonanta este calungimea tubului sa f io egala cu un numar întreg de /2.

Din discutia anterioara (cum de altfel s­a si dovedit experimental) rezulta ca f recventa sunetului produs de vibratia aerului dintr­un tub sonordepinde numai de lungimea acestuia. Ea nu va depinde de forma axei tubului, de diametrul tubului sau de materialul din care sunt confectionati peretii (celputin daca s înt suf ic ient de gros i pentru a nu f i def ormati de v ibratiile aerului) .

Din punct de vedere al f ormarji undelor stationare, un tub sonor deschis (f ig, I.12.7) se comporta ca un tub liber la ambele capete. Trebuie deci saavem ventre atît la capatul în care avem buza vibratoare si orif iciul, cît si la celalalt capat, unde sunetul se ref lecta pe aerul liber. Vor f i întarite sunetele pentrucare lungimea l a tubului c upr inde un numar întreg de serniunde : l= n/2 c u n=1,2,... Un tub sonor deschis va emite dec i sunete de f recventa۷ = vn/2l, n € [N, unde v este viteza sunetului în aer. Inaltimea sunetului fundamental este ۷1 = v/2l, iar armonicele superioare vor f i ۷2 = v/l, ۷3 = 3v/2l etc.

19.01.2015 ACUSTICA

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/ACUSTICA134249321.php 6/7

Intr ­un tub sonor închis ( f igura I.12.8) , ref lex ia se f ace pe un mediu mai dens (peretele din capatul de sus al tubului) unde trebuie sa f ie unnod, iar in capatul în care se gaseste buza C sa f ie din nou un ventru Acesta se comporta deci ca un tub închis la un capat si deschis la celalalt. Vor fideci întarite sunetele pentru care l = (2n+1) /4, n € [N, astfel incat un tub sonor inchis va emite deci sunete de frecventa ۷= (2n+1)v/4l. Se observa ca sunetulfundamental ۷0 = v/4l, emis de un tub închis are înaltimea egala cu jumatate din cea data de un; tub deschis, de aceeasi lungime. Mai facem o ultima, observatie: la

capetele tubului apar anumite perturbatii care fac ca frecventa sunetului fundamental sa f ie mai mica decît cea data de formulele anterioare. Noi am admis ca. la capuluitubului în care se gaseste buza apare un ventru, în timp ce ­ în realitate ­ deoarece tubul nu este, de fapt, deschis complet (la acest capat vibratia aerului f iind partialstânjenita), distanta pîna la primul nod este mai mica de /4. O situatie asemanatoare avem în cazul tubului deschis si la celalalt capat, produsa de faptul ca reflexianu se face chiar pe planul, care trece prin marginile tubului, ci ceva rnai departe, în mediul exterior, în acest fel, apare o marire aparenta Δl a lungimii geometrice atubului. Pentru un tub deschis, cu o sectiune circulara de diametru d, Helm­holtz a aratat ca putem lua Δl = 0,41 d.

Caracterul vibratiilor care apar în vergi, diapazoane, membrane sau placi este, în general, mai complex, ceea ce complica mult calculele. De aceea, sursele sonorede acest tip nu vor mai f i descrise.

Ultrasunetele

Dintre vibratiile sonore care ies din limitele de audibilitate ale urechii omenesti, de un mare interes, din punct de vedere practic, sunt ultrasunetele, adica sunetele acaror frecventa este mai mare de 20 000 Hz.

Inainte de a discuta mai în amanuntime proprietatile ultrasunetelor, amintim cititorului un fenomen cunoscut din natura : orientarea liliecilor se bazeaza pe faptulca acestia emit semnale ultrasonore de scurta durata, de f recvente între 30 si 60 kHz. Liliacul în zbor emite, în medie, circa 30 semnale pe secunda. O parte dintreacestea sunt receptionate de urechile mari ale liliacului sub forma de semnale ecou, dupa un timp cu atît mai scurt cu cat obstacolul este mai aproape. Pe masuraapropierii de obstacol, liliacul emite din ce in ce mai multe semnale într­o secunda, ajungînd ca, de exemplu, Ia un metru de obstacol sa emita pîna la 60 semnale pesecunda. Aceasta permite liliacului sa simta precis pozitia sa faa de obstacole.

Importanta practica a ultrasunetelor este legata de lungimea de unda mica a acestora. Din aceasta cauza, de exemplu, ultrasunetele pot f i emise si se propagaca si razele de lumina sub forma de fascicule, spre deosebire de sunetele obisnuite care se împrastie în toate directiile. Astfel, se constata experimental ca, dacalungimea undei emise este mai mica decît dimensiunile liniare ale sursei, unda se va propaga în linie dreapta sub forma de fascicul. In afara de aceasta, datorita lungimii deunda mici, fenomenul de dif ractie (ocolirea obstacolelor) nu apare decît pentru obstacole de dimensiuni foarte mici, în timp ce sunetele obisnuite ocolesc, practic,aproape orice obstacol intalnit in cale.

Ultrasunetele sufera reflexia si refractia la suprafata de separare a doua medii diferite, la fel ca undele luminoase. Folosind acest fenomen, au fost construite oglinziconcave sau lentile speciale care sa concentreze intr­un punct fascicule de ultasunete.

Deoarece intensitatea udelor sonore este proportionala cu patratul frecventei, energia transportata de ultrasunete este mult mai mare decat energia sunetelorde aceeasi amplitudine.Pe de alta parte, în cazul ultrasunetelor, fenomenul de absorbtie care apare la propagarea tuturor oscilatiilor elastice devine foarte important. In

paragraful de mai sus am aratat ca intensitatea undei elastice scade cu distanta de la sursa dupa o lege exponentiala I=I0e­k fara a preciza complet de cine depinde

coeficientul de absorbtie k. Se poate arata atat teoretic, cat si experimental ca aceasta depinde atat de caracteristicile mediului (densitate, viscozitate, caldura specificaetc.), cit si de frecventa undei care se propaga, crescand cu patratul frecventei. Din aceasta cauza, practic, nu putem obtine propagarea ultrasunetelor, de exemplu, înaer, la o distanta mai,mare de 1 km. Mai mult, un ultrasunet de o f recventa de circa 3 MHz este practic complet absorbit, la o distanta de aproximativ 0,6cm în lichide, coeficientul de absorbtie este cu 2 ­3 ordine de marime mai mic decat in aer, iar in solide si mai. mic, intensitatea ultrasunetelor f iind mult mai putin atenuata.

Un fenomen interesant, care apare la propagarea ultrasunetelor in lichide, este fenomenul de cavitatie, care consta în aparitia unor bule care se ridica lasuprafata si se sparg. Aceasta se explica prin faptul ca dilatarile si comprimarile extrem de rapide, care se succed in lichid, duc la aparitia unor mari tensiuni in anumite

zone, care fac sa se ,,rupa”: moleculele de lichid. Astfel, iau nastere bulele care contin vaporii si gazele dizolvate in lichid. Bulele mici se contopesc in bule mai mari, care începsa vibreze si apoi se sparg dând nastere unor presiuni locale foarte mari, care se manifesta, sub forma de socuri hidraulice în volume foarte mici. Deteriorarea paletelorturbinelor si a elicelor vapoarelor se explica prin fenomenul de cavitatte produs de ultrasunetele generate de vibratiile masinilor.

Inainte de a discuta cateva dintre aplicatiile practice ale ultrasunetelor, sa vedem cum pot fi ele produse. Vom trece peste procedeele mecanice (de exemplufluier ultrasonor sau sirena ultrasonora) si termice (de exemplu, cu ajutorul vibratiilor unui arc electric se pot produce ultrasunete), cazuri în care ultrasunetele au, ingenere, amplitudini mici si sunt mai putin importante practic. Sa analizam acum putin generatorul piezoelectric. Efectul piezoelectric se manif esta prin aparitia pe f etelecristalelor supuse la deformari (de tractiune sau comprimare) dupa anumite directii ­ unor sarcini electrice egale si de­ semne contrare. Sarcinile îsi schimba,semnul dupa cum înlocuim, de exemplu, tractiunea cu comprimarea. Exista si efectul piezoelectric invers sau electrostrictiunea, pe care se bazeaza producereaultrasunetelor, care consta în aparitia dilatarilor si comprimarilor succesive ale cristalului sub actiunea anui c împ electr ic alternativ .

Partea esentiala a generatorului consta dintr­o lama piezoelectrica (deobicei. de cuart) pe fetele careia sint aplicate doi electrozi, sub forma unor straturi subtiri metalice,legati la o sursa de tensiune alternativa. Sub actiunea campului electric alternativ, lama începe sa vibreze cu o frecventa egala cu cea a tensiunii aplicate. Vibratiile lameisunt transmise in mediul inconjurator sub forma de ultrasunete. Cu astfel de generatori se poate ajunge pana la frecvente de circa­ 150 000 kHz si la intensitati aleradiatiei ultrasonore de la cîteva zeci de w ati pe cm2 pîna la cateva sute de w ati pe cm2.

Se pot produce ultrasunete si cu ajutorul efectului magnetostrictiv, care consta în deformarea corpurilor feromagnetice (f ier, nichel, cobalt) sub actiunea unuicamp magnetic. Introducînd o bara dintr­un astfel de material (Ni) intr­un cîmp magnetic, cu liniile cîmpului orientate în lungul barei (de exemplu, o bobina in care esteintrodusa bara), aceasta se scurteaza. Cand campul magnetic variaza periodic (curentul care strabate bobina este alternativ) bara se va scurta periodic. In cazul unorfrecvente mari ale campului alternativ, vibratiile capetelor barei dau nastere la unde ultrasonore. Pentru a obtine amplitudini mari, se aleg dimensiunile barei astfel incit saavem rezonanta intre vibratiile elastice proprii si frecventa curentului alternativ excitator. Generatorul magnetostrictiv este avantajos pentru producerea ultrasunetelor defrecventa joasa (de la 20 ­ 60 kHz) si energii considerabile.

Datorita frecventei mari si a energiei mari pe care o transporta, ultraasunetele produc o serie de efecte f izico­chimice dintre care mentionam): distrugereastarilor de echililibru labil, încalzirea mediuluipe care îl strabat, formarea de sisteme disperse (suspensii si emulsii), coagulari, inf luentarea potentialelor electro­chimice cuconsecinte în anihilarea pasivitatii unor metale, voalarea placilor fotografice, cresterea vitezei unor reactii chimice, explozia substantelor putin stabile (de exemplu, iodurade azot) etc. Aceasta varietate de efecte permite utilizarea ultrasunetelor intr­o multime de aplicatii practice.

Ultrasunetele produc încalzirea si redistribuirea substantei din celulele vii fapt folosit în terapeutica (încalzirea anumitor tesuturi si masaje adanci), precum si laconservarea alimentelor (ultrasunetele de frecventa si intensitate adecvata distrug microorganismele).

O alta aplicatie a ultrasunetelor este legata de masurarea adancimii marilor. In esenta, procedeul este acelasi ca si în cazul folosirii sunetelor obisnuite,prezentînd însa avantajul fasciculelor dirijate. De asemenea, se pot produce semnale foarte scurte, ceea ce mareste precizia masurarii intervalului de timp dintreproducerea sunetului direct si înregistrarea celui reflectat.

Ultrasunetele se folosesc în diferite procese tehnologice, spalarea, curatarea, uscarea sau sudarea unor corpuri si, de asemenea, pentru prelucrarea unorpiese. In principiu, prelucrarea cu ajutorul ultrasunetelor consta in urmatoarele : se introduce piesa (sau portiunea, de piesa.) care trebuie prelucrata intr­un lichid, în carese gasesc în suspensie particule de praf abraziv dur. Sub actiunea unei surse de ultrasunete în lichid apare fenomenul de cavitatie. Datorita socurilor hidraulice,particulele de abraziv sunt lovite cu putere de suprafata piesei, smulgand aschii din aceasta. Pe acest principiu se bazeaza construirea unor masini­unelte care taiefilete si dinti, rectif ica piese complicate, taie si gauresc placi etc.

Dintre numeroasele aplicatii ale ultrasunetelor nu vom mai mentiona decat defectoscopia ultrasonora. Controlul ultrasonor permite stabilirea existentei unor defecte (f isuri,goluri) in interiorul unor piese metalice masive. Principalele tipuri de defectoscoape ultrasonore utilizeaza transmisia sau reflexia ultrasunetelor. In defectoscopul printransmisie, emitatorul si receptorul de ultrasunete sunt situate de o parte si de alta a piesei de cercetat­ (f igura I.12.10).

19.01.2015 ACUSTICA

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/ACUSTICA134249321.php 7/7

Daca intre emitator si receptor nu exista, nici un defect (de exemplu între sursa S1 si receptorul R1), semnalul ultrasonor transmis va trece neatenuat, producand oanumita deviatie a acului aparatului de înregistrare (A1). In cazul în care intalneste un gol (D), o parte a semnalului ultrasonor este reflectat pe suprafata de separaredintre metal si aerul din golul respectiv si semnalul este mult mai atenuat, ceea ce se va observa la aparatul indicator (A2). Dispozitivul folosit practic are o singurapereche emititor­receptor care este plimbata in lungul piesei de cercetat. Aceasta metoda are doua inconveniente: în primul rand, ultrasunetele propagîndu­se prin piesase reflecta pe fetele opuse ale acesteia, îngreunand observarea defectelor; în al doilea rînd, acest procedeu nu permite stabilirea adîncimii la care se gasesc defectele.

Aceste inconveniente sunt, în buna masura, eliminate de defectoscoapele prin reflexie (sau în impulsuri). La acestea, emitatorul si receptorul sunt situate deaceeasi parte a piesei, unul langa altul (f igura I.12.11a). Ultrasunetele se propaga prin piesa, ajung la fata opusa unde sunt reflectate si apoi revin la receptor.

f ig. I.12.11 a) b)

Daca in piesa, exista un defect, semnalul ultrasaonor se va reflecta pe acesta si va ajunge mai devreme la receptor decat cel reflectat de fata opusa. Emitatorulgenereaza impulsuri scurte la intervale lungi, constante, care ­ împreuna cu semnalul reflectat ­ sunt marcate pe ecranul unui oscilograf, in f igura I.12.11 b, prin 1 si 3am indicat locurile în care spotul luminos are devieri bruste, care marcheaza momentele in care a fost emis semnalul ultrasonor si, respectiv, în care a fostreceptat semnalul ref lectat de fata opusa. Prin 2 am indicat locul îa care este indicata primirea unui semnal ref lectat de un defect. Pozitia relativa a acestuiain raport cu 1 si 3 ne permite sa determinam adancimea la care se gaseste defectul.

Document Info

Accesari: 9543 Apreciat:

Comenteaza documentul:Nu esti inregistrat Trebuie sa fii utilizator inregistrat pentru a puteacomenta

Creaza cont nou

A fost util?Daca documentul a fost util si crezi ca meritasa adaugi un link catre el la tine in site

Copiaza codulin pagina web a site­ului tau.

<a href="http://w ww .scritub.com/stiinta/f izica/ACUSTICA134249321.php" target="_blank" title="ACUSTICA ­ http://w ww .scritub.com">ACUSTICA</a>

Copyright © Contact (SCRIGROUP Int. 2015 )