Dźwięku jest A drgań mechanika z płynu , który rozprzestrzenia się w postaci fal podłużnych Dzięki elastycznemu odkształceniu z tego płynu. Istoty ludzkie, podobnie jak wiele zwierząt , doświadczają tej wibracji poprzez zmysł słuchu .
Do akustyka jest nauką, która bada dźwięki; z psychoakustyczne badania, jak narządy z ciała ludzkiego uczucia i człowiek postrzega i interpretuje dźwięki.
W ściśliwym ośrodku płynnym zmiana ciśnienia rozchodzi się w postaci fali . Dźwięk nie rozchodzi się w próżni : materia jest potrzebna, aby jej wibracje mogły rozchodzić się w falach dźwiękowych. Powietrze , w którym ludzie żyją, jest korzystne środowisko i zmiany w ciśnieniu powietrza stanowią dźwięk. Amplitudzie zmienności ciśnienia jest mały w porównaniu do statycznego ciśnienia ( ciśnienie atmosferyczne ); aby było to odczuwalne, musi być wystarczająco szybkie i powtarzane.
Źródłem dźwięku jest obiekt wibrujący, taki jak instrument muzyczny lub głośnik , który powoduje wibracje powietrza. Zaburzenie się rozchodzi, ale cząsteczki powietrza oscylują tylko kilka mikrometrów wokół stabilnej pozycji, podobnie jak przy wrzuceniu kamienia do wody fale oddalają się od miejsca opadu, ale woda pozostaje w tym samym miejscu, porusza się tylko pionowo i nie podąża za falami (korek umieszczony na wodzie pozostaje w tej samej pozycji bez ruchu). W płynach fala dźwiękowa jest podłużna, to znaczy cząstki drgają równolegle do kierunku ruchu fali.
Stałe w Vibrant , może przesyłać dźwięk. Wibracje propagują się tam, podobnie jak w płynach, ze słabymi oscylacjami atomów wokół ich położenia równowagi, co powoduje naprężenie materiału, równoważne ciśnieniu w płynie, ale trudniejsze do zmierzenia. Sztywność materiału pozwala na transmisję fal poprzecznych naprężeń. Podobnie, chociaż w mniejszym stopniu, lepkość płynu może modyfikować, szczególnie w ekstremalnych warunkach, równania propagacji obliczone dla gazu doskonałego .
Prędkość dźwięku lub prędkości dźwięku w zależności od rodzaju, temperatury i ciśnienia medium.
Model matematyczny z gazu idealnego daje przybliżoną wyniku propagacji w suchym powietrzu. Daje to wzór, w którym prędkość jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego temperatury bezwzględnej, w kelwinach :
Dla zwykłych temperatur w miejscach zamieszkałych formuła
gdzie jest temperatura w stopniach Celsjuszaumożliwia szybką kalkulację. Wynik tych dwóch przybliżeń odbiega o mniej niż 1 m/s od dokładniej obliczonej prędkości dźwięku w suchym powietrzu przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym między -25 a +35 °C .
Asymilacja suchego powietrza do idealnego gazu skutkuje rozbieżnościami z mierzonymi wartościami, szczególnie przy wysokim ciśnieniu i niskiej temperaturze. Bardziej precyzyjne lub trafne obliczenia w szerszym zakresie muszą uwzględniać bardziej złożone zależności występujące w rzeczywistym gazie .
Wilgotność powietrza nieznacznie zwiększa prędkość dźwięku. Gorące powietrze może pomieścić więcej pary wodnej; zmienność wykładnicza jest niewrażliwa poniżej 10 ° C . W temperaturze 30 °C prędkość dźwięku w powietrzu o wilgotności względnej 85% jest o 2 m/s większa niż w powietrzu suchym.
Zmienność prędkości dźwięku w powietrzu ma czasami duże znaczenie praktyczne. W akustycznych muzycznych , prędkość określa częstotliwość na fali akustycznej, która wyłania się z rury rezonans jak piszczałkę organową . W laboratoriach pomiar prędkości dźwięku w różnych warunkach jest jednym ze sposobów uzyskania dostępu do właściwości materiału.
Szybkość dźwięku wzrasta:
W wodzie , zarówno znacznie gęstszej, jak i znacznie mniej ściśliwej niż powietrze, prędkość dźwięku wynosi około 1500 m s- 1 . W innych ustawieniach wibracje mogą rozprzestrzeniać się jeszcze szybciej. W stali drgania rozchodzą się od 5600 do 5900 m s -1 .
Siła fali kulistej jest rozłożona na kuli, której powierzchnia jest proporcjonalna do kwadratu promienia. W rezultacie moc akustyczna na jednostkę powierzchni zmniejsza się proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła, jeśli nie ma przeszkód odbijających dźwięk.
W większości przypadków tłumienie absorpcji w ośrodku propagacji zmienia się wraz z częstotliwością . W powietrzu, w odległości 500 m , amplituda fali o częstotliwości 8000 Hz jest dziesięciokrotnie bardziej osłabiona niż fali o niskiej częstotliwości. Znane są tylko niektóre przyczyny. Lepkość powietrza powoduje tłumienie proporcjonalny do kwadratu częstotliwości; Wymiany ciepła powodują dodatkowe tłumienie, proporcjonalne do częstotliwości i zmienne w zależności od składu powietrza, w szczególności jego wilgotności. Pomiar wykazuje dodatkowe tłumienie, które nie zostało uwzględnione w modelach teoretycznych.
Badanie propagacji w danym miejscu odbywa się na podstawie ciśnienia akustycznego , które wyraża moc dźwięku. Często wyraża się ją w decybelach w stosunku do granicy percepcji lub intensywności akustycznej , która wyraża ilość i kierunek mocy przenoszonej przez drgania ośrodka. W ten sposób zbudować model matematyczny z tym akustycznym polu .
Warunki atmosferyczne i meteorologiczne wpływają na lokalną i dalekosiężną propagację akustyczną.
Do przewidzenia rozchodzenia się dźwięku niezbędna jest znajomość średniej temperatury, ale także struktury termicznej i higrometrii masy przecinanego powietrza oraz kierunku wiatru.
Obecność kropel wody w atmosferze, np. w chmurach i mgłach, takich jak kryształki lodu, w warunkach śnieżnych znacząco zmienia propagację dźwięku. Skutkuje to spadkiem i rozrzutem prędkości oraz tłumieniem tym bardziej wyraźnym, że częstotliwość jest niska.
W środowiskach niejednorodnych dźwięk ulega odbiciom i załamaniom na granicy faz, co prowadzi do dyfuzji i pochłaniania, które są podstawą izolacji akustycznej .
Prędkość dźwięku można zaokrąglić do jednego kilometra co trzy sekundy, aby dość łatwo, choć w przybliżeniu, obliczyć odległość między obserwatorem a piorunem podczas burzy . Rzeczywiście, błyski są na tyle blisko, że możemy rozważyć natychmiastowe dostrzeżenie światła. Każdy trzysekundowy okres, w którym musisz poczekać na usłyszenie grzmotu, wynosi zatem mniej więcej jeden kilometr. Tak więc dla czasu oczekiwania 8 sekund odległość dzieląca obserwatora od błysku wynosi 8 × 340 = 2720 m ; lub po prostu 2 kilometry dwie trzecie.
Biorąc pod uwagę metodę estymacji, większa precyzja jest iluzoryczna. Nawet bez uwzględnienia czasu reakcji człowieka (jeśli liczyć np. czas, jaki upłynął na nagraniu wideo), jest mało prawdopodobne, aby w atmosferze zaburzonej przez silne wiatry oraz znaczne różnice temperatur i wilgotności fala dźwiękowa zawsze przemieszczała się w sposób linia prosta i z tą samą prędkością.
Każda żywa istota obdarzona słuchem może zdefiniować spektrum dźwięku ; wiele gatunków używa dźwięku do komunikacji między osobnikami. Zakres częstotliwości słyszalnych różni się w zależności od gatunku. Podczas gdy ludzie słyszą dźwięki do około 15 kHz , wśród ssaków:
Niektóre zwierzęta wykorzystują swoją zdolność do pokrywania szerokiego pasma częstotliwości do różnych celów :
Dźwięki odbierane przez ptaki w dużej mierze pokrywają się z dźwiękami słyszanymi przez ludzi i wykorzystują je do komunikacji.
Ryby odbierają wibracje wody. W przypadku kilku gatunków percepcję pierwotnego kierunku wzmacnia długi rząd receptorów umieszczonych w linii środkowej. Dźwięk jest przydatny zarówno dla drapieżników, jak i ofiar, do polowania lub ucieczki. Częstotliwości, o których mowa, są często niedostrzegalne dla ludzi .
Jak w przypadku wszystkich postrzeganych zjawisk, czas odgrywa fundamentalną rolę. Dźwięk jest zmianą ciśnienia, a informacja dźwiękowa jest odmianą tej zmiany, wrażenie dźwiękowe zależy pod wieloma względami od czasu. Ponieważ dźwięk jest również falą, która rozchodzi się w przestrzeni w czasie, istnieją ścisłe związki między przestrzenią a czasem, zarówno w badaniu dźwięku, jak i jego percepcji.
Istnieje kilka cech dźwięku:
Wystarczy, że jedna z tych cech jest zmienna, a pozostałe pozostają niezmienione, aby można było dostrzec różnicę. Powtarzanie kształtu w czasie wiąże się z pojęciem rytmu . Ponadto ludzie są w stanie rozróżnić i śledzić emisję dźwięku obdarzoną pewną ciągłością postaci pośród wielu innych ( efekt koktajlu ).
Psychoakustyka bada natężenie dźwięku doświadczanego w obecności danego dźwięku fizycznego. To uczucie głośny lub cichy dźwięk (muzycy mówią głośno lub fortepian ) zależy głównie od wartości skutecznej od ciśnienia akustycznego , który jest niewielka różnica w ciśnieniu atmosferycznym, który definiuje dźwięk.
Do wyrażenia poziomu dźwięku można użyć dwóch powiązanych ze sobą wielkości: natężenia dźwięku w watach na metr kwadratowy lub ciśnienia akustycznego w paskalach ( niuton na metr kwadratowy, Nm- 2 ). Ciśnienie akustyczne jest mierzone w punkcie za pomocą miernika poziomu dźwięku ; natężenie akustyczne, w tym kierunek propagacji fali, jest mniej bezpośrednio związane z percepcją. Mniej dostępny do pomiarów, służy do obliczeń akustycznych.
Jednak te jednostki fizyczne są rzadko używane w codziennej komunikacji:
Ciśnienie i natężenie dźwięku są często wyrażane w decybelach (dB). Jest to wielkość bezwymiarowa , dziesięciokrotność logarytmu dziesiętnego stosunku mocy między wielkością charakterystyczną badanego dźwięku i dźwięku odniesienia. Te wartości odniesienia to dla natężenia dźwięku I 0 = 1 × 10 -12 W m -2 (jeden pikowat na metr kwadratowy) i dla ciśnienia akustycznego P 0 = 2 × 10 -5 Pa (20 mikropaskali). Decybel to mniej więcej najmniejsza zmiana głośności dźwięku, jaką odbiera człowiek. Poziom 0 dB odpowiada prawie niesłyszalnemu dźwiękowi. Wszystkie poziomy dźwięku są zatem liczbami dodatnimi.
Decybele odnoszą się do logarytmu dziesiętnego potęgi. Natężenie akustyczne to moc na metr kwadratowy, więc pomnożenie natężenia dźwięku przez 10 to zwiększenie poziomu dźwięku o 10 dB , pomnożenie go przez 100, zwiększenie poziomu o 20 dB itd. Moc akustyczna jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia: pomnożenie ciśnienia akustycznego przez 10 to pomnożenie mocy przez 100, czyli zwiększenie poziomu o 20 dB , a pomnożenie ciśnienia akustycznego przez 100, pomnożenie mocy przez dziesięć tysięcy i dodaj 40 dB do poziomu.
Poziom ciśnienia akustycznego daje tylko pierwsze wyobrażenie o głośności lub hałaśliwości (postrzegane odczucie dźwięku). Czułość ucha zmienia się w zależności od częstotliwości dźwięku; ucho jest bardziej wrażliwe na średnie częstotliwości. Aby zbliżyć się do tej czułości, sygnał elektryczny reprezentujący ciśnienie akustyczne można przefiltrować. Wiele przepisów ustawowych i wykonawczych wymaga filtra ważonego „A”. Jest to określane jako decybel ważony A (dB A).
Głośność dźwięku, czyli wrażenia dźwiękowe, zależy od mocy przekazywanej do uszu słuchaczy. Aby to ocenić, używamy mikrofonu, który przekształca ciśnienie dźwięku w mierzony przez nas sygnał elektryczny . Wielkość, która odzwierciedla poziom dźwięku, to wartość skuteczna ciśnienia akustycznego lub reprezentującego je napięcia elektrycznego, które jest wartością ciągłą, która wytwarza taką samą moc jak sygnał. Wartość skuteczna to pierwiastek kwadratowy ze średniej kwadratowej wartości sygnału, znany również jako wartość RMS ( Root Mean Square ).
W badaniach ochrony przed hałasem bierzemy pod uwagę:
Wszystkie te pomiary wykonywane są w punkcie z miernikiem poziomu dźwięku . Ale dźwięk rozchodzi się falami w atmosferze we wszystkich kierunkach. Badanie dźwięku obejmuje badanie jego rozchodzenia się w trzech wymiarach, a dla danego punktu pomiar może obejmować kierunek rozchodzenia się (patrz Natężenie akustyczne ).
W fizjologów zgadzają się, że słowo ludzkie średnie postrzega dźwięki w zakresie częstotliwości od około 16 Hz dla niskich i głębokim basem w temperaturze 15 do 18 kHz dla drobniejszych i wyższą górą.
Czułość stopniowo maleje przy skrajnych częstotliwościach i zmienia się w zależności od osoby, percepcja wysokich częstotliwości zmniejsza się w szczególności wraz z wiekiem, a niskie częstotliwości ostatecznie łączą się z wibracjami, nie możemy określić absolutnej granicy:
Widma dźwięku jest bezpośrednio związana z uczuciem ostrość na dźwięk, który wyraża się mówi, że dźwięk jest bardziej „ostre”, gdy widmo jest wyśrodkowany na wysokich częstotliwościach lub więcej „surowa” lub „stłumione” ". Inaczej. To stosunkowo nieprecyzyjne odczucie rozciąga się od najpoważniejszych dźwięków, około 16 Hz , do najostrzejszych, około 15 000 Hz .
Jeśli dźwięk jest harmoniczny, to znaczy zawiera głównie częstotliwości w przybliżeniu wielokrotności słyszalnej podstawowej , to ta częstotliwość, wyrażona w hercach (Hz), określa jego wysokość . Percepcja wysokości tonu jest wywierana dla podstawowych częstotliwości pomiędzy około 30 Hz a 5000 Hz . Wyraża się to w możliwości odtworzenia nuty przez jej śpiewanie; osoba wyszkolona w teorii muzyki może wypowiedzieć jego imię.
Ludzie całkiem nieźle potrafią identyfikować rozkład częstotliwości, aw przypadku dźwięków harmonicznych jest to ważna część muzycznej barwy . Wysokość tonu dokładnie rozróżnia bliskie częstotliwości, chociaż jeśli widmo jest bogate w harmoniczne, błędy jednej oktawy są częstsze niż innych. Grając na tych dwóch aspektach percepcji częstotliwości dźwiękowych, można stworzyć iluzje słuchowe, takie jak skala Sheparda , która zdaje się wiecznie rosnąć w swoich stopniach.
Pieczęć jest „w którym sygnał akustyczny może zidentyfikować źródło” .
Fizyczne elementy znaczka obejmują:
Dobór odpowiednich elementów to kwestia psychoakustyczna .
Wszystkie sygnały mogą być definiowane i analizowane w przestrzeni czasowej lub w przestrzeni częstotliwości. W pierwszym przypadku badamy historię wartości sygnału. Mamy dokładne wyobrażenie o czasie, ale nie o częstotliwości.
Zdefiniować sygnał w przestrzeni częstotliwości, to powiedzieć, jakie jest jego widmo , obliczone za pomocą transformacji Fouriera . Widmo sygnału reprezentuje częstotliwości różnych sinusoid lub „czystych tonów”, które po dodaniu mogłyby je odtworzyć. Te składniki złożonego dźwięku nazywane są częściowymi . Kiedy te częstotliwości są wielokrotnościami tej samej częstotliwości, zwanej fundamentalną , pozostałe są harmonicznymi . Jeśli obecne częstotliwości są doskonale znane, nie mamy pojęcia o wartości ciśnienia akustycznego w danym momencie. Widmo przedstawia każdą wartość w postaci „linii”, której wysokość lub kolor zmienia się wraz z amplitudą. Widmo czystego dźwięku przedstawia jedną linię.
W tych badaniach zachowujemy się tak, jakby sygnał zawsze zaczynał się i trwał w nieskończoność. Ale prawdziwe sygnały dźwiękowe zaczynają się i kończą, a w praktyce interesuje nas zarówno to, jakie częstotliwości zawiera, jak i kiedy możemy je wykryć. USG reprezentuje obecne częstotliwości oraz ich intensywności w funkcji czasu. Reprezentacja jest przedmiotem kompromisu. Można precyzyjnie obliczyć częstotliwości, a tym samym odróżnić dwie bliskie częstotliwości, tylko o wystarczająco długim czasie trwania; ale zdarzenia dźwiękowe można precyzyjnie zlokalizować w czasie tylko wtedy, gdy czas trwania jest krótki. Iloczyn niepewności czasu i częstotliwości jest stały.
Badamy dźwięk jako środek przekazu informacji, takich jak mowa lub muzyka, lub jako uciążliwość ( hałas ). W tym celu generujemy sygnały akustyczne, których charakterystykę dobrze znamy z emisji i badamy czym stają się one przechodząc przez badany przez nas system, którym może być np. ściana przeciwhałasowa , czy hala, w której znajdują się komunikaty. mają być nadawane, sala koncertowa, studio nagraniowe.
Badamy odpowiedź akustyczną systemów, analizując ich reakcję na trzy główne klasy sygnałów:
Elektronika cyfrowa umożliwiła tworzenie sygnałów należących do tych trzech kategorii, chirpów ( (en) chirps ), które umożliwiają automatyczne badanie właściwości pomieszczenia lub materiału. Znane i dokładnie powtarzalne badanie ich modyfikacji przez przejście w badanym medium szybko daje dane o właściwościach akustycznych, które przechodzą od tłumienia i szerokości pasma do pogłosu .