Transmissió del so i fenòmens sonors


1. EL SO I LA SEVA PROPAGACIÓ

 

Hem definit el so com l'oscil·lació d'un medi material, bé sigui gaseos, líquid o sòlid, i hem vist ja com les ones sonores són ones mecàniques (necessiten d'un medi per a la seva transmissió) que tenen la virtut d'estimular l'orella humana i generar la sensació sonora.

 

En el cas de medis gaseosos, com per exemple l'aire, les ones sonores són transmeses a través de xocs entre partícules què constitueixen l'aire. En altres medis, com per exemple els sòlids, són les forces què uneixen entre sí les partícules constitutives del medi les què propaguen les perturbacions entre els diversos punts. Aquest fet explica què la velocitat del so sigui major en els sòlids que en els gaseosos.

 

 

Com què la velocitat de propagació del so depèn del medi a través del qual es propaga, qualsevol alteració què és produeixi en les seves propietats, com temperatura, densitat, etc. farà variar la velocitat de la seva propagació. Així, la velocitat del so en l'aire sec a 0 graus és de 331 m/s. Quan la temperatura de l'aire s'incrementa, també augmentarà la velocitat de propagació del so, essent aquest augment de l'ordre de 0,62 m/s per a cada elevació en un grau de la temperatura. En altres medis les velocitats de propagació són diferents. Quan més separades es troben les mol·lècules del medi de propagació el so avançarà més a poc a poc i quan més dens sigui el medi el so avançarà més ràpid. En els sòlids les velocitats de propagació són molt més grans, de l'ordre de Km/s. Per exemple, en l'acer és de 5 Km/s. Això explica, per exemple, el fet de que el so per apropament d'un tren s'escolti abans si posem l'orella a la via què a través de l'aire.

 

 

Una aplicació de la velocitat de propagació del so en l'aire seria com saber la distància a la que es troba una tormenta. Quan es veu la descàrrega (llamp) es comença a comptar els segons què transcorren fins què s'escolta el tro:

 

espai = velocitat x temps

e = 330 m/s x n°. de segons

 

Fent el càlcul unes quantes vegades sabrem si la tormenta s'allunya o s'apropa.

 

2. REFLEXIÓ I REFRACCIÓ DE LES ONES SONORES

 

Les ones sonores en la seva propagació a través dels diversos medis poden experimentar reflexió i refracció. En general, quan una ona sonora (ona incident) arriba a la superfície de separació de dos medis materials de diversa naturalesa, o una discontinuitat o canvi de característiques dins d'un mateix medi, es produeixen dos noves ones, una què retrocedeix fins al mateix medi de propagació (ona reflexada) i una altre què travessa la superfície de separació d'ambdós medis i es propaga en el segon medi (ona transmesa). El primer fenòmen rep el nom de reflexió i el segon de refracció. 

 

 

En la imatge del costat es presenta un cas a on se suposa què l'ona incident xoca sobre una superfície molt rígida i què és completament llisa i per tant es produeix una reflexió denominada especular, és a dir, l'angle de l'ona de so reflexada (b) és el mateix què l'ona de so incident (a). 

 

Si la superfície fós irregular, el so es reflexaria en múltiples direccions, produïnt-se una distribució homogènia, fenòmen denominat difusió.   

 

Quan es produeixen els fenòmens de reflexió i refracció i les ones resultants es transmeten a través del mateix medi, segueixen tenint la mateixa velocitat (v), freqüència (f) i longitut d'ona, però perden part de la seva energia a l'impactar, per la qual cosa la seva amplitut és menor. Per això, des de un punt de vista més general, considerant les energies de les ones, l'energia corresponent a una ona què incideix sobre una superfície (ona incident) donarà lloc a una energia reflexada (ona reflexada), una altre energia transmesa (ona refractada) i una energia absorvida pel medi.

 

La reflexió explica el conegut fenòmen de l'eco. Quan es genera un so, el primer què és percep sempre és el so directe, això és, el so què arriba a la nostre orella sense què s'hagi encara reflexat en cap superfície. Un cop rebut aquest so directe, arribarà a les orelles, amb un cert retard de temps amb respecte al so directe, el so degut a les reflexions en les superfícies del localL'orella humana és capaç de percebre dos sons com independents o separats solament si disten en el temps més de 0,1 segons. Per això, si el retard entre el so directe i el reflexat és major de 0,1 segons, el nostre sistema auditiu serà capaç de separar els dos senyals (directe i reflexat) i percebrel's com a tals, primer un i després l'altre, això és el que es coneix com a eco. 

 

Tenint en compte què la velocitat de propagació del so en l'aire és aproximadament de 340 m/s, l'espai què recorre el so en 0,1 segons és de 34 m, d'aquí què per a que es pugui percebre l'eco la superfície de separació dels medis entre els quals es produeix el fenòmen de la reflexió deu estar separada de l'observador com a mínim uns 17 metres.  

 

3. REVERBERACIÓ

 

En els espais tancats les ones sonores pateixen successives reflexions en les parets, donant a vegades lloc a una perllongació del so original durant alguns segons. Aquest allargament dels sons originals, fa que aquests sons romanin audibles un temps després d'haver estat emesos, barrejant-se la seva audició amb la dels sons posteriorment emesos. Si el so reflexat arriba al punt de recepció amb un temps inferior a 0,1 segons, respecte al so directe, el nostre sistema d'audició no és capaç de separar ambdós senyals i les pren com una mateixa però amb una durada superior què aquesta. A aquest fenòmen l'anomenem reverberació.  

 

L'efecte de la reverberació contribueix en molts casos a empitjorar les condicions acústiques de la sala. La reverberació sol produir efectes negatius en sales utilitzades per a ús de la paraula, com ara aules, conferències, teatres, etc., a on al barrejar-se els sons es perd claror i, per tant, intel·ligibilitat de la paraula. S'el·limina recobrint les parets de materials absorvents, com ara suro o moqueta, què impdeixen les reflexions. No obstant, a vegades, l'efecte de la reverberació és positiu, doncs al barrejar-se els sons, la música guanya en vivacitat i es fa més harmoniosa.

 

 

4. REFRACCIÓ

 

La refracció és el fenòmen sonor pel qual les ones sonores pateixen una deviació de la seva trajectòria quan travessen medis de diferents característiques. A vegades la ona transmesa es propaga en un nou medi, amb propietats diferents, i per això suposa un canvi en la seva velocitat de propagació. Aquest canvi de velocitat suposa un canvi en la direcció de les ones, de tal forma què aquesta nova ona refractada pateix la desviació d'un determinat angle respecte a la incident.  

 

Però també és presenta el fenòmen de refracció quan la propagació de les ones sonores passen dins el mateix medi, si aquest medi no és perfectament homogeni, sinó què les seves propietats varien, ja què també canviarà la seva velocitat de propagació. Així, per exemple, en un dia calurós, degut a l'acció del sol, les capes de l'aire les quals es troben més pròximes a la terra están més calentes què les més altes, i degut a què la velocitat del so s'incrementa amb la temperatura, resulta què les velocitats de les ones sonores serà major en les capes més pròximes a la superfície terrestre, produïnt-se per tant un fenòmen de refracció, el qual desvia la direcció del so cap a dalt, dificultant la comunicació entre dos persones suficientment allunyades.    

Una de les aplicacions d'aquests fenòmens és la realització d'ecografies. Basant-se en les propietats del so (velocitat (v), amplitut (A), freqüència (f), longitut d'ona i reflexió), podem veure la imatge existent del fetus matern. L'aparell envia ones sonores d'alta freqüència i baixa amplitut a través de l'úter. Els ossos, músculs i diversos fluïds del fetus modifiquen la direcció del so. Detectant aquests canvis l'ordinador analitza i crea la imatge corresponent. Es defineix l'ecografia com una tècnica la qual utilitza els ultrasons per a definir estructures d'òrgans en el interior del cos humà oferint-nos imatges dels mateixos. 

 

5. RESSONÀNCIA

 

Quan un cos el qual té la possibilitat de vibrar és atrapat per una ona de freqüència igual i molt pròxima a alguna de les seves freqüències pròpies de vibració, comença a vibrar a aquesta freqüència. En aquest cas diem què el cos ha entrat en ressonància. Així la ressonància sonora es produeix quan un cos entra en vibració per inducció de l'ona sonora la qual incideix sobre aquest i coincideix la seva freqüència amb la freqüència pròpia de l'ona què incideix sobre ell. Els cossos els quals no presenten aquest fenòmen de ressonància és per què, o bé no posseeixen un mode definit de vibració, o bé aquest mode es troba a una freqüència molt diferent de la corresponent a l'excitació la qual reben. 

 

Suposem què tenim dos violins molt propers, si fem vibrar una corda d'un d'ells, les ones sonores què aquest emet, provocaràn una vibració apreciable a la corda corresponent a la mateixa freqüència, o nota musical, de l'altre violí. És evident què també vibraràn les altres cordes del primer i del segon violí, però les seves oscil·lacions seràn imperceptibles per que les seves freqüències de ressonància seràn majors o menors què la corresponent a la nota emesa.

Un experiment curiós és aquell el qual és capaç de provocar la destrucció d'un got de vidre per les vibracions produïdes per un violí. Es van produïnt vibracions, cada vegada de major freqüència, fins què s'assoleix aquella per la qual el got entra també en ressonància. El got vibrarà cada vegada amb major intensitat fent les oscil·lacions més grans, fins arribar al moment en el que el got es destrueix. 

 

6. DIFRACCIÓ

 

La difracció és un fenòmen degut al qual les ones es desvien al passar pel marge d'un cos o per una obertura estreta. Huygens va observar com les ones les quals es produeixen a la superfície de l'aigua es propagaven d'una forma gradual i progressiva el que li va portar a la idea de què la pertorbació la qual es produeix en un determinat instant deu ser produïda per la pertorbació activa en un instant anterior.

 

Principi de Huygens

 

L'explicació d'aquest fenòmen ondulatori pot fer-se a partir del principi proposat per Christian Huygens (1629-1695). Realment aquest principi va ésser proposat per a les ones lluminoses, però és aplicable a qualsevol moviment ondulatori. Tenint això en compte, Huygens va enunciar el següent principi:

 

"Cada un dels punts d'un front d' ones pot ésser considerat com un nou focus emissor d'ones secundàries les quals avancen en el sentit de la pertorbació i l'envolvent en un instant posterior constitueix un nou front."

 

Així, el so es propaga en forma de fronts d'ones esfèriques i concèntriques al punt emisor, i cada front d'ones està format per un nombre infinit de fronts d'ones esfèriques de les partícules de l'aire en moviment

A vegades es diu què la difracció és l'habilitat del so per a rodejar un obstacle, ja què quan un front d'ones sonores rodeja un obstacle, els diversos fronts d'ones es converteixen en nous centres emissors, en aquells punts els quals són interceptats per l'obstacle, envoltant-lo i produïnt-se zones d'ombra acústica per interferències d'aquestes ones. 

 

Les ones són capaces de rodejar obstàcles i traspassar orificis interposats en el seu camí donat què tot punt assolit per una ona sonora pot ser considerat com un nou centre emissor d'ones secundàries. 

En el cas en el què l' ona sonora assoleixi una reixeta o orifici, cada punt de la part del front d'ones limitat per la reixeta o altre orifici és converteix en focus emissor d'ones secundàries, totes d'idèntica freqüència. Aquests focus secundaris els quals corresponen als extrems de l'obertura generen ones què són les responsables de què el feix de llum s'obri posteriorment a la reixeta i rodeji les seves cantonades. En els punts intermitjos es produeixen superposicions de les ones secundàries què donaràn lloc a zones d'intensitat màxima i d'intensitat mínima típiques dels fenòmens d'interferències.     

 

En el cas en el que l'ona sonora travessi una ranura de dimensions comparables a la seva longitut d'ona, es produeix un fenòmen de distorsió, és a dir, aquesta no segueix la direcció de l'ona incident, sinó què envolta a "l'obrir-se" propagant-se de forma esfèrica a l'altre banda de la superfície

Ambdós fenòmens (rodejar obstàcles i traspassar orificis), caracterítzen la difracció de les ones i depèn de la relació existent entre el tamany de la reixeta o de l'obstàcle i la longitut d'ona. Així, una reixeta l'amplada de la qual sigui de l'ordre de la longitut d'ona considerada, serà completament rodejada per l'ona incident

 

 

 

Si el so no es difractès, radera l'obstàcle es produïria una ombra acústica similar a una ombra òptica. No obstant, l'ombra acústica és menor què l'ombra acústica.

 

El fenòmen de difracció és més fort a baixes freqüències (sons greus) què a altes. En les ombres acústiques els sons greus es perceben millor què els aguts. Per tant, l'existència d'un obstacle entre la font i el receptor atenúa els components d'alta freqüència (aguts), però no així els de baixa freqüència (greus), els quals es segueixen percebent, a menys què les dimensions de l'obstàcle siguin molt grans.  

 

7. INTERFERÈNCIES

 

Quan les ones sonores es propaguen simultàniament per un mateix medi, per exemple l'aire, cada punt del medi patirà la pertorbació resultant de composar amdues ones. Aquest fenòmen rep el nom d'interferències.   

Suposem una corda tensa subjecta per un extrem a una paret i què en un determinat moment s'aplica un impuls. Aquest impuls progressa i al cap d'un cert temps es trobarà en el punt B. Si en aquest instant s'apliquès un altre impuls igual al primer obtindriem dues ones viatjant en un mateix sentit. La primera ona arribarà a la paret i es reflexarà canviant el seu sentit. Ara s'obtenen dues ones viatjant en sentits oposats i què, per tant, es trobaràn en un determinat punt. En el moment de coincidir, segons es mostra en la imatge, es tindrà una interferència destructiva, ja què el punt "C" romandrà fixe. 

En aquesta imatge es presenta el cas d'una ona sonora la qual xoca amb un obstacle i es reflexa perpendicularment. Evidentment es produïrà un fenòmen d'interferències com a conseqüència de la composició d'ambdues ones en el espai (incident i reflexada). Així quan una ona incident o reflexada es composa amb una altre ona, incident o reflexada, es produeix el fenòmen d'interferència.

Si fèssim sonar un xiulet en una sala les parets de la qual reflexessin el so, la composició de les ones, incident i reflexada, produïrà un fenòmen d'interferències. Una persona què es desplacés per la sala, percebrà en uns punts una intensitat de so màxima mentre què en altres la intensitat percebuda seria pràcticament nula.  

 

 

En aquesta imatge es presenta el cas de les interferències què ocorren quan es llencen dos pilotes en un petit estanc d'aigua. Pot observar-se com es realitza la composició en l'espai d'ambues ones.

El més característic d'aquest fenòmen d'interferències és què la suma de les dos ones de, per exemple igual amplitut, no dona lloc sempre a una ona d'amplitut doble, sinó què el resultat dependrà del desfase el qual existeixi entre ambdues ones, és a dir, de lo retardada o adelantada que estigui una ona amb respecte l'altre. Quan les ones assoleixen un determinat punt en fase produeixen en aquest punt oscilacions síncrones, que fan què l'oscil·lació resultant tingui una amplitut igual a la suma de les seves amplituts individuals, i en aquest cas es diu què és produeix una interferència constructiva. En cas contrari, quan les oscil·lacions produïdes per cada ona en el punt considerat estiguèssin en oposició de fase l' oscil·lació resultant tindrà una amplitut nula. En aquest cas es diu què existeix una interferència destructiva

 

8. IMPEDÀNCIA 

 

En general, en un medi material en el que es produeixen oscil·lacions, es medeix les seves característiques tenint en compte la relació existent entre l'acció què produeix la pertorbació en el medi i la velocitat què adquireixen les partícules en el medi a on es produeix (què no és la mateixa què la velocitat de propagació de les ones). Aquesta relació és el què es coneix amb el nom d'impedància del medi.

 

En el cas de les ones esfèriques, com les del so, l'acció és la pressió que és produeix per unitat de superfície i la velocitat de les partícules és la mateixa què la de la massa de fluïd què es posa en moviment com a conseqüència de la diferència de pressió. Quan les ones passen d'un medi a un altre de diferents característiques, la diferència d'impedàncies d'ambdós medis determina el que l'ona es reflexi més o menys. Si les impedàncies foren iguals, com és el cas de transmissió en un medi homogeni, no hi hauria reflexió i si transmissió total.


Bibliografia