SOUND: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, WIE ES PRODUZIERT WIRD, TYPEN - KÖRPERLICH - 2025

Der Schall ist definiert als eine Störung der Ausbreitung in einem Medium wie Luft, alternativ erzeugt er Kompressionen und Ausdehnungen in diesem Medium. Diese Änderungen des Luftdrucks und der Luftdichte erreichen das Ohr und werden vom Gehirn als Hörempfindungen interpretiert.

Klänge haben das Leben von Anfang an begleitet und sind Teil der Werkzeuge, mit denen Tiere miteinander und mit ihrer Umwelt kommunizieren müssen. Einige Leute behaupten, dass Pflanzen auch zuhören, aber auf jeden Fall könnten sie die Schwingungen der Umwelt wahrnehmen, selbst wenn sie kein Hörgerät wie höhere Tiere haben.

Abbildung 1. Bruch der Schallmauer

Menschen verwenden Ton nicht nur zur Kommunikation durch Sprache, sondern auch als künstlerischen Ausdruck durch Musik. Alle alten und neueren Kulturen haben musikalische Manifestationen aller Art, durch die sie ihre Geschichten, Bräuche, religiösen Überzeugungen und Gefühle erzählen.

Geschichte

Aufgrund seiner Bedeutung interessierte sich die Menschheit für das Studium ihrer Natur und schuf die Akustik, einen Zweig der Physik, der sich den Eigenschaften und dem Verhalten von Schallwellen widmet.

Es ist bekannt, dass der berühmte Mathematiker Pythagoras (569-475 v. Chr.) Lange Zeit die Unterschiede in der Höhe (Frequenz) zwischen Klängen untersucht hat. Auf der anderen Seite behauptete Aristoteles, der über alle Aspekte der Natur spekulierte, zu Recht, dass Schall aus Ausdehnungen und Kompressionen in der Luft bestehe.

Später schrieb der berühmte römische Ingenieur Vitruv (80-15 v. Chr.) Eine Abhandlung über die Akustik und ihre Anwendungen beim Bau von Theatern. Isaac Newton selbst (1642-1727) untersuchte die Ausbreitung von Schall in festen Medien und bestimmte eine Formel für seine Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Mit der Zeit ermöglichten die mathematischen Berechnungswerkzeuge, die Komplexität des Wellenverhaltens angemessen auszudrücken.

Klangeigenschaften (Eigenschaften)

In ihrer einfachsten Form kann eine Schallwelle als eine sinusförmige Welle beschrieben werden, die sich zeitlich und räumlich ausbreitet, wie in Abbildung 2 gezeigt. Dort wird beobachtet, dass die Welle periodisch ist, dh eine hat Form, die sich in der Zeit wiederholt.

Da es sich um eine Longitudinalwelle handelt, sind die Ausbreitungsrichtung und die Richtung, in die sich die Partikel des schwingenden Mediums bewegen, gleich.

Schallwellenparameter

Abbildung 2. Schall ist eine Longitudinalwelle. Die Störung breitet sich in die gleiche Richtung aus, in der die Moleküle ihre Verschiebung erfahren. Quelle: Wikimedia Commons.

Die Parameter einer Schallwelle sind:

Periode T: ist die Zeit, die benötigt wird, um eine Phase der Welle zu wiederholen. Im internationalen System wird es in Sekunden gemessen.

Zyklus : ist der Teil der Welle, der in der Periode enthalten ist und von einem Punkt zum anderen reicht und dieselbe Höhe und dieselbe Steigung aufweist. Es kann von einem Tal zum nächsten, von einem Kamm zum nächsten oder von einem Punkt zum anderen sein, der der beschriebenen Spezifikation entspricht.

Wellenlänge λ : ist der Abstand zwischen einem Wellenkamm und einem anderen der Welle, zwischen einem Tal und einem anderen oder im Allgemeinen zwischen einem Punkt und dem nächsten mit derselben Höhe und Neigung. Als Länge wird sie in Metern gemessen, obwohl andere Einheiten je nach Wellentyp besser geeignet sind.

Die Frequenz f : ist definiert als die Anzahl der Zyklen pro Zeiteinheit. Seine Einheit ist der Hertz (Hz).

Amplitude A: entspricht der maximalen Höhe der Welle in Bezug auf die horizontale Achse.

Wie wird Schall erzeugt und verbreitet?

Ton wird erzeugt, wenn ein Objekt, das in ein materielles Medium eingetaucht ist, vibriert, wie unten in Abbildung 2 gezeigt. Die straffe Membran des Lautsprechers links vibriert und überträgt die Störung durch die Luft bis erreicht den Hörer.

Während sich die Störung ausbreitet, wird Energie durch Expansionen und Kompressionen auf die Moleküle in der Umgebung übertragen, die miteinander interagieren. Sie benötigen immer ein materielles Medium für die Ausbreitung von Schall, sei es fest, flüssig oder gasförmig.

Wenn die Störung in der Luft das Ohr erreicht, führen Schwankungen des Luftdrucks dazu, dass das Trommelfell vibriert. Dies führt zu elektrischen Impulsen, die über den Hörnerv auf das Gehirn übertragen werden, und dort werden die Impulse in Schall umgewandelt.

Schallgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit mechanischer Wellen in einem bestimmten Medium folgt dieser Beziehung:

Wenn Sie sich beispielsweise in einem Gas wie Luft ausbreiten, kann die Schallgeschwindigkeit wie folgt berechnet werden:

Mit steigender Temperatur steigt auch die Schallgeschwindigkeit, da die Moleküle im Medium eher bereit sind, zu schwingen und die Schwingung durch ihre Bewegungen zu übertragen. Der Druck beeinflusst dagegen seinen Wert nicht.

Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz

Wir haben bereits gesehen, dass die Zeit, die die Welle benötigt, um einen Zyklus abzuschließen, die Periode ist, während die in dieser Zeitspanne zurückgelegte Strecke einer Wellenlänge entspricht. Daher ist die Schallgeschwindigkeit v definiert als:

Auf der anderen Seite hängen die Frequenz und die Periode zusammen, wobei eine die Umkehrung der anderen ist, wie folgt:

Was dazu führt:

Der hörbare Frequenzbereich beim Menschen liegt zwischen 20 und 20.000 Hz, daher liegt die Schallwellenlänge zwischen 1,7 cm und 17 m, wenn die Werte in der obigen Gleichung eingesetzt werden.

Diese Wellenlängen haben die Größe gemeinsamer Objekte, was die Ausbreitung von Schall beeinflusst, da sie als Welle Reflexion, Brechung und Beugung erfahren, wenn sie auf Hindernisse trifft.

Das Erleben von Beugung bedeutet, dass Schall beeinträchtigt wird, wenn er auf Hindernisse und Öffnungen trifft, deren Wellenlänge nahe oder kleiner ist.

Bassgeräusche können sich am besten über große Entfernungen ausbreiten, weshalb Elefanten Infraschall (sehr niederfrequente Geräusche, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind) verwenden, um über ihre weiten Gebiete zu kommunizieren.

Auch wenn in einem nahe gelegenen Raum Musik zu hören ist, ist der Bass besser zu hören als die Höhen, da seine Wellenlänge etwa der Größe von Türen und Fenstern entspricht. Auf der anderen Seite gehen beim Verlassen des Raums die hohen Töne leicht verloren und werden daher nicht mehr gehört.

Wie wird Schall gemessen?

Schall besteht aus einer Reihe von Kompressionen und Verdünnungen der Luft, so dass der Schall bei seiner Ausbreitung einen Druckanstieg und -abfall verursacht. Im internationalen System wird der Druck in Pascal gemessen, was mit Pa abgekürzt wird.

Was passiert ist, dass diese Änderungen im Vergleich zum atmosphärischen Druck, der ungefähr 101.000 Pa wert ist, sehr gering sind.

Selbst die lautesten Geräusche erzeugen Schwankungen von nur 20-30 Pa (Schmerzschwelle), ein im Vergleich relativ geringer Betrag. Wenn Sie diese Änderungen jedoch messen können, haben Sie eine Möglichkeit, den Schall zu messen.

Schalldruck ist die Differenz zwischen atmosphärischem Druck mit Schall und atmosphärischem Druck ohne Schall. Wie bereits erwähnt, erzeugen die lautesten Geräusche einen Schalldruck von 20 Pa, während die schwächsten etwa 0,00002 Pa (Schallschwelle) verursachen.

Da der Bereich der Schalldrücke mehrere Potenzen von 10 umfasst, sollte eine logarithmische Skala verwendet werden, um sie anzuzeigen.

Andererseits wurde experimentell festgestellt, dass Menschen Änderungen in Geräuschen geringer Intensität deutlicher wahrnehmen als Änderungen gleicher Größe, jedoch in intensiven Geräuschen.

Wenn beispielsweise der Schalldruck um 1, 2, 4, 8, 16… ansteigt, nimmt das Ohr eine Intensitätserhöhung von 1, 2, 3, 4… wahr. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, eine neue Größe zu definieren, die als Schalldruckpegel (Schalldruckpegel) L _P bezeichnet wird und wie folgt definiert ist:

Dabei ist P _o der Referenzdruck, der als Hörschwelle verwendet wird, und P ₁ der mittlere effektive Druck oder RMS-Druck. Dieser Effektivwert oder durchschnittliche Druck ist das, was das Ohr als durchschnittliche Energie des Schallsignals wahrnimmt.

Dezibel

Das Ergebnis des obigen Ausdrucks für L _{P wird} , wenn es für verschiedene Werte von P ₁ ausgewertet wird, in Dezibel angegeben, einer dimensionslosen Größe. Das Ausdrücken des Schalldruckpegels auf diese Weise ist sehr praktisch, da Logarithmen große Zahlen in kleinere, besser handhabbare Zahlen umwandeln.

In vielen Fällen ist es jedoch bevorzugt, die Schallintensität zur Bestimmung von Dezibel anstelle des Schalldrucks zu verwenden.

Die Schallintensität ist die Energie, die für eine Sekunde (Leistung) durch eine Einheitsoberfläche fließt, die senkrecht zu der Richtung ausgerichtet ist, in der sich die Welle ausbreitet. Wie der Schalldruck ist es eine skalare Größe und wird mit I bezeichnet. Die Einheiten von I sind W / m ² , dh Leistung pro Flächeneinheit.

Es kann gezeigt werden, dass die Schallintensität proportional zum Quadrat des Schalldrucks ist:

In diesem Ausdruck ist ρ die Dichte des Mediums und c die Schallgeschwindigkeit. Dann ist der Schallintensitätspegel L _I definiert als:

Was auch in Dezibel ausgedrückt wird und manchmal mit dem griechischen Buchstaben β bezeichnet wird. Der Referenzwert I _o beträgt 1 × 10 ^–12 W / m ² . Somit stellt 0 dB die untere Grenze des menschlichen Gehörs dar, während die Schmerzschwelle 120 dB beträgt.

Da es sich um eine logarithmische Skala handelt, muss betont werden, dass kleine Unterschiede in der Anzahl der Dezibel einen großen Unterschied in Bezug auf die Schallintensität bewirken.

Der Schallpegelmesser

Ein Schallpegelmesser oder Dezibelmeter ist ein Gerät zur Messung des Schalldrucks, das die Messung in Dezibel anzeigt. Es ist so konzipiert, dass es genauso reagiert wie das menschliche Ohr.

Abbildung 3. Mit dem Schallpegelmesser oder Dezibelmeter wird der Schalldruckpegel gemessen. Quelle: Wikimedia Commons.

Es besteht aus einem Mikrofon zum Sammeln des Signals, mehr Schaltkreisen mit Verstärkern und Filtern, die für die angemessene Umwandlung dieses Signals in elektrischen Strom verantwortlich sind, und schließlich einer Skala oder einem Bildschirm, um das Ergebnis des Messwerts anzuzeigen.

Sie werden häufig verwendet, um die Auswirkungen bestimmter Geräusche auf Mensch und Umwelt zu bestimmen. Zum Beispiel Geräusche in Fabriken, Branchen, Flughäfen, Verkehrslärm und vielen anderen.

Klangarten (Infraschall, Ultraschall, Mono, Stereo, Polyphonic, Homophonic, Bass, Höhen)

Schall zeichnet sich durch seine Frequenz aus. Gemäß denen, die das menschliche Ohr erfassen kann, werden alle Geräusche in drei Kategorien eingeteilt: diejenigen, die wir hören oder ein hörbares Spektrum haben können, diejenigen, deren Frequenz unter der Untergrenze des hörbaren Spektrums oder Infraschalls liegt, und diejenigen, die über dem liegen Obergrenze, Ultraschall genannt.

Da sich Schallwellen linear überlappen können, bestehen alltägliche Geräusche, die wir manchmal als einzigartig interpretieren, tatsächlich aus unterschiedlichen Geräuschen mit unterschiedlichen, aber engen Frequenzen.

Abbildung 4. Schallspektrum und Frequenzbereiche. Quelle: Wikimedia Commons.

Hörbares Spektrum

Das menschliche Ohr ist so konzipiert, dass es einen weiten Frequenzbereich aufnimmt: zwischen 20 und 20.000 Hz. Es werden jedoch nicht alle Frequenzen in diesem Bereich mit der gleichen Intensität wahrgenommen.

Das Ohr ist im Frequenzband zwischen 500 und 6.000 Hz empfindlicher. Es gibt jedoch andere Faktoren, die die Fähigkeit zur Wahrnehmung von Geräuschen beeinflussen, wie z. B. das Alter.

Infrasound

Es sind Geräusche, deren Frequenz weniger als 20 Hz beträgt, aber die Tatsache, dass Menschen sie nicht hören können, bedeutet nicht, dass andere Tiere dies nicht können. Zum Beispiel verwenden Elefanten sie zur Kommunikation, da Infraschall lange Strecken zurücklegen kann.

Andere Tiere wie der Tiger benutzen sie, um ihre Beute zu betäuben. Infraschall wird auch zur Erkennung großer Objekte verwendet.

Ultraschall

Sie haben Frequenzen von mehr als 20.000 Hz und sind in vielen Bereichen weit verbreitet. Eine der bemerkenswertesten Anwendungen von Ultraschall ist das diagnostische und therapeutische Instrument der Medizin. Die durch Ultraschall erhaltenen Bilder sind nicht invasiv und verwenden keine ionisierende Strahlung.

Ultraschall wird auch verwendet, um Fehler in Strukturen zu finden, Entfernungen zu bestimmen, Hindernisse während der Navigation zu erkennen und vieles mehr. Tiere nutzen auch Ultraschall, und so wurde seine Existenz entdeckt.

Fledermäuse senden Schallimpulse aus und interpretieren dann das von ihnen erzeugte Echo, um Entfernungen abzuschätzen und Beute zu lokalisieren. Hunde können ihrerseits auch Ultraschall hören, und deshalb reagieren sie auf die Hundepfeife, die ihr Besitzer nicht hören kann.

Monophoner und stereophoner Klang

Abbildung 4. In einem Aufnahmestudio wird der Ton von elektronischen Geräten entsprechend geändert. Quelle: Pixabay.

Monophoner Ton ist ein Signal, das mit einem einzelnen Mikrofon oder Audiokanal aufgenommen wurde. Beim Hören mit Kopfhörern oder Hörnern hören beide Ohren genau dasselbe. Im Gegensatz dazu zeichnet stereophoner Ton Signale mit zwei unabhängigen Mikrofonen auf.

Die Mikrofone befinden sich an verschiedenen Positionen, sodass sie unterschiedliche Schalldrücke von dem aufnehmen können, was Sie aufnehmen möchten.

Dann empfängt jedes Ohr einen dieser Signalsätze, und wenn das Gehirn sie sammelt und interpretiert, ist das Ergebnis viel realistischer als beim Hören monophoner Klänge. Es ist daher die bevorzugte Methode, wenn es um Musik und Film geht, obwohl monophoner oder monauraler Ton im Radio immer noch verwendet wird, insbesondere für Interviews und Gespräche.

Homophonie und Polyphonie

Musikalisch gesehen besteht Homophonie aus derselben Melodie, die von zwei oder mehr Stimmen oder Instrumenten gespielt wird. Andererseits gibt es in der Polyphonie zwei oder mehr Stimmen oder Instrumente von gleicher Bedeutung, die Melodien und sogar unterschiedlichen Rhythmen folgen. Das resultierende Ensemble dieser Klänge ist harmonisch, wie die Musik von Bach.

Bass- und Höhengeräusche

Das menschliche Ohr unterscheidet hörbare Frequenzen als hoch, niedrig oder mittel. Dies ist die sogenannte Tonhöhe.

Die höchsten Frequenzen zwischen 1600 und 20.000 Hz werden als akute Töne betrachtet, das Band zwischen 400 und 1600 Hz entspricht Tönen mit mittlerem Ton und schließlich sind die Frequenzen im Bereich von 20 bis 400 Hz die Basstöne.

Bassklänge unterscheiden sich von Höhen darin, dass erstere als tief, dunkel und dröhnend wahrgenommen werden, während letztere hell, klar, fröhlich und durchdringend sind. Das Ohr interpretiert sie auch als intensiver, im Gegensatz zu Bassklängen, die das Gefühl einer geringeren Intensität erzeugen.

Verweise

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2. Giancoli, D. 2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. 6 .. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Anmerkungen zur Musikakustik. Wiederhergestellt von: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Physik für Wissenschaft und Technik. Band 1. 7 .. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Akustik. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org.