A hang egy rezgés mechanika egy folyadék , amely kenhető formájában hullámok hosszanti , köszönhetően a rugalmas alakváltozás a, hogy a folyadék. Az emberi lények, mint sok állat , a hallás érzésén keresztül tapasztalják meg ezt a rezgést .
Az akusztika a hangokat tanulmányozó tudomány; A pszicho- tanulmányok, hogy a szervek az emberi test érzés és az emberi lény érzékeli és értelmezi a hangokat.
Egy összenyomható folyadék közegben, egy nyomás változását terjed formájában hullám . A hang nem terjed vákuumban : anyagra van szükség ahhoz, hogy rezgése hanghullámokban terjedhessen. A levegő , amelyben az emberek élnek, kedvező környezet, és a légnyomás változásai hangot képeznek. A nyomásváltozás amplitúdója kicsi a statikus nyomáshoz ( légköri nyomás ) képest; Ahhoz, hogy érzékelhető legyen, kellően gyorsnak és megismételhetőnek kell lennie.
A hangforrás olyan rezgő tárgy, például hangszer vagy hangszóró , amely levegő rezgését okozza. A zavar terjed, de a légrészecskék csak néhány mikrométert ingadoznak egy stabil helyzet körül, ugyanúgy, mint amikor egy követ vízbe dobunk, a hullámok eltávolodnak a vízesés pontjától, de a víz ugyanazon a helyen marad, csak függőlegesen mozog, és nem követi a hullámokat (a vízre helyezett dugó mozogás nélkül ugyanabban a helyzetben marad). Folyadékokban a hanghullám hosszirányú, vagyis a részecskék a hullám haladási irányával párhuzamosan rezegnek.
A szilárd , élénk , képes továbbítani a hangot. A rezgés ott terjed, mint a folyadékokban, az atomok egyensúlyi helyzetük körüli gyenge oszcillációjával , ami az anyag igénybevételét eredményezi, amely egyenértékű a folyadék nyomásával, de nehezebben mérhető. Az anyag merevsége lehetővé teszi a keresztirányú feszültséghullámok továbbítását. Hasonlóképpen, bár kisebb mértékben, a folyadék viszkozitása - különösen extrém körülmények között - módosíthatja az ideális gázra számított terjedési egyenleteket .
A hangsebesség vagy sebesség hang természetétől függ, a hőmérséklet és a nyomás a közeg.
A matematikai modell az ideális gáz ad egy hozzávetőleges eredményt szaporítás száraz levegő. Olyan képletet eredményez, ahol a sebesség arányos az abszolút hőmérséklet négyzetgyökével, Kelvins-ben :
A lakott helyeken szokásos hőmérséklet esetén a képlet
hol van a hőmérséklet Celsius-fokbanlehetővé teszi a gyors számítást. E két közelítés eredménye 1 m / s- nál kisebb mértékben tér el a pontos, kiszámított , normál légköri nyomáson , száraz levegőn, normál légköri nyomáson −25 és +35 ° C közötti hangsebességtől .
A száraz levegő ideális gázzá történő asszimilációja eltéréseket mutat a mért értékekkel, különösen nagy nyomáson és alacsony hőmérsékleten. A szélesebb tartományban végzett pontosabb vagy érvényesebb számításoknál figyelembe kell venni a valós gázban fennálló összetettebb kapcsolatokat .
A levegő páratartalma kissé megnöveli a hangsebességet. A forró levegő több vízgőzt képes eltartani; variáció, az exponenciális érzéketlen 10 ° C alatt . A 30 ° C-on , a hang sebessége levegőben 85% relatív páratartalom mellett van 2 m / s magasabb, mint a száraz levegő.
A levegőben lévő hangsebesség változása néha jelentős gyakorlati jelentőséggel bír. A zenei akusztikában ez a sebesség határozza meg a hanghullám frekvenciáját , amely egy orgona csöveként rezonáló csőből származik . A laboratóriumokban a hangsebesség mérése különféle körülmények között az egyik módja az anyag jellemzőinek eléréséhez.
A hangsebesség növekszik:
A levegőben sokkal sűrűbb és kevésbé összenyomható vízben a hangsebesség körülbelül 1500 m s −1 . Más beállításokban a rezgések még gyorsabban terjedhetnek. A acél , rezgések terjednek 5600, hogy a következőtől: 5900 m s -1 .
A gömbhullám ereje eloszlik egy gömbön, amelynek területe arányos a sugár négyzetével. Ennek eredményeként a területegységre eső hangteljesítmény a forrástól mért távolság négyzetével arányosan csökken, ha nincsenek akadályok, amelyek eltérítik a hangot.
A szaporítóközegben az abszorpció csillapítása legtöbbször frekvenciától függ . A levegőben 500 m- ben a 8000 Hz-es hullám amplitúdója tízszer gyengébb, mint az alacsony frekvenciájú hullám. Csak bizonyos okok ismertek. A levegő viszkozitása a frekvencia négyzetével arányos csillapítást okoz; A hőcserék további gyengülést okoznak, arányosak a frekvenciával és változóak a levegő összetétele, különösen annak páratartalma szerint. A mérés további csillapítást mutat, amelyet nem építettek be az elméleti modellekbe.
Az adott helyen történő terjedés tanulmányozását a hangnyomás alapján végezzük , amely kifejezi a hangerőt. Gyakran decibelben fejezik ki az észlelési határhoz viszonyítva, vagy az akusztikai intenzitástól , amely kifejezi a közeg rezgése által átvitt teljesítmény mennyiségét és irányát. Mi így építeni egy matematikai modellt a az akusztikai területen .
A légköri és meteorológiai viszonyok befolyásolják a lokális és nagy távolságú akusztikus terjedést.
A hang terjedésének megjóslásához ismerni kell az átlagos hőmérsékletet, de ismerni kell az átlépett levegő tömegének hőszerkezetét és higrometriáját, valamint a szél irányát is.
A vízcseppek jelenléte a légkörben, például felhőkben és párákban, például jégkristályokban, havas körülmények között jelentősen megváltoztatja a hang terjedését. Ez a sebesség és a csillapítás csökkenését, szétszóródását és csillapítását eredményezi, mivel a frekvencia alacsony.
Heterogén környezetben a hang visszaverődéseken és fénytöréseken megy keresztül az interfészeken, amelyek diffúziókhoz és abszorpciókhoz vezetnek, amelyek a hangszigetelés alapját képezik .
A hangsebesség három másodpercenként egy kilométerre kerekíthető, hogy meglehetősen könnyen, bár megközelítőleg kiszámolhassuk a megfigyelő és a villám közötti távolságot zivatar alatt . Valójában a villanások elég közel vannak ahhoz, hogy fontolóra vegyük a fény azonnali észlelését. Minden három másodperces periódus, amelyre akkor várni kell, hogy meghallja a mennydörgést , nagyjából egy kilométer. Így 8 másodpercig tartó várakozás esetén a távolság, amely elválasztja a megfigyelőt a vakutól, 8 × 340 = 2720 m ; vagy egyszerűbben 2 kilométer kétharmad.
A becslési módszer ismeretében a nagyobb pontosság illuzórikus. Az emberi reakcióidő figyelembevétele nélkül is (ha egy videofelvételen számoljuk például az eltelt időt), valószínűtlen, hogy a nagy szél és a jelentős hőmérsékleti és páratartalmi különbségek által zavart légkörben a hanghullám mindig egyenes vonalon és azonos sebességgel.
Bármely élőlény, akinek hallása van , meghatározhatja a hangspektrumot ; sok faj hangot használ az egyedek közötti kommunikációhoz. A hallható frekvenciatartomány fajtól függően változik. Míg az emberek 15 kHz körüli hangokat hallanak , az emlősök között:
Néhány állat a frekvenciák széles sávjának lefedésére való képességét különféle célokra használja :
A madarak által észlelt hangok nagyrészt átfedik azokat, amelyeket az emberek hallanak, és kommunikációra használják.
A halak érzékelik a víz rezgéseit. Több faj esetében az eredeti irány érzékelését fokozza a középvonalba helyezett hosszú receptorsor. A hang egyaránt hasznos a ragadozók és a zsákmányok számára, vadászatra vagy menekülésre. Az érintett frekvenciák gyakran észrevehetetlenek az emberek számára .
Mint minden észlelt jelenség esetében, az idő is alapvető szerepet játszik. A hang a nyomásváltozás, és a hanginformáció ennek a változásnak a változata, a hangnyomás több szempontból is függ az időtől. Mivel a hang a térben is idővel terjedő hullám, a tér és az idő között szoros összefüggések vannak , mind a hang tanulmányozásában, mind annak észlelésében.
A hangnak számos jellemzője van:
A különbség észleléséhez elegendő, ha e jellemzők egyike változik, a többi változatlan marad. Egy forma időbeli ismétlődése magában foglalja a ritmus fogalmát . Ezenkívül az emberek képesek megkülönböztetni és követni a karakterek bizonyos folytonosságával felruházott hangkibocsátást számos más ember között ( koktélparti hatás ).
A pszichoakusztika az adott fizikai hang jelenlétében tapasztalt hangintenzitást vizsgálja. Ezt a benyomást hangos vagy lágy hang (zenészek azt mondják hangosan , vagy zongora ) függ elsősorban a effektív értéke a hangnyomás , ami a kis változtatás a légköri nyomás, amely meghatározza a hang.
Két, egymással összefüggő mennyiségek használhatók, hogy kifejezzék a zajszint: hang intenzitása , a watt per négyzetméter, vagy hangnyomás , a pascal ( Newton négyzetméterenként, N m -2 ). A hangnyomást egy pontban hangszintmérővel mérik ; az akusztikai intenzitás, amely magában foglalja a hullám terjedésének irányát, kevésbé kapcsolódik közvetlenül az érzékeléshez. Kevésbé hozzáférhető méréshez, akusztikai számításokhoz használják.
Ezeket a fizikai egységeket azonban ritkán használják a mindennapi kommunikáció során:
A hangnyomást és az intenzitást gyakran decibelben (dB) fejezik ki . Ez egy dimenzió nélküli mennyiség , amely a vizsgált hang jellegzetes mennyisége és a referencia hang közötti teljesítményarány tizedes tizedesértéke . Ezek a referenciaértékek a hang intenzitására: I 0 = 1 × 10 −12 W m −2 (egy pikowatt négyzetméterenként) és a P 0 = 2 × 10 −5 Pa (20 mikropascal) hangnyomás . A decibel nagyjából a legkisebb változás a hangerőben, amelyet az ember észlel. A 0 dB szint szinte észrevehetetlen hangnak felel meg. Ezért minden zajszint pozitív szám.
A decibel a hatvány logaritmusára utal. Az akusztikai intenzitás négyzetméterenként kifejezett teljesítmény, ezért az akusztikai intenzitás 10-zel történő szorzása növeli a zajszintet 10 dB-rel , szorozva 100-zal, növelve a szintet 20 dB-rel stb. A hangteljesítmény arányos a nyomás négyzetével: a hangnyomás 10-zel való szorzása annyit jelent, hogy a teljesítményt megszorozzuk 100-zal, ezért a szintet 20 dB-rel növeljük , és a hangnyomást 100-zal megszorozzuk. szorozzuk meg a teljesítményt tízezerrel, és adjunk hozzá 40 dB- t a szinthez.
A hangnyomásszint csak első képet ad a hangosságról vagy a zajosságról (érzékelt hangérzet). A fül érzékenysége a hang frekvenciájától függően változik ; a fül érzékenyebb a közepes frekvenciákra. Ahhoz, hogy közelebb kerüljön ehhez az érzékenységhez, a hangnyomást képviselő elektromos jel szűrhető. Sok törvény és rendelet előírja az "A" súlyozott szűrőt. Ezt A súlyozott decibelnek (dB A) nevezik .
A kötet a hang, vagyis a hangélmény, függ a teljesítmény továbbított a füle a hallgatók. Annak megállapítására, hogy mi használja a mikrofont , amely átalakítja a hangnyomás egy elektromos jel , amit mérni. A hangszintet tükröző nagyságrend a hangnyomás effektív értéke vagy az azt képviselő elektromos feszültség, amely az a folyamatos érték, amely ugyanolyan teljesítményt produkál, mint a jel. Az effektív érték a jelérték kvadratikus átlagának négyzetgyöke, más néven RMS ( Root Mean Square ) érték.
A zajvédelmi vizsgálatok során figyelembe vesszük:
Ezeket a méréseket egy olyan ponton hajtják végre, amelynek zajszintmérője van . De a hang hullámokban terjed a légkörben minden irányba. A hang vizsgálata magában foglalja annak terjedését három dimenzióban, és egy adott pontra a mérés kiterjedhet a terjedési irányra is (lásd: Akusztikai intenzitás ).
A fiziológusok egyetértenek abban, hogy az emberi átlag szó kb. 16 Hz frekvenciatartományban érzékeli a hangokat alacsony és mély basszus esetén, 15-18 kHz-en , a finomabb és magasabb hangmagasság esetén.
Az érzékenység a szélső frekvenciákon fokozatosan csökken és az egyéntől függően változik, a magasságok észlelése különösen az életkor előrehaladtával csökken, és az alacsony frekvenciáké végül összeolvad a rezgésekével, nem jelölhetünk ki abszolút határt:
A hangspektrum közvetlenül kapcsolódik a hang élességének érzéséhez , amelyet azzal fejeznek ki, hogy a hang " élesebb ", amikor a spektrum középpontjában a magas frekvenciák állnak, vagy "komolyabb" vagy "tompa". " másképp. Ez a viszonylag pontatlan érzés a legkomolyabb, 16 Hz körüli hangoktól a legélesebb, 15 000 Hz körül terjed .
Ha a hang harmonikus, azaz, hogy tartalmaz elsősorban frekvenciák mintegy többszöröse egy hallható alapvető , hogy a frekvencia, mint a kifejezett Hertz (Hz), meghatározza a pályán . A hangmagasság érzékelése körülbelül 30 Hz és 5000 Hz közötti alapvető frekvenciákon történik . Kifejezi az a lehetőség, hogy a hangot énekelve reprodukálják; a zeneelméletben képzett személy elmondhatja a nevét.
Az emberek nagyon jól tudják azonosítani a frekvenciák eloszlását, és harmonikus hangzásban ez a zenei hangszín fontos része . A hangmagasság finoman megkülönbözteti a közeli frekvenciákat, bár ha a spektrum gazdag harmonikusokban, akkor egy oktáv hibái gyakoribbak, mint mások. Olyan hallási illúziókat teremthetünk, mint a Shepard-skála , amely fokozatosan örökké emelkedni látszik, ha a hangfrekvenciák észlelésének ezen két aspektusát játsszuk.
A bélyeg van „amelyben a hangjelzés azonosíthatja az” .
A bélyegző fizikai elemei a következők:
A releváns elemek kiválasztása pszichoakusztikus kérdés .
Minden jel definiálható és elemezhető akár az idő térben, akár a frekvencia térben. Az első esetben a jel értékének történetét tanulmányozzuk. Pontos elképzelésünk van az időről, de egyik sem a frekvencia.
A jel meghatározása a frekvenciatérben azt jelenti, hogy mi a spektruma , amelyet a Fourier-transzformáció segítségével számítottak ki . A jel spektruma a különféle szinuszok vagy "tiszta hangok" frekvenciáit jelöli, amelyek hozzáadása esetén helyreállítanák. A komplex hang ezen összetevőit részlegeseknek nevezzük . Amikor ezek a frekvenciák ugyanazon frekvencia többszörösei, amelyeket alapvetőnek nevezünk , a többi harmonikus . Ha a jelenlévő frekvenciák tökéletesen ismertek, akkor fogalmunk sincs a hangnyomás értékéről egy adott pillanatban. A spektrum minden értéket egy "vonal" formájában mutat be, amelynek magassága vagy színe amplitúdójától függően változik. A tiszta hang spektruma egyetlen vonalat képvisel.
Ezekben a tanulmányokban úgy cselekszünk, mintha a jel mindig elkezdődött volna és végtelenül folytatódott volna. De a valódi hangjelek megkezdődnek és véget érnek, és a gyakorlatban egyaránt érdekel bennünket, hogy milyen frekvenciákat tartalmaz, és mikor tudjuk észlelni őket. A szonogram a jelen lévő frekvenciákat és azok intenzitását az idő függvényében ábrázolja. A képviselet kompromisszum tárgya. Pontosan ki lehet számolni a frekvenciákat, és így két közeli frekvenciát lehet megkülönböztetni, csak elég hosszú időtartammal; de a hangeseményeket időben pontosan és pontosan meg lehet találni, ha az időtartam rövid. Az idő és a frekvencia bizonytalanságainak szorzata állandó.
A hangot vagy információ, például beszéd vagy zene közvetítésének közegeként, vagy zavarásként ( zajként ) vizsgáljuk . Ehhez akusztikus jeleket állítunk elő, amelyek jellemzőit az emisszión jól ismerjük, és megvizsgáljuk, hogy milyenek lesznek az általunk vizsgált rendszeren való áthaladáskor, ami lehet például zajvédő gát , vagy egy csarnok, ahová üzeneteket kell küldeni. adás, koncertterem, hangstúdió.
Tanulmányozzuk a rendszerek akusztikus válaszát, elemezve azok válaszait a jelek három fő osztályára:
A digitális elektronika lehetővé tette olyan jelek létrehozását, amelyek részt vesznek ebben a három kategóriában, a csiripelésben ( ( csiripelés )), amelyek lehetővé teszik a szoba vagy az anyag jellemzőinek automatikus tanulmányozását. Pontosan ismert és megismételhető, a módosított anyag tanulmányozása a vizsgált közegben történő áthaladás révén gyorsan ad adatokat az akusztikai tulajdonságokról, amelyek a csillapítástól és a sávszélességtől a visszhangig terjednek .