Natura del so

del llibre So

Natura del So

Des d'un punt de vista físic, el so són ones i comparteixen totes les propietats característiques del moviment ondulatori. De fet, el so pot ser descrit utilitzant la terminologia pròpia de la mecànica ondulatòria.

Perquè hi hagi so, caldrà que es donin dues condicions:

Una font de vibració mecànica.
Un medi elástic que permeti la propagació de la perturbació.

Quan parlem de variacions (perturbacions, vibracions, etc), és clar, que hi ha d'haver un valor estàtic, on es donen aquestes variacions. En el cas de l'aire, el valor estàtic serà la pressió atmosfèrica.

Ona Sonora

Les ones sonores són les vibracions/perturbacions causants del so. Aquestes ones es caracteritzen per:

Són ones mecàniques (ones de compressió), perquè precisen d'un medi (aire, aigua, cos sòlid), que transmeti la pertorbació. És, el propi medi, qui produeix i propicia la propagació d'aquestes ones, amb la seva compressió i expansió. Perquè aquest medi pugui comprimir-se i expandir-se és un requisit fonamental que es tracti d'un medi elàstic. Un cos rígid no permet que les vibracions es transmetin. Sense medi elàstic, no hi hauria so, perquè les ones sonores no es propaguen en el buit.
Són ones longitudinals, perquè la pressió de les partícules que transporten l'ona es produeix en la mateixa direcció de propagació de l'ona.
Són ones tridimensionals o esfèriques, perquè es desplacen en tres direccions i els seus fronts d'ona són esferes radials que surten des del focus de la pertorbació en totes les direccions.

Paràmetres físics i unitats de mesura del so

Freqüència
Amplitud
Longitud d'ona
Període

Freqüència

En mecànica ondulatòria, la freqüència es defineix com el nombre d'oscil·lacions per unitat de temps (generalment, per segon). Entenent per oscil·lació el cicle complet d'una ona.

Si es produeixen moltes oscil·lacions en un segon estarem parlant d'altes freqüències, si, al contrari, són poques, parlem de baixes freqüències.

La freqüència es representa amb la lletra (f)i s'expressa en hertzs.

1 Hz equival = 1 cicle/s
1 Quilohertz (kHz) = 1.000 Hz.
1 Megahertz (MHz) = Un milió d'hertzs.
1 Gigaherz (GHz) = Mil milions d'hertzs.

La freqüència està relacionada amb la longitud d'ona. De fet, la velocitat de propagació es defineix com el producte de la longitud d'ona per la freqüència. El que significa que a longituds d'ona més xicotetes major freqüència i viceversa.

L'oïda humana és capaç de percebre freqüències entre 20 i 20.000 Hertzs (cicles per segon). Aquesta resposta en freqüència de l'oïda humana és el que coneixem com audiofreqüències, però l'espectre sonor és molt més ampli.

Amplitud

En acústica, l'amplitud és la quantitat de pressió sonora que exerceix la vibració en el medi elàstic (aire). Així, l'amplitud determinarà la quantitat d'energia (potència acústica) que conté un senyal acústic.

No deu confondrés amplitud amb volum o potència acústica, malgrat que és cert que com més fort se sent un so, major amplitud té, perquè s'exerceix una pressió major sobre el medi.

En definitiva, l'amplitud d'una ona és el valor màxim, tant de positiu com a negatiu, que pot arribar a adquirir l'ona sinusoide.

El valor màxim positiu que pren l'amplitud d'una ona sinusoïdal rep el nom de "pic o cresta".
El valor màxim negatiu, "ventre o vall".
El punt on el valor de l'ona s'anul·la al passar del valor positiu al negatiu, o viceversa, es coneix com “node”, “zero” o “punt d'equilibri”.

En so, normalment, l'amplitud ve definida en decibels SPL ( $dB_{SPL}$ ), o també dbA:

Els decibels representen la relació entre dos senyals i es basa en un logaritme de base 10 del quocient entre dos nombres.
les sigles SLP fan referència a la pressió sonora (Sound Pressure Level).
la sigla A fa referènia a acústic.

Les ones van debilitant-se en la seva amplitud amb forme van allunyant-se del seu punt d'origen. Malgrat que l'amplitud de les ones decreix, la seva longitud d'ona i la seva freqüència romanen invariables.

Longitud d'ona

La longitud d'ona és el paràmetre físic que indica la mida d'una ona. Entenent per tamany de l'ona, la distància entre el principi i el final d'una ona completa (cicle). Així, la longitud d'ona es defineix com la separació espacial existent entre dos punts l'estat de moviment de la qual és idèntic.

La longitud d'ona es representa amb la lletra grega ? (lambda).

Gràficament, la longitud d'ona pot representar-se de tres modes, depenent del punt d'origen que s'elegira:

Cresta a cresta.
Vall a vall.
Punt d'equilibri a punt d'equilibri.

(en el cas de l'ona de la imatge: vall a vall).

La longitud d'ona és igual a la velocitat de propagació de l'ona en el medi dividida per la seva freqüència.

En so, la longitud d'ona es mesura en metres, com qualsevol altra distància. Es poden usar els múltiples del metre com el quilòmetre o els seus submúltiples com el centímetre (cm), el mil·límetre (mm) i el nanòmetre (nm). En el SI la unitat de la longitud d'ona sonora és el nanòmetre (nm) 1 nm = 10^-9 m o el micròmetre (µm); 1 µm = 10^-6 m.

En òptica, (la llum és una radiació electromagnètica) la unitat de mesura de la longitud d'ona és l'angstrom.

Efecte Doppler

L'efecte Doppler consisteix en la variació de la freqüència de qualsevol ona emesa per un objecte en moviment en relació a un subjecte que està aturat. El canvi de freqüència ve donat per una variació de la longitud d'ona.

Un dels exemples més didàctics, és l'aproximació d'un tren fent sonar el xiulet. Mentre s'acosta el so del xiulet es percep més agut i quan s'allunya el so es percep més greu, tot i que el xiulet sempre està emetent amb el mateix to.

Periode (Periode d'ocil·lació)

El període d'oscil·lació és el temps transcorregut entre dos punts equivalents de l'oscil·lació (en la mateixa fase). Per exemple, en una ona sonora, el període és el temps transcorregut entre dos crestes o valls successius. Així, el període d'oscil·lació d'una ona és el temps emprat per la mateixa a completar una longitud d'ona.

Si parlem de senyals elèctriques, el període és el mínim interval de temps que separa dos instants en què el sistema es troba exactament en el mateix estat (mateixes posicions, mateixes velocitats, mateixes amplituds).

El període (T) és recíproc de la freqüència (f).

T = 1 / f.

Fase

El moment o punt en què dos senyals és troben en un instant determinat, una amb respecte l'altra, s'anomena fase. La fase d'ona expressa la posició relativa del pic, node o vall d'una ona, respecte a l'altra ona.

La fase es representa per la lletra grega Fi (f) i pot mesurar-se com un temps, una distància, o un angle (en graus). Quan eixa distància, temps o angle és zero, és diu que les ones estan en fase.

Al contrari, quan les ones no estan en fase, es diu que estan desfasades. És el que es coneix com Desfasament. Aquest desfasament hi pot produir distorsió en el so, inclús, anul·lar-lo per complet (interferència destructiva).

Ones en fase

Dues ones d'igual freqüència en igualtat de fase se sumen (interferència constructiva). El que sumen o resten és la seva amplitud.

Ones desfasades

Dues ones d'igual freqüència en una fase diametralment oposada (en contrafase), es resten (interferència destructiva). El que sumen o resten és la seva amplitud.

Ones en contrafase

El cas extrem, l'anul.lació de les ones es produeix quan aquestes són idèntiques i estan desfasades 180 graus (és a dir, en contrafase). Es diu que s´han cancel·lat.

Potència acústica

La potència acústica és la quantitat d'energia (potència) radiada per una font determinada en forma d'ones per unitat de temps.

La potència acústica ve determinada per la pròpia amplitud de l'ona, perquè quant major siga l'amplitud de l'ona, major és la quantitat d'energia (potència acústica) que genera.

La potència acústica és un valor intrínsec de la font i no depèn del local on es trobe. És a dir, el valor no canvia per estar en un local reverberant o en un de sec. El mesurament de la potència pot fer-se o en la font o a certa distància de la mateixa. S'ha de mesurar la pressió que les ones indueixen en el medi de propagació. En cada cas respectiu s'utilitzaria una unitat de potència acústica del SI diferent: En el cas de fer-ho en la font s'empra el watt (W). En el cas de fer-ho a certa distància s'empra la unitat de pressió el pascal(PA).

Nivell de potència acústica

És la percepció que té l'home de la potència acústica que és el que coneixem com a volum.

El nivell de potència acústica es mesura en decibels (dB). Les persones no perceben de forma lineal el canvi (augment/disminució) de la potència conforme s'acosten/allunyen de la font. La percepció de la potència és una sensació que és proporcional al logaritme d'eixa potència, per tant, és una relació logarítmica:

${L_{W}}=log{\frac {W_{1}}{W_{0}}}$

On W₁ és la potència a estudiar, i W₀ és la potència del llindar d'audició, que expressada en unitats del SI, equival a 10^-12 watts, i que es pren com a referència fixa.

La unitat per a mesurar aquest so seria el bel (B), però com és una unitat molt gran, s'utilitza normalment el seu submúltiple, el decibel (dB), per la qual cosa per a obtindre el resultat directament caldria multiplicar el segon terme de la fórmula per 10.

Atributs, característiques o qualitats del So

To

L'oïda humana és capaç de captar vibracions d'un ampli espectre de freqüències (aproximadament entre 20 i 20.000 hertzs), marge d'audiofreqüències que determina l'anomenat espectre audible. Tradicionalment, aqueste marge es subdivideix en tres franjes.

To greu, Baixa freqüència o Baixos

Els baixos, greus o tons greus són l'interval de les baixes freqüències que l'oïda humana és capaç d'interpretar. Aquest marge està comprès entre els 20 i 500 Hertz.

Tons Mitjos, Freqüències Mitjes o Mitjos

Els tons mitjos són aquells que es corresponen amb l'interval de freqüències intermèdies dins de l'espectre audible. Aquest interval se situa entre els 300 i els 2000 Hz.

Encara que parlem de freqüències mitjanes o intermèdies, cal tenir present que la seva missió principal és separar els aguts dels greus, per la qual cosa, en realitat, és un interval, relativament xicotet dins de les audiofreqüències que l'oïda humana és capaç de percebre i que va dels 20 als 20.000 Hertz.

To agut, Alta freqüència o Aguts

Els sons o tons aguts són els que componen la gamma d'altes freqüències de l'espectre audible que va dels 20 als 20.000 Hertzs, (audiofreqüències que l'oïda humana és capaç de captar).

Este interval d'altes freqüències o tons aguts està comprès entre els 5.000 i 20.000 Hertzs.

Intensitat

La intensitat del so es defineix com la quantitat d'energia (potència acústica) que travessa per segon una superfície que conté un so.

Depèn de l'amplitud de l'ona, perquè quant major siga l'amplitud de l'ona, major és la quantitat d'energia (potència acústica) que genera i, per tant, major és la intensitat del so.

Que es percep subjectivament que és el que es denomina sonoritat i permet ordenar sons en una escala del més fort al més dèbil.
Disminuïx amb la distància de la font. Disminuïx 6dB cada vegada que es duplica la distància a què es troba la font sonora (llei de la inversa del quadrat).

Timbre

El timbre, és la qualitat del so que permet distingir la font del mateix, perquè, a través del timbre l'home es capaç de diferenciar, dos sons d'igual freqüència (to) e intensitat. Aixina, el timbre és la qualitat del so que ens permet distingir la mateixa nota produïda per dos instruments musicals diferents.

Un Do emès per una flauta és distint al Do que emet una trompeta, encara que estiguen tocant la mateixa nota, perquè tenen distints harmònics. En la flauta, els harmònics sos xicotets en comparació amb la fonamental, mentres que en la trompeta els harmònics sos molt més marcats, per això la flauta té un so suau, mentres que la trompeta té un so estrident.

Físicament, el timbre és la qualitat que conferixen al so els harmònics que acompanyen a la freqüència fonamental. Estos harmònics generen variacions en l'ona sinusoïdal base.

Els sons simples o tons purs contenen una única freqüència. És el cas del diapasó de ganxo, utilitzat per a afinar instruments. No obstant, en la naturalesa, no hi ha eixe so pur, lliure d'harmònics.

El Teorema de Fourier afirma que qualsevol forma d'ona periòdica pot descompondré en una sèrie d'ones (harmònics) que té una freqüència que és múltiple de la freqüència de l'ona original (freqüència fonamental). Aixina, els harmònics sos múltiples de la freqüència fonamental, a la que acompanyen

El timbre veu determinat per la quantitat i intensitat estos harmònics. A vegades, com en el cas de l'oboè, estos harmònics poden ser més alts que la pròpia nota fonamental.

Els harmònics varien segons la font, segons el tipus d'instrument, segons el disseny del propi instrument, e, inclús, segons la forma de tocar este instrument. En un sentit figurat, podríem afirmar que els harmònics sos el “ADN” de cada so això es el timbre.