So/Propagació del so

< So
Salta a la navegació Salta a la cerca

Propagació del so[modifica]

El so es propaga en forma d'ones sonores que son ones mecàniques, longitudinals i tridimensionals.

Per tant, el so, com a ona mecànica, no pot desplaçar-se en buit, necessiten fer-ho a través d'un medi material: gas (aire), líquid (aigua) o cos sòlid. L'existència d'un medi material no es suficient. Es requerix que aquest sigui elàstic. Un medi rígid no permet la transmissió del so, perquè no permet les vibracions i, com hem vist, la propagació de la pertorbació es produïx per la compressió i expansió del medi. És a dir, l'elasticitat del medi permet que cada partícula transmeta la pertorbació a la partícula adjacent, donant orige a un moviment en cadena.

D'altra banda, que el so siga una ona longitudinal implica que el moviment de les partícules que transporta l'ona es produïx en la mateixa direcció de propagació de l'ona.

Per últim, hem definit l'ona sonora como esfèrica o tridimensionals, és a dir, es una ona que es mou en tres direccions i els seus fronts d'ones són esferes radials que ixen de la font de pertorbació en totes les direccions. El principi de Huygens asevera que cadascun dels punts d'un front d'ones esfèriques pot ser considerat com un nou focus emissor d'ones secundàries també esfèriques, que com l'originària, avançaran en el sentit de la pertorbació amb la mateixa velocitat i freqüència que l'ona primària.

Diffusion rayleigh et diffraction.png

Principi de Huygens

Velocitat del so[modifica]

La velocitat de propagació de l'ona sonora (velocitat del so) depèn de les característiques del medi on es propaga i no de les característiques de l'ona o de la força que la genera.

Malgrat que la velocitat del so no depèn del to (freqüència) ni de la longitud d'ona ni de cap altre paràmetre físic, sí que és important la seua atenuació. Este fenomen s'explica per la llei quadràtica inversa que asevera que cada vegada que s'augmenta al doble la distància a la font sonora, la intensitat sonora disminuïx.

En general, la velocitat del so és major en els sòlids que en els líquids i en els líquids major que en els gasos:

  • La velocitat del so en l'aire (a una temperatura de 20 graus) és de 340 m/s.
  • En l'aigua és de 1.600 m/s.
  • En la fusta és de 3.900 m/s.
  • En l'acer és de 6.000 m/s.

La velocitat del so varia davant dels canvis de temperatura del medi. Açò es deu al fet que un augment de la temperatura es traduïx amb un augment de la freqüència amb què es produïxen les interaccions entre les partícules que transporten la vibració i aquest augment d'activitat fa que augmente la velocitat. Per exemple, sobre una superfície nevada, el so és capaç de desplaçar-se travessant grans distàncies. Açò és possible gràcies a les refraccions produïdes davall la neu, que no és medi uniforme. Cada capa de neu té una temperatura diferent. Les més profundes, on no arriba la llum solar, estan més fredes que les superficials. En aquestes capes més fredes pròximes al sòl, el so es propaga amb menor velocitat.

Fenòmens físics que afecten a la propagació del so[modifica]

Reflexió[modifica]

La ona blava es l'incident; la roja, la reflectida

Una ona quan topa amb un obstacle que no pot traspassar ni rodejar es reflectix (rebota al medi del qual prové).

EL tamany de l'obstacle i la longitud d'ona determinen si una ona rodeja l'obstacle o rebota cap a la direcció de què provenia.

Si l'obstacle és xicotet en relació amb la longitud d'ona, el so el rodejara (difracció), en canvi, si succeïx el contrari, el so rebota (reflexió).

Si l'ona rebota, l'angle de l'ona reflectida és igual a l'angle de l'ona incident, de manera que si una ona sonora incidix perpendicularment sobre la superfície reflectint-se, torna sobre si mateixa.

Sonar Principle DE.svg

La reflexió no actua igual sobre les altes freqüències que sobre les baixes. El que es deu al fet que la longitud d'ona de les baixes freqüències és molt gran (poden aconseguir els 18 metres), per la qual cosa són capaç de rodejar la majoria d'obstacles.

En acústica esta propietat de les ones és àmpliament coneguda i aprofitada. No sols per a aïllar, sinó també per a dirigir el so cap a l'auditori per mitjà de plaques reflectores (reflectors i tornaveus).

Fenòmens relacionats amb la reflexió són:

  • Ones estacionàries
  • Eco
  • Reverberació

Ones estacionàries[modifica]

Una ona estacionària es produïx per la suma d'una ona i la seua ona reflectida sobre un mateix eix. Depenent com coincidisquen les fases de l'ona incident i de la reflectida, es produirà una modificació del so (augmenta l'amplitud o disminuïx), per la qual cosa el so resultant pot resultar desagradable. En determinades circumstàncies, l'ona estacionària pot fer que la sala entre en ressonància. És un fenomen relacionat amb la reflexió del so.

Quan la longitud d'ona de l'estacionària és igual a una de les dimensions d'una sala (llarg, alt o ample), es diu que la sala està en ressonància. L'efecte és encara més desagradable si és el cas. Hi ha punts on no arriba cap so (interferència destructiva) i altres on l'amplitud es doblega (interferència constructiva) . Gràficament, si vérem l'ona voríem que la sinusoide ha desaparegut i l'ona ha adquirit forma de dents de serra.

L'ona estacionària també s'anomena eigentò o mode de la sala.

Eco[modifica]

El senyal acústic original s'ha extingit, però encara ens és tornat so en forma d'ona reflectida. L'eco s'explica perquè l'ona reflectida ens arriba en un temps superior al de la persistència acústica.

Es produïx eco quan l'ona sonora es reflectix perpendicularment en una paret. Perquè es produïsca eco, la superfície reflectora ha d'estar separada del focus sonor una determinada distància: 17 metres per a sons musicals i 11.34 metres per a sons secs, la qual cosa es deu a la persistència acústica.

L'oïda pot distingir separadament sensacions que estiguen per damunt del temps de persistència acústica, que és 0.1 segons per a sons musicals i 0.07 segons per a sons secs (paraula). Per tant, si l'oïda capta un so directe i, després dels temps de persistència especificats, capta el so reflectit, s'apreciarà l'efecte de l'eco.

Reverberació[modifica]

Semblant a l'eco. Es produïx reverberació quan les ones reflectides arriben a l'oient abans de l'extinció de l'ona directa, és a dir, en un temps menor que el de persistència acústica de l'oïda. Estes ones reflectides tindràn un retardament no superior a 1/10 de segon o de 17 metres, que és el valor de la persistència acústica. Quan el reptat és major i no parlem de reverberació, sinó d'eco.

En un recinte xicotet la reverberació pot resultar inapreciable, però quant major és el recinte, millor percep l'oïda este retarde o lleugera prolongació del so.

Per a determinar com és la reverberació en un determinat recinte s'utilitza un paràmetre fisc conegut com a temps de reverberació que mesura la persistència del so en una sala després de cessar la font.

Absorció[modifica]

Quan una ona sonora arriba a una superfície, la major part de la seua energia es reflectix, però un percentatge d'esta és absorbida pel nou medi. Tots els mitjans absorbixen un percentatge d'energia que propaguen, cap és completament opac.

En relació amb l'absorció ha de tindre's en compte:

  • El coeficient d'absorció que indica la quantitat de so que absorbix una superfície en relació amb què reflectix.
  • La freqüència crítica és la freqüència a partir de la qual una paret rígida comença a absorbir part de l'energia de les ones incidents.

Coeficient d'absorció[modifica]

El coeficient d'absorció o d'atenuació es definix com el quocient entre l'energia incident i l'energia absorbida per una superfície o substància'. Normalment, s'expressa en una escala de 0 a 1. Com este valor variarà per a cada freqüència, no es pot parlar d'un coeficient únic.

El coeficient d'absorció cal tindre'l en compte a l'hora de condicionar acústicament una sala amb materials que absorbisquen el so, tant pel que fa a l'interior, com al seu aïllament de l'exterior.

Freqüència crítica[modifica]

Teòricament, quan una ona arriba a una medi rígid es reflectix totalment. Almenys, això hauria de succeir en una paret rígida ideal. No obstant això, en la realitat, com hen vist, cap substància és completament rígida.

La quantitat d'energia absorbida dependrà de la freqüència. La freqüència crítica és la freqüència a partir de la qual un obstacle rígid comença a absorbir part de l'energia de les ones incidents. Esta freqüència crítica dependrà del gruix de l'obstacle. A major gruix, la freqüència incident tindrà menor capacitat de penetració.

Refracció[modifica]

C1, és el so incident; C2, el refractat

És la desviació que sofrixen les ones sonores en la direcció de la seua propagació, quan el so passa d'un medi a un altre diferent. La refracció es deu al fet que al canviar de medi, canvia la velocitat de propagació del so.

La refracció també pot produir-se dins d'un mateix medi, quan les característiques d'este no són homogenis, per exemple, quan d'un punt a un altre d'un medi augmenta o disminuïx la temperatura. Per exemple, sobre una superfície nevada, el so és capaç de desplaçar-se travessant grans distàncies. Açò és possible gràcies a les refraccions produïdes davall la neu, que no és medi uniforme. Cada capa de neu té una temperatura diferent. Les més profundes, on no arriba el sol, estan més fies que les superficials. En estes capes més fredes pròximes al sòl, el so es propaga amb menor velocitat.

A diferència del fenomen de la reflexió, en la refracció, l'angle de refracció ja no és igual al d'incidència.

Difracció o Dispersió[modifica]

Parlem de difracció quan el so en compte de seguir en la direcció normal, es dispersa.

L'explicació la trobem en el Principi de Huygens que establix que qualsevol punt d'un front d'ones és suceptible de convertir-se en un nou focus emissor d'ones idèntiques a la que el va originar. D'acord amb este principi , quan l'ona incideix sobre una obertura o un obstacle que impedix la seva propagació, tots els punts del seu pla es convertixen en fonts secundàries d'ones, emetent noves ones, denominades ones difractades.

La difracció es pot produir per dos motius diferents:

  1. Perquè una ona sonora troba al seu pas un xicotet obstacle i el rodeja. Les baixes freqüències són rodejen els obstacles amb més facilitat que les altes. Açò és possible, perquè les longituds d'ona en l'espectre audible estan entre 3 cm i 12 m, per la qual cosa són prou grans per a superar la major part dels obstacles que troben.
  2. Perquè una ona sonora topa amb un xicotet forat i el travessa. La quantitat de difracció estarà en funció de la mida de la pròpia obertura i de la longitud d'ona.
  • Si una obertura és gran en comparació amb la longitud d'ona, l'efecte de la difracció és xicotet. L'ona es propaga en línies rectes o raigs, com la llum.
  • Quan la mida de l'obertura és considerable en comparació amb la longitud d'ona, els efectes de la difracció són grans i el so es comporta com si fóra una llum que procedix d'una font puntual localitzada en l'obertura.