Ljud - Sound

Ljudmätningar
Ljudmätningar
Karakteristisk	Symboler
Ljudtryck	p , SPL, L PA
Partikelhastighet	v , SVL
Partikelförskjutning	δ
Ljudintensitet	Jag , SIL
Ljudkraft	P , SWL, L WA
Ljudenergi	W
Ljudenergitäthet	w
Ljudexponering	E , SEL
Akustisk impedans	Z
Ljudfrekvens	AF
Överföringsförlust	TL
	v; t; e;

En trumma producerar ljud via ett vibrerande membran

I fysiken är ljud en vibration som förökar sig som en akustisk våg , genom ett överföringsmedium som en gas, vätska eller fast substans.

I mänsklig fysiologi och psykologi är ljud mottagning av sådana vågor och deras uppfattning av hjärnan . Endast akustiska vågor som har frekvenser som ligger mellan cirka 20 Hz och 20 kHz, ljudfrekvensområdet , framkallar en hörseluppfattning hos människor. I luft vid atmosfärstryck representerar dessa ljudvågor med våglängder på 17 meter till 1,7 centimeter (0,67 tum). Ljudvågor över 20 kHz kallas ultraljud och hörs inte för människor. Ljudvågor under 20 Hz är kända som infraljud . Olika djurarter har olika hörselintervall .

Akustik

Akustik är den tvärvetenskapliga vetenskapen som behandlar studier av mekaniska vågor i gaser, vätskor och fasta ämnen, inklusive vibrationer , ljud, ultraljud och infraljud. En forskare som arbetar inom akustik är en akustiker , medan någon som arbetar inom akustik kan kallas för en akustisk ingenjör . En ljudingenjör , å andra sidan, är bekymrad över inspelning, manipulation, mixning och återgivning av ljud.

Tillämpningar av akustik finns i nästan alla aspekter av det moderna samhället, underdiscipliner inkluderar aeroakustik , ljudsignalbehandling , arkitektonisk akustik , bioakustik , elektroakustik, miljöbuller , musikalisk akustik , ljudkontroll , psykoakustik , tal , ultraljud , undervattensakustik och vibrationer .

Definition

Ljud definieras som "(a) Oscillation i tryck, spänning, partikelförskjutning, partikelhastighet, etc., förökad i ett medium med inre krafter (t.ex. elastisk eller viskös), eller överlagring av sådan förökad oscillation. (B) Auditiv känsla framkallad av oscillationen som beskrivs i (a). " Ljud kan ses som en vågrörelse i luft eller andra elastiska medier. I detta fall är ljud en stimulans. Ljud kan också ses som en excitation av hörselmekanismen som resulterar i uppfattningen av ljud. I detta fall är ljud en sensation .

Fysik

Spela media

Experimentera med två stämgafflar som oscillerar vanligtvis vid samma frekvens . En av gafflarna träffas med en gummerad klubba. Även om bara den första stämgaffeln har träffats, är den andra gaffeln synligt upphetsad på grund av oscillationen som orsakas av den periodiska förändringen i luftens tryck och densitet genom att träffa den andra gaffeln, vilket skapar en akustisk resonans mellan gafflarna. Men om vi lägger en metallbit på en tapp ser vi att effekten dämpas och excitationerna blir mindre och mindre uttalade eftersom resonans inte uppnås lika effektivt.

Ljud kan föröka sig genom ett medium som luft, vatten och fasta ämnen som längsgående vågor och även som en tvärgående våg i fasta ämnen . Ljudvågorna genereras av en ljudkälla, till exempel det vibrerande membranet i en stereohögtalare. Ljudkällan skapar vibrationer i det omgivande mediet. När källan fortsätter att vibrera mediet, sprider sig vibrationerna bort från källan med ljudets hastighet och bildar därmed ljudvågen. På ett bestämt avstånd från källan varierar trycket , hastigheten och förskjutningen av mediet i tid. På ett ögonblick varierar trycket, hastigheten och förskjutningen i rymden. Observera att partiklarna i mediet inte rör sig med ljudvågen. Detta är intuitivt uppenbart för ett fast ämne, och samma sak gäller för vätskor och gaser (det vill säga vibrationerna hos partiklar i gasen eller vätskan transporterar vibrationerna, medan partiklarnas genomsnittliga position över tid inte förändras). Under förökning kan vågor reflekteras , brytas eller dämpas av mediet.

Ljudutbredningens beteende påverkas i allmänhet av tre saker:

Ett komplext förhållande mellan densitet och tryck i mediet. Detta förhållande, påverkat av temperatur, bestämmer ljudets hastighet i mediet.
Rörelse av själva mediet. Om mediet rör sig kan denna rörelse öka eller minska ljudvågans absoluta hastighet beroende på rörelsens riktning. Till exempel kommer ljud som rör sig genom vinden att öka sin fortplantningshastighet med vindens hastighet om ljudet och vinden rör sig i samma riktning. Om ljudet och vinden rör sig i motsatta riktningar kommer ljudvågens hastighet att minska med vindens hastighet.
Mediets viskositet. Medelstor viskositet bestämmer med vilken hastighet ljudet dämpas. För många medier, till exempel luft eller vatten, är dämpning på grund av viskositet försumbar.

När ljud rör sig genom ett medium som inte har konstanta fysikaliska egenskaper kan det brytas (antingen dispergerat eller fokuserat).

Sfäriska kompressionsvågor (längsgående)

De mekaniska vibrationer som kan tolkas som ljud kan vandra genom alla former av materia : gaser, vätskor, fasta ämnen och plasma . Frågan som stöder ljudet kallas medium . Ljud kan inte färdas genom ett vakuum .

Vågor

Ljud överförs genom gaser, plasma och vätskor som längsgående vågor , även kallade kompressionsvågor . Det kräver ett medium för att sprida sig. Genom fasta ämnen kan den emellertid överföras som både längsgående vågor och tvärgående vågor . Longitudinella ljudvågor är vågor av alternerande tryckavvikelser från jämviktstrycket, vilket orsakar lokala regioner av komprimering och förtunning , medan transversella vågor (i fasta ämnen) är vågor av alternerande skjuvspänning i rät vinkel mot riktningen för utbrednings.

Ljudvågor kan ses med hjälp av paraboliska speglar och föremål som producerar ljud.

Den energi som bärs av ett oscillerande ljudvåg konverterar fram och tillbaka mellan den potentiella energin hos den extra kompression (i fallet med longitudinella vågor) eller sidoförskjutning stam (i fallet med transversella vågor) i frågan, och den kinetiska energin av förskjutningshastigheten av partiklar av mediet.

Längsgående planvåg

Tvärgående planvåg

Längsgående och tvärgående planvåg

En "tryck över tid" -graf för 20 ms inspelning av en klarinettton visar de två grundläggande elementen i ljudet: Tryck och tid.

Ljud kan representeras som en blandning av deras komponent Sinusformade vågor med olika frekvenser. Bottenvågorna har högre frekvenser än de ovan. Den horisontella axeln representerar tiden.

Även om det finns många komplexiteter när det gäller överföring av ljud, vid mottagningspunkten (dvs. öronen), kan ljud lätt delas upp i två enkla element: tryck och tid. Dessa grundläggande element utgör grunden för alla ljudvågor. De kan användas för att i absoluta termer beskriva varje ljud vi hör.

För att förstå ljudet mer fullständigt, är en komplex våg som den som visas i en blå bakgrund till höger om denna text vanligtvis åtskild i dess komponentdelar, som är en kombination av olika ljudvågfrekvenser (och brus).

Ljudvågor är ofta förenklas till en beskrivning i form av sinusformade plana vågor , vilka kännetecknas av dessa generiska egenskaper:

Ljud som kan märkas av människor har frekvenser från cirka 20 Hz till 20 000 Hz. I luft vid standardtemperatur och -tryck sträcker sig motsvarande våglängder för ljudvågor från 17 m (56 fot) till 17 mm (0,67 tum). Ibland hastighet och riktning är kombinerade som en hastighetsvektor ; vågnummer och riktning kombineras som en vågvektor .

Tvärgående vågor , även kända som skjuvvågor , har den extra egenskapen, polarisering , och är inte en egenskap hos ljudvågor.

Fart

US Navy F/A-18 närmar sig ljudets hastighet. Den vita halogen bildas av kondenserade vattendroppar som antas bero på en minskning av lufttrycket runt flygplanet (se Prandtl – Glauert singularitet ).

Ljudets hastighet beror på det medium vågorna passerar genom och är en grundläggande egenskap hos materialet. Den första betydande insatsen för att mäta ljudets hastighet gjordes av Isaac Newton . Han trodde att ljudets hastighet i ett visst ämne var lika med kvadratroten av trycket som verkar på det dividerat med dess densitet:

{\ displaystyle c = {\ sqrt {\ frac {p} {\ rho}}}.}

Detta visade sig senare vara felaktigt och den franska matematikern Laplace korrigerade formeln genom att dra slutsatsen att fenomenet ljudresande inte är isotermiskt, som Newton tror, utan adiabatiskt . Han lade till en annan faktor i ekvationen - gamma - och multipliceras med och kom därmed med ekvationen . Sedan kom den slutliga ekvationen till , som också kallas Newton – Laplace -ekvationen. I denna ekvation är K den elastiska bulkmodulen, c är ljudets hastighet och är densiteten. Således är ljudets hastighet proportionell mot kvadratroten av förhållandet mellan massens modulmodul och dess densitet. ${\ displaystyle {\ sqrt {\ gamma}}}$ ${\ displaystyle {\ sqrt {p/\ rho}}}$ ${\ displaystyle c = {\ sqrt {\ gamma \ cdot p/\ rho}}}$ ${\ displaystyle K = \ gamma \ cdot p}$ ${\ displaystyle c = {\ sqrt {K/\ rho}}}$ ${\ displaystyle \ rho}$

Dessa fysiska egenskaper och ljudets hastighet förändras med omgivande förhållanden. Till exempel beror ljudets hastighet i gaser på temperaturen. I 20 ° C (68 ° F) luft vid havsnivå är ljudets hastighet cirka 343 m/s (1230 km/h; 767 mph) med formeln v  [m/s] = 331 + 0,6  T  [° C ] . Ljudets hastighet är också något känslig, föremål för en andra ordningens anharmoniska effekt, för ljudamplituden, vilket innebär att det finns icke-linjära utbredningseffekter, till exempel produktion av övertoner och blandade toner som inte finns i originalljudet ( se parametrisk matris ). Om relativistiska effekter är viktiga beräknas ljudets hastighet utifrån de relativistiska Euler -ekvationerna .

I sötvatten är ljudets hastighet cirka 1 482 m/s (5 335 km/h; 3 315 mph). I stål är ljudets hastighet cirka 5 960 m/s (21 460 km/h; 13 330 mph). Ljud rör sig snabbast i fast atomväte med cirka 36 000 m/s (129 600 km/h; 80 530 mph).

Ljudtrycksnivå

Ljudtryck är skillnaden, i ett givet medium, mellan genomsnittligt lokalt tryck och trycket i ljudvågen. En kvadrat med denna skillnad (dvs en kvadrat av avvikelsen från jämviktstrycket) är vanligtvis medelvärde över tid och/eller utrymme, och en kvadratrot av detta medelvärde ger ett rotmedelvärdeskvadrat (RMS) -värde. Till exempel innebär 1 Pa RMS ljudtryck (94 dBSPL) i atmosfärisk luft att det faktiska trycket i ljudvågen pendlar mellan (1 atm Pa) och (1 atm Pa), det vill säga mellan 101323,6 och 101326,4 Pa. Som det mänskliga örat kan detektera ljud med ett brett spektrum av amplituder, mäts ljudtrycket ofta som en nivå på en logaritmisk decibelskala . Den ljudtrycksnivå (SPL) eller L _p definieras som ${\ displaystyle -{\ sqrt {2}}}$ ${\ displaystyle +{\ sqrt {2}}}$

{\ displaystyle L _ {\ mathrm {p}} = 10 \, \ log _ {10} \ left ({\ frac {{p}^{2}} {{p _ {\ mathrm {ref}}}^{2 }}} \ höger) = 20 \, \ log _ {10} \ vänster ({\ frac {p} {p _ {\ mathrm {ref}}}} \ höger) {\ mbox {dB}} \,}

där p är rot-medelkvadratisk ljudtryck och är ett referensljudtryck. Vanligt använda referensljudtryck, definierade i standarden ANSI S1.1-1994 , är 20 µPa i luft och 1 µPa i vatten. Utan ett specifikt referensljudtryck kan ett värde uttryckt i decibel inte representera en ljudtrycksnivå.

{\ displaystyle p _ {\ mathrm {ref}}}

Eftersom det mänskliga örat inte har en platt spektral respons , frekvensvägs ljudtrycket ofta så att den uppmätta nivån matchar uppfattade nivåer närmare. Den International Electrotechnical Commission (IEC) har definierat flera viktningssystem. A-viktningsförsök att matcha det mänskliga örats reaktion på buller och A-vägda ljudtrycksnivåer är märkta dBA. C-viktning används för att mäta toppnivåer.

Uppfattning

En distinkt användning av termen ljud från dess användning i fysik är den inom fysiologi och psykologi, där termen hänvisar till ämnet uppfattning av hjärnan. Fältet psykoakustik är tillägnat sådana studier. Websters ordbok från 1936 definierade ljud som: "1. Känslan av hörsel, det som hörs; specificerar: a. Psykofysik. Känsla på grund av stimulering av hörselnerver och hörselcentra i hjärnan, vanligtvis av vibrationer som överförs i ett materialmedium , vanligen luft, påverkar hörselorganet. b. Fysik. Vibrationsenergi som ger en sådan känsla. Ljud sprids av progressiva längsgående vibrationsstörningar (ljudvågor). " Det betyder att det korrekta svaret på frågan: " om ett träd faller i skogen utan att någon hör det falla, ger det ett ljud? " Är "ja" och "nej", beroende på om det besvaras med hjälp av fysisk eller psykofysisk definition.

Den fysiska mottagningen av ljud i en hörselorganism är begränsad till ett frekvensområde. Människor hör normalt ljudfrekvenser mellan cirka 20 Hz och 20 000 Hz (20 kHz ). Den övre gränsen minskar med åldern. Ibland avser ljud endast de vibrationer med frekvenser som ligger inom hörselområdet för människor eller ibland relaterar det till ett visst djur. Andra arter har olika hörselnivåer. Till exempel kan hundar uppfatta vibrationer högre än 20 kHz.

Som en signal som uppfattas av en av de stora sinnena används ljud av många arter för att upptäcka fara , navigering , predation och kommunikation. Jordens atmosfär , vatten och praktiskt taget alla fysiska fenomen , såsom eld, regn, vind, surf eller jordbävning, producerar (och kännetecknas av) dess unika ljud. Många arter, som grodor, fåglar, marina och marklevande däggdjur , har också utvecklat speciella organ för att producera ljud. Hos vissa arter producerar dessa sång och tal . Dessutom har människor utvecklat kultur och teknik (som musik, telefon och radio) som gör att de kan generera, spela in, överföra och sända ljud.

Buller är en term som ofta används för att hänvisa till ett oönskat ljud. Inom vetenskap och teknik är buller en oönskad komponent som döljer en önskad signal. Men i ljuduppfattning kan det ofta användas för att identifiera källan till ett ljud och är en viktig komponent i klanguppfattningen (se ovan).

Ljudlandskap är komponenten i den akustiska miljön som kan uppfattas av människor. Den akustiska miljön är en kombination av alla ljud (oavsett om de hörs för människor eller inte) inom ett visst område som modifierats av miljön och förstås av människor, i samband med den omgivande miljön.

Det finns historiskt sex experimentellt separerbara sätt på vilka ljudvågor analyseras. De är: tonhöjd , varaktighet , ljudstyrka , klang , sonisk textur och rumslig plats . Några av dessa termer har en standardiserad definition (till exempel i ANSI Acoustical Terminology ANSI/ASA S1.1-2013 ). Nyare tillvägagångssätt har också betraktat tidsmässigt hölje och tidsmässig fin struktur som perceptuellt relevanta analyser.

Tonhöjd

Figur 1. Pitch -uppfattning

Pitch uppfattas som hur "låg" eller "hög" ett ljud är och representerar den cykliska, repetitiva naturen hos vibrationerna som utgör ljud. För enkla ljud avser tonhöjden frekvensen för den långsammaste vibrationen i ljudet (kallas den grundläggande övertonen). Vid komplexa ljud kan tonuppfattningen variera. Ibland identifierar individer olika tonhöjden för samma ljud, baserat på deras personliga erfarenhet av särskilda ljudmönster. Val av en viss tonhöjd bestäms av förmedveten undersökning av vibrationer, inklusive deras frekvenser och balansen mellan dem. Särskild uppmärksamhet ägnas åt att känna igen potentiella övertoner. Varje ljud placeras på en tonhöjdskontinuum från låg till hög. Till exempel: vitt brus (slumpmässigt brus fördelat jämnt över alla frekvenser) låter högre i tonhöjd än rosa brus (slumpmässigt brus jämnt fördelat över oktaver) eftersom vitt brus har mer högfrekvent innehåll. Figur 1 visar ett exempel på tonhöjdsigenkänning. Under lyssningsprocessen analyseras varje ljud för ett upprepande mönster (se figur 1: orange pilar) och resultaten vidarebefordras till hörselbarken som en enda tonhöjd med en viss höjd (oktav) och chroma (notnamn).

Varaktighet

Figur 2. Varaktighetsuppfattning

Varaktighet uppfattas som hur "långt" eller "kort" ett ljud är och relaterar till debut- och offset -signaler som skapas av nervsvar på ljud. Längden på ett ljud varar vanligtvis från det att ljudet först märks tills ljudet har identifierats som ändrat eller upphört. Ibland är detta inte direkt relaterat till ljudets fysiska varaktighet. Till exempel; i en bullrig miljö kan gappade ljud (ljud som stannar och startar) låta som om de är kontinuerliga eftersom offsetmeddelanden missas på grund av störningar från ljud i samma allmänna bandbredd. Detta kan vara till stor nytta för att förstå förvrängda meddelanden som radiosignaler som lider av störningar, eftersom (på grund av denna effekt) meddelandet hörs som om det var kontinuerligt. Figur 2 ger ett exempel på varaktighetsidentifiering. När ett nytt ljud märks (se figur 2, gröna pilar) skickas ett ljudmeddelande till hörselbarken. När det upprepade mönstret saknas skickas ett ljudförskjutningsmeddelande.

Högljuddhet

Figur 3. Loudness -uppfattning

Högljud uppfattas som hur "högt" eller "mjukt" ett ljud är och relaterar till det totala antalet hörselnerven stimulationer under korta cykliska tidsperioder, troligtvis under varaktigheten av theta våg cykler. Detta innebär att vid kort varaktighet kan ett mycket kort ljud låta mjukare än ett längre ljud även om de presenteras på samma intensitetsnivå. Under cirka 200 ms är detta inte längre fallet och ljudets varaktighet påverkar inte längre ljudets uppenbara högtalning. Figur 3 ger ett intryck av hur information om ljudstyrka summeras under en period av cirka 200 ms innan den skickas till hörselbarken. Högre signaler skapar ett större "tryck" på Basilar -membranet och stimulerar därmed fler nerver, vilket skapar en starkare ljudstyrkesignal. En mer komplex signal skapar också fler nervbränningar och låter så högre (för samma vågamplitud) än ett enklare ljud, till exempel en sinusvåg.

Klangfärg

Figur 4. Timbre -uppfattning

Klangfärgen uppfattas som kvaliteten på olika ljud (t.ex. dunkning av en fallen sten, borrens sus, ton i ett musikinstrument eller röstkvalitet) och representerar den förmedvetna tilldelningen av en sonisk identitet till en ljud (t.ex. ”det är en obo!”). Denna identitet är baserad på information som erhållits från frekvenstransienter, buller, ostadighet, uppfattad tonhöjd och spridning och intensitet av övertoner i ljudet över en längre tidsram. tid (se figur 4) ger det mesta av informationen för klangidentifiering. Även om en liten del av vågformen från varje instrument ser väldigt lik ut (se de expanderade sektionerna som indikeras av de orangefärgade pilarna i figur 4), skillnader i förändringar över tid mellan klarinett och piano är tydliga i både ljudstyrka och harmoniskt innehåll. Mindre märkbara är de olika ljud som hörs, till exempel väsande väsningar för klarinetten och slag mot piano.

Textur

Sonisk textur avser antalet ljudkällor och interaktionen mellan dem. Ordet textur , i detta sammanhang, avser den kognitiva separationen av hörselobjekt. I musik kallas textur ofta för skillnaden mellan unison , polyfoni och homofoni , men det kan också relatera (till exempel) till ett hektiskt kafé; ett ljud som kan kallas kakofoni .

Rymlig plats

Rumslig plats (se: Ljudlokalisering ) representerar den kognitiva placeringen av ett ljud i ett miljösammanhang; inklusive placering av ett ljud på både det horisontella och vertikala planet, avståndet från ljudkällan och egenskaperna hos den soniska miljön. I en tjock konsistens är det möjligt att identifiera flera ljudkällor med hjälp av en kombination av rumslig plats och klangidentifiering. Detta är den främsta anledningen till att vi kan välja ljudet av en obo i en orkester och orden från en enda person på ett cocktailparty.

Ultraljud

Ungefärliga frekvensområden motsvarande ultraljud, med grov vägledning för vissa applikationer

Ultraljud är ljudvågor med frekvenser högre än 20000 Hz. Ultraljud skiljer sig inte från hörbart ljud i sina fysiska egenskaper, det kan bara inte höras av människor. Ultraljudsenheter fungerar med frekvenser från 20 kHz upp till flera gigahertz.

Medicinsk ultraljud används vanligtvis för diagnostik och behandling.

Infraljud

Infraljud är ljudvågor med lägre frekvenser än 20 Hz. Även om ljud med så låg frekvens är för låga för att människor ska höra, kan valar, elefanter och andra djur upptäcka infraljud och använda det för att kommunicera. Den kan användas för att upptäcka vulkanutbrott och används i vissa typer av musik.

Se även

Ljudkällor

Ljudmätning

Allmän

Akustisk teori
Slå
Doppler -effekt
Eko
Infraljud - ljud vid extremt låga frekvenser
Lista över oförklarliga ljud
Musikalisk ton
Resonans
Eko
Soniskt vapen
Ljudsyntes
Ljudisolering
Strukturell akustik

Languages

In other projects