Obiettivi formativi
Alla fine di questa sezione, sarai in grado di:
- Definire intensità, intensità del suono e livello di pressione sonora.
- Calcolare i livelli di intensità del suono in decibel (dB).
Figura 1. Il rumore su strade affollate come questa a Delhi rende difficile sentire gli altri a meno che non gridino. (credito: Lingaraj G J, Flickr)
In una foresta tranquilla, a volte puoi sentire una singola foglia cadere a terra., Dopo esserti sistemato nel letto, potresti sentire il tuo sangue pulsare attraverso le orecchie. Ma quando un automobilista di passaggio ha il suo stereo alzato, non si può nemmeno sentire quello che la persona accanto a voi nella vostra auto sta dicendo. Siamo tutti molto familiari con il volume dei suoni e consapevoli che sono legati a quanto energeticamente la fonte vibra. Nei cartoni animati raffiguranti una persona urlante (o un animale che fa un forte rumore), il fumettista mostra spesso una bocca aperta con un’ugola vibrante, il tessuto appeso sul retro della bocca, per suggerire un suono forte proveniente dalla gola Figura 2., L’elevata esposizione al rumore è pericolosa per l’udito ed è comune per i musicisti avere perdite uditive sufficientemente gravi da interferire con le capacità dei musicisti di esibirsi. La quantità fisica rilevante è l’intensità del suono, un concetto valido per tutti i suoni indipendentemente dal fatto che si trovino o meno nell’intervallo udibile.
L’intensità è definita come la potenza per unità di area trasportata da un’onda. La potenza è la velocità con cui l’energia viene trasferita dall’onda. In forma di equazione, intensità I è I= \ frac{P} {A}\\, dove P è la potenza attraverso un’area A. L’unità SI per I è W / m2., L’intensità di un’onda sonora è correlata alla sua ampiezza al quadrato dalla seguente relazione:
\displaystyle{I}=\frac{\left(\Delta{p}\right)^2}{2\rho{v}_{\text{w}}}\\.
Qui Δp è la variazione di pressione o ampiezza di pressione (metà della differenza tra la pressione massima e minima nell’onda sonora) in unità di pascal (Pa) o N/m2. (Stiamo usando una p minuscola per la pressione per distinguerla dalla potenza, indicata con P sopra.,) L’energia (come energia cinetica \ frac{mv^2}{2}\\) di un elemento oscillante dell’aria a causa di un’onda sonora viaggiante è proporzionale alla sua ampiezza al quadrato. In questa equazione, ρ è la densità del materiale in cui viaggia l’onda sonora, in unità di kg/m3, e vw è la velocità del suono nel mezzo, in unità di m/s. La variazione di pressione è proporzionale all’ampiezza dell’oscillazione, e quindi I varia come (Δp)2 (Figura 2)., Questa relazione è coerente con il fatto che l’onda sonora è prodotta da una certa vibrazione; maggiore è la sua ampiezza di pressione, più l’aria viene compressa nel suono che crea.
Figura 2. Grafici delle pressioni di gauge in due onde sonore di diversa intensità. Il suono più intenso è prodotto da una sorgente che ha oscillazioni di ampiezza maggiore e ha massimi e minimi di pressione maggiori. Poiché le pressioni sono più alte nel suono di maggiore intensità, può esercitare forze più grandi sugli oggetti che incontra.,
I livelli di intensità del suono sono citati in decibel (dB) molto più spesso delle intensità del suono in watt per metro quadrato. I decibel sono l’unità di scelta nella letteratura scientifica e nei media popolari. Le ragioni di questa scelta di unità sono legate al modo in cui percepiamo i suoni. Come le nostre orecchie percepiscono il suono può essere descritto più accuratamente dal logaritmo dell’intensità piuttosto che direttamente all’intensità., Il livello di intensità sonora β in decibel di un suono avente un’intensità I in watt per metro quadrato è definito come \ beta \ left (\text{dB}\right)=10\log_{10}\left (\frac{I}{I_0}\ right)\\, dove I0 = 10-12 W/m2 è un’intensità di riferimento. In particolare, I0 è l’intensità più bassa o soglia del suono che una persona con udito normale può percepire a una frequenza di 1000 Hz. Livello di intensità del suono non è la stessa intensità. Poiché β è definito in termini di rapporto, è una quantità senza unità che indica il livello del suono rispetto a uno standard fisso (10-12 W/m2, in questo caso)., Le unità di decibel (dB) sono utilizzate per indicare che questo rapporto è moltiplicato per 10 nella sua definizione. Il bel, su cui si basa il decibel, prende il nome da Alexander Graham Bell, l’inventore del telefono.
| Tabella 1.,tory, sirena a 30 m; danni da 8 h al giorno di esposizione | ||
|---|---|---|
| 110 | 1 × 10-1 | Danno da 30 min al giorno di esposizione |
| 120 | 1 | Rumoroso concerto rock, pneumatici cippatrice a 2 m; soglia del dolore |
| 140 | 1 × 102 | Jet aereo a 30 m; grave dolore, danni in pochi secondi |
| 160 | 1 × 104 | rottura di timpani |
Il livello di decibel di un suono con la soglia di intensità di 10-12 W/m2 è β = 0 dB, perché log101 = 0., Cioè, la soglia dell’udito è di 0 decibel. La tabella 1 fornisce livelli in decibel e intensità in watt per metro quadrato per alcuni suoni familiari.
Una delle cose più sorprendenti sulle intensità nella Tabella 1 è che l’intensità in watt per metro quadrato è piuttosto piccola per la maggior parte dei suoni. L’orecchio è sensibile a un trilionesimo di watt per metro quadrato-ancora più impressionante quando ti rendi conto che l’area del timpano è solo di circa 1 cm2, così che solo 10-16 W cade su di esso alla soglia dell’udito!, Le molecole d’aria in un’onda sonora di questa intensità vibrano su una distanza inferiore a un diametro molecolare e le pressioni di gauge coinvolte sono inferiori a 10-9 atm.
Un’altra caratteristica impressionante dei suoni nella Tabella 1 è la loro gamma numerica. L’intensità del suono varia di un fattore di 1012 dalla soglia a un suono che provoca danni in pochi secondi. Non siete a conoscenza di questa enorme gamma di intensità del suono, perché come le orecchie rispondono può essere descritto approssimativamente come il logaritmo di intensità., Pertanto, i livelli di intensità del suono in decibel si adattano meglio alla tua esperienza rispetto alle intensità in watt per metro quadrato. La scala di decibel è anche più facile da relazionarsi perché la maggior parte delle persone è più abituata a trattare con numeri come 0, 53 o 120 rispetto a numeri come 1,00 × 10-11.
Va notato a questo punto che esiste un’altra scala di decibel in uso, chiamata livello di pressione sonora, basata sul rapporto tra l’ampiezza della pressione e una pressione di riferimento. Questa scala è utilizzata particolarmente nelle applicazioni dove il suono viaggia in acqua., È al di là dello scopo della maggior parte dei testi introduttivi per trattare questa scala perché non è comunemente usato per i suoni in aria, ma è importante notare che molto diversi livelli di decibel possono essere incontrati quando i livelli di pressione sonora sono citati. Ad esempio, l’inquinamento acustico degli oceani prodotto dalle navi può essere grande come 200 dB espresso nel livello di pressione sonora, dove il livello di intensità sonora più familiare che usiamo qui sarebbe qualcosa sotto 140 dB per lo stesso suono.
Take-Home Investigation: Sentire il suono
Trova un lettore CD e un CD con musica rock., Posizionare il lettore su un tavolo luminoso, inserire il CD nel lettore e iniziare a riprodurre il CD. Posizionare delicatamente la mano sul tavolo accanto agli altoparlanti. Aumenta il volume e nota il livello quando il tavolo inizia a vibrare mentre suona la musica rock. Aumentare la lettura sul controllo del volume fino a quando non raddoppia. Cosa è successo alle vibrazioni?
Verifica la tua comprensione
Parte 1
Descrivi come l’ampiezza è correlata al volume di un suono.
Soluzione
L’ampiezza è direttamente proporzionale all’esperienza del volume., All’aumentare dell’ampiezza, aumenta il volume.
Parte 2
Identifica i suoni comuni ai livelli di 10 dB, 50 dB e 100 dB.
Soluzione
10 dB: facendo scorrere le dita tra i capelli.
50 dB: All’interno di una casa tranquilla senza televisione o radio.
100 dB: Decollo di un aereo a reazione.
Riassunto della sezione
Domande concettuali
- Sei membri di una squadra di nuoto sincronizzato indossano tappi per le orecchie per proteggersi dalla pressione dell’acqua in profondità, ma possono comunque ascoltare la musica ed eseguire perfettamente le combinazioni in acqua., Un giorno, è stato chiesto loro di lasciare la piscina in modo che il team di immersione potesse praticare alcune immersioni, e hanno cercato di esercitarsi su un tappetino, ma sembravano avere molte più difficoltà. Perché questo potrebbe essere?
- Una comunità è preoccupata per un piano per portare il servizio ferroviario al loro centro dalla periferia della città. Il livello di intensità sonora attuale, anche se il cantiere ferroviario è isolati di distanza, è di 70 dB in centro. Il sindaco assicura al pubblico che ci sarà una differenza di soli 30 dB nel suono nell’area del centro. I cittadini dovrebbero essere preoccupati? Perché?,
Problemi& Esercizi
- Qual è l’intensità in watt per metro quadrato del suono di 85,0 dB?
- Il tag di avviso su un tosaerba indica che produce rumore a un livello di 91,0 dB. Cos’è questo in watt per metro quadrato?
- Un’onda sonora che viaggia in aria a 20ºC ha un’ampiezza di pressione di 0,5 Pa. Qual è l’intensità dell’onda?
- A quale livello di intensità corrisponde il suono nel problema precedente?
- Quale livello di intensità sonora in dB viene prodotto dagli auricolari che creano un’intensità di 4.,00 × 10-2 W / m2?
- Mostrano che un’intensità di 10-12 W / m2 è la stessa di 10-16 W / m2.
- (a) Qual è il livello di decibel di un suono che è due volte più intenso di un suono di 90,0 dB? (b) Qual è il livello di decibel di un suono che è un quinto intenso come un suono di 90,0 dB?
- (a)Qual è l’intensità di un suono che ha un livello 7.00 dB inferiore a un suono 4.00 × 10-9 W/m2? (b) Qual è l’intensità di un suono superiore di 3,00 dB a un suono di 4,00 × 10-9 W/m2?
- (a) Quanto più intenso è un suono che ha un livello 17.0 dB più alto di un altro? (b) Se un suono ha un livello 23.,0 dB in meno di un altro, qual è il rapporto tra le loro intensità?
- Le persone con un buon udito possono percepire suoni a basso livello come -8.00 dB ad una frequenza di 3000 Hz. Qual è l’intensità di questo suono in watt per metro quadrato?
- Se una grande mosca domestica a 3,0 m di distanza da te emette un rumore di 40,0 dB, qual è il livello di rumore di 1000 mosche a quella distanza, supponendo che l’interferenza abbia un effetto trascurabile?
- Dieci auto in un cerchio in una competizione boom box producono un livello di intensità sonora di 120 dB al centro del cerchio., Qual è il livello medio di intensità sonora prodotto lì da ogni stereo, supponendo che gli effetti di interferenza possano essere trascurati?
- L’ampiezza di un’onda sonora viene misurata in termini di pressione massima. Di quale fattore aumenta l’ampiezza di un’onda sonora se il livello di intensità del suono aumenta di 40,0 dB?
- Se un livello di intensità sonora di 0 dB a 1000 Hz corrisponde ad una pressione massima (ampiezza del suono) di 10-9 atm, qual è la pressione massima in un suono di 60 dB? Qual è la pressione massima del manometro in un suono di 120 dB?,
- Un’esposizione di 8 ore a un livello di intensità sonora di 90,0 dB può causare danni all’udito. Quale energia in joule cade su un timpano di 0,800 cm di diametro così esposto?
- (a) Le trombe auricolari non erano mai molto comuni, ma aiutavano le persone con perdite uditive raccogliendo il suono su una vasta area e concentrandolo sulla zona più piccola del timpano. Quale aumento di decibel produce una tromba auricolare se la sua area di raccolta del suono è di 900 cm2 e l’area del timpano è di 0,500 cm2, ma la tromba ha solo un’efficienza del 5,00% nel trasmettere il suono al timpano?, b) Commentare l’utilità dell’aumento di decibel rilevato nella parte a).
- Il suono viene trasmesso in modo più efficace in uno stetoscopio per contatto diretto che attraverso l’aria, ed è ulteriormente intensificato concentrandosi sulla zona più piccola del timpano. È ragionevole supporre che il suono sia trasmesso in uno stetoscopio 100 volte più efficacemente rispetto alla trasmissione attraverso l’aria. Qual è, quindi, il guadagno in decibel prodotto da uno stetoscopio che ha un’area di raccolta del suono di 15,0 cm2 e concentra il suono su due timpani con un’area totale di 0.,900 cm2 con un’efficienza del 40,0%?
- Gli altoparlanti possono produrre suoni intensi con un apporto energetico sorprendentemente piccolo nonostante la loro bassa efficienza. Calcola l’ingresso di potenza necessario per produrre un livello di intensità sonora di 90,0 dB per un altoparlante di 12,0 cm di diametro con un’efficienza dell ‘ 1,00%. (Questo valore è il livello di intensità del suono direttamente sull’altoparlante.,)
Glossario
intensità: la potenza per unità di area trasportata da un’onda
il livello di intensità sonora: un unitless quantità dicendo il livello acustico relativa a uno standard fisso
livello di pressione sonora: il rapporto tra l’ampiezza di pressione ad una pressione di riferimento
- Varie agenzie governative e di salute relative associazioni professionali consiglia di 85 dB non può essere superato per 8 ore giornaliere esposizioni in assenza di protezione dell’udito. ↵
