obiective de învățare
până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:
- definiți intensitatea, intensitatea sunetului și nivelul presiunii sonore.
- calculați nivelurile de intensitate a sunetului în decibeli (dB).
Figura 1. Zgomotul pe drumurile aglomerate ca acesta din Delhi face greu să-i auzi pe alții decât dacă strigă. (credit: Lingaraj G J, Flickr)
într-o pădure liniștită, puteți auzi uneori o singură frunză căzând la pământ., După ce te-ai așezat în pat, s-ar putea să-ți auzi sângele pulsând prin urechi. Dar când un automobilist care trece are stereo-ul său apărut, nici măcar nu puteți auzi ce spune persoana de lângă dvs. în mașină. Cu toții suntem foarte familiarizați cu intensitatea sunetelor și suntem conștienți de faptul că acestea sunt legate de cât de energic vibrează sursa. În desene animate care descriu o persoană care țipă (sau un animal care face un zgomot puternic), caricaturistul arată adesea o gură deschisă cu o uvula vibrantă, țesutul agățat din spatele gurii, pentru a sugera un sunet puternic care vine din gât Figura 2., Expunerea ridicată la zgomot este periculoasă pentru auz și este frecvent ca muzicienii să aibă pierderi de auz suficient de grave încât să interfereze cu abilitățile muzicienilor de a interpreta. Cantitatea fizică relevantă este intensitatea sunetului, un concept care este valabil pentru toate sunetele, indiferent dacă sunt sau nu în intervalul audibil.
intensitatea este definită a fi puterea pe unitatea de suprafață purtată de o undă. Puterea este rata la care energia este transferată de val. În forma ecuației, intensitatea I este i= \ frac{P}{A}\\, unde P este puterea printr-o zonă A. unitatea SI PENTRU I este W/m2., Intensitatea undelor sonore este legată de amplitudinea acesteia pătrat de următoarea relație:
\displaystyle{I}=\frac{\left(\Delta{p}\right)^2}{2\rho{v}_{\text{w}}}\\.
aici Δp este variația presiunii sau amplitudinea presiunii (jumătate din diferența dintre presiunea maximă și cea minimă în undele sonore) în unități de Pascali (Pa) sau N/m2. (Folosim o minusculă P pentru presiune pentru a o distinge de putere, notată cu P de mai sus.,) Energia (ca energie cinetică \frac{MV^2}{2}\\) a unui element oscilant de aer datorită unei unde sonore de călătorie este proporțională cu amplitudinea sa pătrată. În această ecuație, ρ este densitatea materialului în care se deplasează undele sonore, în unități de kg/m3, iar vw este viteza sunetului în mediu, în unități de m/s. variația presiunii este proporțională cu amplitudinea oscilației și astfel i variază ca (Δp)2 (Figura 2)., Această relație este în concordanță cu faptul că unda sonoră este produsă de o anumită vibrație; cu cât amplitudinea presiunii este mai mare, cu atât aerul este comprimat în sunetul pe care îl creează.
Figura 2. Graficele presiunilor gabaritului în două unde sonore de intensități diferite. Sunetul mai intens este produs de o sursă care are oscilații de amplitudine mai mare și are maxime și minime de presiune mai mari. Deoarece presiunile sunt mai mari în sunetul de intensitate mai mare, acesta poate exercita forțe mai mari asupra obiectelor pe care le întâlnește.,nivelurile intensității sunetului sunt citate în decibeli (dB) mult mai des decât intensitățile sunetului în wați pe metru pătrat. Decibelii sunt unitatea de alegere în literatura științifică, precum și în mass-media populare. Motivele pentru această alegere a unităților sunt legate de modul în care percepem sunetele. Modul în care urechile noastre percep sunetul poate fi descris mai precis de logaritmul intensității, mai degrabă decât direct la intensitate., La nivelul de intensitate a sunetului β în decibeli de sunet având o intensitate I în wați pe metru pătrat este definit pentru a fi \beta\left(\text{pb}\right)=10\log_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right)\\, unde I0 = 10-12 W/m2 este de o intensitate de referință. În special, I0 este cea mai mică sau mai mică intensitate a sunetului pe care o persoană cu auz normal o poate percepe la o frecvență de 1000 Hz. Nivelul intensității sunetului nu este același cu intensitatea. Deoarece β este definit în termeni de raport, este o cantitate unitară care vă spune nivelul sunetului în raport cu un standard fix (10-12 W/m2, în acest caz)., Unitățile de decibeli (dB) sunt utilizate pentru a indica faptul că acest raport este înmulțit cu 10 în definiția sa. Bel, pe care se bazează decibelul, este numit pentru Alexander Graham Bell, inventatorul telefonului.
| Tabelul 1.,tory, sirena de la 30 m; daune de 8 h pe zi de expunere | ||
|---|---|---|
| 110 | 1 × 10-1 | Daune de 30 de minute pe zi de expunere |
| 120 | 1 | Tare concert rock, pneumatice crengi la 2 m; pragul de durere |
| 140 | 1 × 102 | avion la 30 m; durere severă, prejudiciul în câteva secunde |
| 160 | 1 × 104 | Rupere de timpanele |
La nivel de decibeli de sunet având pragul de intensitate de 10-12 W/m2 este β = 0 dB, pentru că log101 = 0., Adică pragul auzului este de 0 decibeli. Tabelul 1 oferă niveluri în decibeli și intensități în wați pe metru pătrat pentru unele sunete familiare.unul dintre lucrurile mai izbitoare despre intensitățile din tabelul 1 este că intensitatea în wați pe metru pătrat este destul de mică pentru majoritatea sunetelor. Urechea este sensibilă la o trilioană de watt pe metru pătrat—și mai impresionantă atunci când îți dai seama că zona timpanului este de numai aproximativ 1 cm2, astfel încât doar 10-16 W cade pe ea la pragul auzului!, Moleculele de aer dintr-o undă sonoră de această intensitate vibrează pe o distanță mai mică de un diametru molecular, iar presiunile gabaritului implicate sunt mai mici de 10-9 atm.o altă caracteristică impresionantă a sunetelor din tabelul 1 este intervalul lor numeric. Intensitatea sunetului variază cu un factor de 1012 de la prag la un sunet care provoacă daune în câteva secunde. Nu sunteți conștienți de această gamă extraordinară de intensitate a sunetului, deoarece modul în care urechile dvs. răspund poate fi descris aproximativ ca logaritmul intensității., Astfel, nivelurile de intensitate a sunetului în decibeli se potrivesc experienței dvs. mai bine decât intensitățile în wați pe metru pătrat. Scara decibel este, de asemenea, mai ușor de relaționat, deoarece majoritatea oamenilor sunt mai obișnuiți să se ocupe de numere precum 0, 53 sau 120 decât numere precum 1.00 × 10-11.trebuie remarcat în acest moment că există o altă scală de decibeli în uz, numită nivel de presiune acustică, pe baza raportului dintre amplitudinea presiunii și o presiune de referință. Această scală este utilizată în special în aplicații în care sunetul se deplasează în apă., Este dincolo de domeniul de aplicare al majorității textelor introductive pentru a trata această scară, deoarece nu este utilizat în mod obișnuit pentru sunete în aer, dar este important să rețineți că niveluri foarte diferite decibeli pot fi întâlnite atunci când nivelurile de presiune acustică sunt citate. De exemplu, poluarea fonică a oceanelor produsă de nave poate fi la fel de mare ca 200 dB exprimată în nivelul presiunii sonore, unde nivelul de intensitate a sunetului mai familiar pe care îl folosim aici ar fi ceva sub 140 dB pentru același sunet.
take-home Investigation: senzație de sunet
găsiți un CD player și un CD care are muzică rock., Așezați playerul pe o masă ușoară, introduceți CD-ul în player și începeți să redați CD-ul. Puneți ușor mâna pe masa de lângă difuzoare. Măriți volumul și notați nivelul când masa începe să vibreze pe măsură ce muzica rock joacă. Măriți citirea pe controlul volumului până când se dublează. Ce s-a întâmplat cu vibrațiile?
verificați înțelegerea
Partea 1
descrieți modul în care amplitudinea este legată de intensitatea sunetului.
soluție
amplitudinea este direct proporțională cu experiența de intensitate., Pe măsură ce amplitudinea crește, intensitatea crește.
Partea 2
identificați sunetele comune la nivelurile de 10 dB, 50 dB și 100 dB.
soluție
10 dB: alergând degetele prin păr.50 dB: într-o casă liniștită, fără televizor sau radio.
100 dB: decolarea unui avion cu reacție.
Rezumatul secțiunii
întrebări conceptuale
- șase membri ai unei echipe de înot sincronizate poartă dopuri de urechi pentru a se proteja împotriva presiunii apei la adâncimi, dar pot auzi în continuare muzica și pot efectua perfect combinațiile în apă., Într-o zi, li s-a cerut să părăsească piscina pentru ca echipa de scufundări să poată practica câteva scufundări și au încercat să practice pe o rogojină, dar părea să aibă mult mai multe dificultăți. De ce ar putea fi asta?
- o comunitate este preocupată de un plan de a aduce serviciul de tren în centrul orașului de la periferia orașului. Nivelul actual al intensității sunetului, chiar dacă șantierul feroviar este la distanță, este 70 dB în centrul orașului. Primarul asigură publicul că va exista o diferență de sunet de numai 30 dB în zona centrală. Oamenii din oraș ar trebui să fie îngrijorați? De ce?,
probleme & exerciții
- care este intensitatea în wați pe metru pătrat de sunet 85.0-dB?eticheta de avertizare de pe o mașină de tuns iarba afirmă că produce zgomot la un nivel de 91,0 dB. Ce este acest lucru în wați pe metru pătrat?
- o undă sonoră care călătorește în aer de 20ºC are o amplitudine de presiune de 0,5 Pa. Care este intensitatea valului?
- la ce nivel de intensitate corespunde sunetul din problema precedentă?
- ce nivel de intensitate a sunetului în dB este produs de căști care creează o intensitate de 4.,00 × 10-2 W / m2?
- arată că o intensitate de 10-12 W/m2 este aceeași cu 10-16 W / m2.
- (a) care este nivelul în decibeli al unui sunet de două ori mai intens decât un sunet de 90,0 dB? (b) care este nivelul de decibeli al unui sunet care este o cincime la fel de intens ca un sunet de 90,0 dB?
- (A) care este intensitatea unui sunet care are un nivel de 7,00 dB mai mic decât un sunet de 4,00 × 10-9 W/m2? (b) care este intensitatea unui sunet cu 3,00 dB mai mare decât un sunet de 4,00 × 10-9 W/m2?
- (a) cât de intens este un sunet care are un nivel cu 17,0 dB mai mare decât altul? (b) dacă un sunet are un nivel 23.,0 dB mai puțin decât altul, care este raportul dintre intensitățile lor?
- persoanele cu auz bun pot percepe sunete la un nivel scăzut de -8,00 dB la o frecvență de 3000 Hz. Care este intensitatea acestui sunet în wați pe metru pătrat?
- în cazul în care un housefly mare 3.0 m departe de tine face un zgomot de 40.0 dB, ceea ce este nivelul de zgomot de 1000 zboară la această distanță, presupunând că interferența are un efect neglijabil?
- zece mașini într-un cerc la o competiție boom box produc un nivel de intensitate a sunetului de 120 dB în centrul cercului., Care este nivelul mediu de intensitate a sunetului produs acolo de fiecare stereo, presupunând că efectele de interferență pot fi neglijate?
- amplitudinea unei unde sonore este măsurată în ceea ce privește presiunea maximă a gabaritului. Cu ce factor crește amplitudinea unei unde sonore dacă nivelul intensității sunetului crește cu 40, 0 dB?
- dacă un nivel de intensitate a sunetului de 0 dB la 1000 Hz corespunde unei presiuni maxime a gabaritului (amplitudinea sunetului) de 10-9 atm, care este presiunea maximă a gabaritului într-un sunet de 60 dB? Care este presiunea maximă a gabaritului într-un sunet de 120 dB?,
- o expunere de 8 ore la un nivel de intensitate a sunetului de 90,0 dB poate provoca leziuni ale auzului. Ce energie în jouli cade pe un timpan cu diametrul de 0, 800 cm atât de expus?
- (a) trompetele urechii nu au fost niciodată foarte frecvente, dar au ajutat oamenii cu pierderi de auz prin colectarea sunetului pe o suprafață mare și concentrarea acestuia pe zona mai mică a timpanului. Ce creștere de decibeli produce o trompetă de ureche dacă suprafața sa de colectare a sunetului este de 900 cm2, iar zona timpanului este de 0,500 cm2, dar trompeta are doar o eficiență de 5,00% în transmiterea sunetului către timpan?, (b) observații cu privire la utilitatea creșterii în decibeli din partea (a).
- sunetul este transmis mai eficient într-un stetoscop prin contact direct decât prin aer și este intensificat în continuare prin concentrarea pe zona mai mică a timpanului. Este rezonabil să presupunem că sunetul este transmis într-un stetoscop de 100 de ori mai eficient în comparație cu transmisia prin aer. Care este atunci câștigul în decibeli produs de un stetoscop care are o suprafață de colectare a sunetului de 15,0 cm2 și concentrează sunetul pe două timpane cu o suprafață totală de 0.,900 cm2 cu o eficiență de 40,0%?
- difuzoarele pot produce sunete intense cu un aport de energie surprinzător de mic, în ciuda eficienței lor scăzute. Calculați puterea necesară pentru a produce un nivel de intensitate a sunetului de 90,0 dB pentru un difuzor cu diametrul de 12,0 cm care are o eficiență de 1,00%. (Această valoare este nivelul de intensitate a sunetului chiar la difuzor.,nivelul intensității sunetului: o cantitate fără unitate care vă spune nivelul sunetului în raport cu un standard fix
nivelul presiunii sonore: raportul dintre amplitudinea presiunii și o presiune de referință
- Mai multe agenții guvernamentale și asociații profesionale legate de sănătate recomandă ca 85 dB să nu fie depășit pentru expuneri zilnice de 8 ore în absența protecției auditive. ↵
