Lyd - Sound

En tromme producerer lyd via en vibrerende membran

I fysik er lyd en vibration, der formerer sig som en akustisk bølge gennem et transmissionsmedium, såsom en gas, væske eller fast stof.

I menneskelig fysiologi og psykologi er lyd modtagelse af sådanne bølger og deres opfattelse af hjernen . Kun akustiske bølger, der har frekvenser mellem 20 Hz og 20 kHz, lydfrekvensområdet , fremkalder en auditiv opfattelse hos mennesker. I luft ved atmosfærisk tryk repræsenterer disse lydbølger med bølgelængder på 17 meter til 1,7 centimeter (0,67 in). Lydbølger over 20  kHz er kendt som ultralyd og er ikke hørbare for mennesker. Lydbølger under 20 Hz er kendt som infralyd . Forskellige dyrearter har forskellige høreområder .

Akustik

Akustik er den tværfaglige videnskab, der beskæftiger sig med studiet af mekaniske bølger i gasser, væsker og faste stoffer, herunder vibrationer , lyd, ultralyd og infralyd. En videnskabsmand, der arbejder inden for akustik, er en akustiker , mens en person, der arbejder inden for akustik, kan kaldes en akustisk ingeniør . En lydingeniør er derimod optaget af optagelse, manipulation, blanding og gengivelse af lyd.

Anvendelser af akustik findes i næsten alle aspekter af det moderne samfund, underdiscipliner omfatter aeroakustik , lydsignalbehandling , arkitektonisk akustik , bioakustik , elektroakustik, miljøstøj , musikalsk akustik , støjkontrol , psykoakustik , tale , ultralyd , undervandsakustik og vibrationer .

Definition

Lyd er defineret som "(a) Oscillation i tryk, spænding, partikelforskydning, partikelhastighed osv., Formeret i et medium med indre kræfter (f.eks. Elastisk eller viskøs), eller overlejring af en sådan formeret svingning. (B) Auditiv fornemmelse fremkaldt af svingningen beskrevet i (a). " Lyd kan ses som en bølgebevægelse i luft eller andre elastiske medier. I dette tilfælde er lyd en stimulans. Lyd kan også ses som en excitation af høremekanismen, der resulterer i opfattelsen af ​​lyd. I dette tilfælde er lyd en sensation .

Fysik

Eksperimenter med to tuning gafler, der oscillerer normalt med samme frekvens . En af gaflerne bliver ramt af en gummibelagt hammer. Selvom kun den første stemmegaffel er blevet ramt, er den anden gaffel synligt spændt på grund af svingningen forårsaget af den periodiske ændring i luftens tryk og tæthed ved at ramme den anden gaffel, hvilket skaber en akustisk resonans mellem gaflerne. Men hvis vi placerer et stykke metal på en tand, ser vi, at effekten dæmper, og excitationerne bliver mindre og mindre udtalte, da resonans ikke opnås lige så effektivt.

Lyd kan forplante sig gennem et medium som luft, vand og faste stoffer som langsgående bølger og også som en tværgående bølge i faste stoffer . Lydbølgerne genereres af en lydkilde, f.eks. Den vibrerende membran i en stereohøjttaler. Lydkilden skaber vibrationer i det omgivende medium. Da kilden fortsætter med at vibrere mediet, forplanter vibrationerne sig væk fra kilden med lydens hastighed og danner således lydbølgen. På en fast afstand fra kilden varierer trykket , hastigheden og forskydningen af ​​mediet i tid. På et øjeblik varierer trykket, hastigheden og forskydningen i rummet. Bemærk, at mediets partikler ikke bevæger sig med lydbølgen. Dette er intuitivt indlysende for et fast stof, og det samme gælder for væsker og gasser (det vil sige vibrationer af partikler i gassen eller væsken transporterer vibrationerne, mens partiklernes gennemsnitlige position over tid ikke ændres). Under formering kan bølger reflekteres , brydes eller dæmpes af mediet.

Lydspredningens adfærd påvirkes generelt af tre ting:

  • Et komplekst forhold mellem medietætheden og trykket. Dette forhold, påvirket af temperatur, bestemmer lydens hastighed i mediet.
  • Bevægelse af selve mediet. Hvis mediet bevæger sig, kan denne bevægelse forøge eller formindske lydbølgens absolutte hastighed afhængigt af bevægelsesretningen. For eksempel vil lyd, der bevæger sig gennem vinden, få sin forplantningshastighed øget med vindens hastighed, hvis lyden og vinden bevæger sig i samme retning. Hvis lyden og vinden bevæger sig i modsatte retninger, reduceres lydbølgens hastighed med vindens hastighed.
  • Mediets viskositet. Medium viskositet bestemmer den hastighed, hvormed lyden dæmpes. For mange medier, såsom luft eller vand, er dæmpning på grund af viskositet ubetydelig.

Når lyden bevæger sig gennem et medium, der ikke har konstante fysiske egenskaber, kan den brydes (enten spredt eller fokuseret).

Sfæriske kompression (langsgående) bølger

De mekaniske vibrationer, der kan tolkes som lyd, kan bevæge sig gennem alle former for stof : gasser, væsker, faste stoffer og plasmaer . Den sag, der understøtter lyden, kaldes mediet . Lyd kan ikke rejse gennem et vakuum .

Bølger

Lyd overføres gennem gasser, plasma og væsker som langsgående bølger , også kaldet kompressionsbølger . Det kræver et medium at formere sig. Gennem faste stoffer kan den imidlertid transmitteres som både langsgående bølger og tværgående bølger . Langsgående lydbølger er bølger af alternerende tryk afvigelser fra ligevægt tryk, forårsager lokale regioner med kompression og rarefaction , mens tværgående bølger (i faste stoffer) er bølger af alternerende forskydningsspænding vinkelret på udbredelsesretningen.

Lydbølger kan ses ved hjælp af parabolske spejle og genstande, der producerer lyd.

Den energi, der bæres af en oscillerende lydbølge konverterer frem og tilbage mellem den potentielle energi af den ekstra kompression (i tilfælde af langsgående bølger) eller lateral forskydning stamme (i tilfælde af tværgående bølger) af sagen, og den kinetiske energi af forskydningen hastighed af partikler af mediet.

Langsgående plan trykimpulsbølge
Langsgående planbølge
Tværgående planbølge i lineær polarisering, dvs. oscillerende kun i y-retningen
Tværgående planbølge
Langsgående og tværgående planbølge
En 'tryk over tid' graf på en 20 ms optagelse af en klarinet tone demonstrerer de to grundlæggende elementer i lyd: Tryk og tid.
Lyde kan repræsenteres som en blanding af deres komponent Sinusformede bølger med forskellige frekvenser. Bundbølgerne har højere frekvenser end dem ovenfor. Den vandrette akse repræsenterer tiden.

Selvom der er mange kompleksiteter i forbindelse med transmission af lyde, kan lyden let modtages i to simple elementer på modtagelsesstedet (dvs. ørerne): tryk og tid. Disse grundlæggende elementer danner grundlaget for alle lydbølger. De kan bruges til at beskrive i absolutte tal hver lyd vi hører.

For at forstå lyden mere fuldstændigt er en kompleks bølge som den, der er vist i en blå baggrund til højre for denne tekst, normalt adskilt i dens komponentdele, som er en kombination af forskellige lydbølgefrekvenser (og støj).

Lyd bølger ofte forenkles til en beskrivelse i form af sinusformede plane bølger , som er karakteriseret ved disse generiske egenskaber:

Lyd, der kan mærkes af mennesker, har frekvenser fra omkring 20 Hz til 20.000 Hz. I luft ved standardtemperatur og tryk varierer de tilsvarende bølgelængder af lydbølger fra 17 m til 17 mm (0,67 in). Undertiden hastighed og retning kombineres som en hastighed vektor ; bølgetal og retning kombineres som en bølgevektor .

Tværgående bølger , også kendt som forskydningsbølger , har den ekstra egenskab, polarisering , og er ikke karakteristiske for lydbølger.

Hastighed

US Navy F/A-18 nærmer sig lydens hastighed. Den hvide glorie dannes af kondenserede vanddråber, der menes at skyldes et fald i lufttrykket omkring flyet (se Prandtl – Glauert singularitet ).

Lydens hastighed afhænger af det medium, bølgerne passerer igennem, og er en grundlæggende egenskab ved materialet. Den første betydelige indsats mod måling af lydens hastighed blev foretaget af Isaac Newton . Han mente, at lydhastigheden i et bestemt stof var lig med kvadratroden af ​​det tryk, der virker på det divideret med dens densitet:

Dette blev senere bevist forkert, og den franske matematiker Laplace rettede formlen ved at udlede, at fænomenet lydrejser ikke er isotermisk, som Newton mener, men adiabatisk . Han tilføjede en anden faktor til ligningen - gamma - og ganget med og kom dermed med ligningen . Siden blev den sidste ligning til , som også er kendt som Newton – Laplace -ligningen. I denne ligning er K det elastiske bulkmodul, c er lydens hastighed og er densiteten. Således er lydhastigheden proportional med kvadratroden af forholdet mellem massens modul af massen og dens densitet.

Disse fysiske egenskaber og lydens hastighed ændres med omgivende forhold. For eksempel afhænger lydhastigheden i gasser af temperaturen. I 20 ° C (68 ° F) luft ved havets overflade er lydhastigheden cirka 343 m/s (1.230 km/t; 767 mph) ved hjælp af formlen v  [m/s] = 331 + 0,6  T  [° C ] . Lydens hastighed er også lidt følsom, underlagt en andenordens anharmonisk effekt, for lydamplituden , hvilket betyder, at der er ikke-lineære formeringseffekter, såsom produktion af harmoniske og blandede toner, der ikke findes i den originale lyd ( se parametrisk array ). Hvis relativistiske effekter er vigtige, beregnes lydens hastighed ud fra de relativistiske Euler -ligninger .

I ferskvand er lydhastigheden cirka 1.482 m/s (5.335 km/t; 3.315 mph). I stål er lydhastigheden omkring 5.960 m/s (21.460 km/t; 13.330 mph). Lyd bevæger sig hurtigst i fast atombrint med omkring 36.000 m/s (129.600 km/t; 80.530 mph).

Lydtryksniveau

Lydmålinger
Egenskab
Symboler
 Lydtryk  p , SPL, L PA
 Partikelhastighed  v , SVL
 Partikelforskydning  δ
 Lydintensitet  Jeg , SIL
 Lydeffekt  P , SWL, L WA
 Lydenergi  W
 Lydenergitæthed  w
 Lydeksponering  E , SEL
 Akustisk impedans  Z
 Lydfrekvens  AF
 Transmissionstab  TL

Lydtryk er forskellen i et givet medium mellem det gennemsnitlige lokale tryk og trykket i lydbølgen. En kvadrat af denne forskel (dvs. en kvadrat af afvigelsen fra ligevægtstrykket) er normalt gennemsnitlig over tid og/eller rum, og en kvadratrod af dette gennemsnit giver en rod middelværdi (RMS) værdi. For eksempel betyder 1 Pa RMS lydtryk (94 dBSPL) i atmosfærisk luft, at det faktiske tryk i lydbølgen svinger mellem (1 atm Pa) og (1 atm Pa), det vil sige mellem 101323,6 og 101326,4 Pa. Som det menneskelige øre kan registrere lyde med en bred vifte af amplituder, måles lydtryk ofte som et niveau på en logaritmisk decibelskala . Det lydtryksniveau (SPL) eller L p er defineret som

hvor p er rod-middel-kvadratisk lydtryk og er et reference lydtryk. Almindeligt anvendte referencelydtryk, defineret i standarden ANSI S1.1-1994 , er 20 µPa i luft og 1 µPa i vand. Uden et specificeret referencelydtryk kan en værdi udtrykt i decibel ikke repræsentere et lydtryksniveau.

Da det menneskelige øre ikke har en flad spektral respons , frekvensvægtes lydtryk ofte, så det målte niveau matcher opfattede niveauer tættere. Den Internationale Elektrotekniske Kommission (IEC) har defineret flere vægtningsordninger. A-vægtning forsøger at matche det menneskelige øres reaktion på støj og A-vægtet lydtrykniveau mærket dBA. C-vægtning bruges til at måle topniveauer.

Opfattelse

En tydelig brug af udtrykket lyd fra dets anvendelse i fysik er det i fysiologi og psykologi, hvor udtrykket refererer til genstanden for opfattelse af hjernen. Området psykoakustik er dedikeret til sådanne undersøgelser. Websters ordbog fra 1936 definerede lyd som: "1. Følelsen af ​​at høre, det der høres; specif .: a. Psykofysik. Følelse på grund af stimulering af de auditive nerver og auditive centre i hjernen, normalt ved vibrationer transmitteret i et materielt medium , almindeligvis luft, der påvirker høringsorganet. b. Fysik. Vibrationsenergi, der fremkalder en sådan fornemmelse. Lyd formeres ved progressive langsgående vibrationsforstyrrelser (lydbølger). " Det betyder, at det korrekte svar på spørgsmålet: " hvis et træ falder i skoven uden at nogen kan høre det falde, giver det en lyd? " Er "ja" og "nej", afhængigt af om der bliver besvaret ved hjælp af henholdsvis fysisk eller den psykofysiske definition.

Den fysiske modtagelse af lyd i enhver hørende organisme er begrænset til en række frekvenser. Mennesker hører normalt lydfrekvenser mellem cirka 20  Hz og 20.000 Hz (20  kHz ). Den øvre grænse falder med alderen. Nogle gange refererer lyd kun til de vibrationer med frekvenser, der er inden for høreområdet for mennesker, eller nogle gange vedrører det et bestemt dyr. Andre arter har forskellige hørelser. For eksempel kan hunde opfatte vibrationer højere end 20 kHz.

Som et signal, der opfattes af en af ​​de store sanser , bruges lyd af mange arter til at detektere fare , navigation , predation og kommunikation. Jordens atmosfære , vand og stort set ethvert fysisk fænomen , såsom brand, regn, vind, surf eller jordskælv, producerer (og er kendetegnet ved) dens unikke lyde. Mange arter, såsom frøer, fugle, hav- og landpattedyr , har også udviklet særlige organer til at producere lyd. Hos nogle arter producerer disse sang og tale . Desuden har mennesker udviklet kultur og teknologi (såsom musik, telefon og radio), der giver dem mulighed for at generere, optage, transmittere og udsende lyd.

Støj er et begreb, der ofte bruges til at referere til en uønsket lyd. Inden for videnskab og teknik er støj en uønsket komponent, der tilslører et ønsket signal. Men i lydopfattelse kan den ofte bruges til at identificere kilden til en lyd og er en vigtig komponent i klangopfattelse (se ovenfor).

Lydbilledet er den komponent i det akustiske miljø, der kan opfattes af mennesker. Det akustiske miljø er en kombination af alle lyde (uanset om de er hørbare for mennesker eller ej) inden for et givet område som ændret af miljøet og forstået af mennesker i forbindelse med det omgivende miljø.

Der er historisk set seks eksperimentelt adskillelige måder, hvorpå lydbølger analyseres. De er: tonehøjde , varighed , lydstyrke , klangfarve , sonisk tekstur og rumlig placering . Nogle af disse udtryk har en standardiseret definition (f.eks. I ANSI Akustisk Terminologi ANSI/ASA S1.1-2013 ). Nyere tilgange har også betragtet tidsmæssig konvolut og tidsmæssig fin struktur som perceptuelt relevante analyser.

Tonehøjde

Figur 1. Pitchopfattelse

Pitch opfattes som, hvor "lav" eller "høj" en lyd er og repræsenterer den cykliske, gentagne karakter af de vibrationer, der udgør lyd. For enkle lyde angår tonehøjde frekvensen af ​​den langsomste vibration i lyden (kaldet den grundlæggende harmoniske). I tilfælde af komplekse lyde kan tonehøjdeopfattelsen variere. Nogle gange identificerer enkeltpersoner forskellige tonehøjder for den samme lyd, baseret på deres personlige oplevelse af bestemte lydmønstre. Valg af en bestemt tonehøjde bestemmes ved forudbevidst undersøgelse af vibrationer, herunder deres frekvenser og balancen mellem dem. Der lægges særlig vægt på at genkende potentielle harmoniske. Hver lyd placeres på en pitch -kontinuum fra lav til høj. For eksempel: hvid støj (tilfældig støj spredt jævnt over alle frekvenser) lyder højere i tonehøjde end lyserød støj (tilfældig støj spredes jævnt over oktaver), da hvid støj har mere højfrekvent indhold. Figur 1 viser et eksempel på pitch -genkendelse. Under lytteprocessen analyseres hver lyd for et gentaget mønster (se figur 1: orange pile), og resultaterne videresendes til den auditive cortex som en enkelt tonehøjde med en bestemt højde (oktav) og chroma (notenavn).

Varighed

Figur 2. Varighedsopfattelse

Varighed opfattes som, hvor "lang" eller "kort" en lyd er og relaterer sig til begyndelses- og forskydningssignaler, der skabes af nerveresponser på lyde. Varigheden af ​​en lyd varer normalt fra det tidspunkt, hvor lyden først blev bemærket, til lyden er identificeret som ændret eller ophørt. Nogle gange er dette ikke direkte relateret til den fysiske varighed af en lyd. For eksempel; i støjende omgivelser kan gappede lyde (lyde, der stopper og starter) lyde, som om de er kontinuerlige, fordi forskydningsmeddelelser savnes på grund af forstyrrelser fra støj i den samme generelle båndbredde. Dette kan være en stor fordel ved at forstå forvrængede meddelelser såsom radiosignaler, der lider af interferens, da (på grund af denne effekt) beskeden høres som om den var kontinuerlig. Figur 2 giver et eksempel på varighedsidentifikation. Når en ny lyd bliver bemærket (se figur 2, grønne pile), sendes en lyddebutmeddelelse til den auditive cortex. Når det gentagende mønster savnes, sendes der en lydoffsetmeddelelse.

Højhed

Figur 3. Loudness -opfattelse

Lydstyrke opfattes som, hvor "høj" eller "blød" en lyd er og relaterer sig til det samlede antal auditive nervestimulationer over korte cykliske tidsperioder, sandsynligvis over varigheden af ​​theta -bølgecyklusser. Det betyder, at ved en kort varighed kan en meget kort lyd lyde blødere end en længere lyd, selvom de præsenteres på samme intensitetsniveau. Efter omkring 200 ms er dette ikke længere tilfældet, og lydens varighed påvirker ikke længere lydens tilsyneladende højhed. Figur 3 giver et indtryk af, hvordan oplysninger om lydstyrke summeres over en periode på ca. 200 ms, før de sendes til den auditive cortex. Højere signaler skaber et større 'skub' på Basilar -membranen og stimulerer dermed flere nerver, hvilket skaber et stærkere lydstyrkesignal. Et mere komplekst signal skaber også flere nervefyringer og lyder derfor højere (for samme bølgeamplitude) end en enklere lyd, f.eks. En sinusbølge.

Timbre

Figur 4. Timbre -opfattelse

Klangfarve opfattes som kvaliteten af ​​forskellige lyde (f.eks. Dunken fra en faldet sten, borehøjden, tonen i et musikinstrument eller en stemmekvalitet) og repræsenterer den på forhånd bevidste tildeling af en sonisk identitet til en lyd (f.eks. "det er en obo!"). Denne identitet er baseret på oplysninger hentet fra frekvenstransienter, støj, ustabilitet, opfattet tonehøjde og spredningen og intensiteten af ​​overtoner i lyden over en længere tidsramme. Måden en lyd ændrer sig på tid (se figur 4) giver de fleste oplysninger til klangidentifikation. Selvom en lille del af bølgeformen fra hvert instrument ligner meget hinanden (se de udvidede sektioner angivet med de orange pile i figur 4), ændres forskelle i tid over tid mellem klarinet og klaver er tydelige i både lydstyrke og harmonisk indhold.Mindre mærkbare er de forskellige lyde, der høres, såsom luftslyser til klarinet og hammerangreb for klaveret.

Struktur

Sonisk tekstur vedrører antallet af lydkilder og interaktionen mellem dem. Ordet tekstur , i denne sammenhæng, vedrører den kognitive adskillelse af hørbare objekter. I musik omtales tekstur ofte som forskellen mellem unison , polyfoni og homofoni , men det kan også relatere (f.eks.) Til en travl cafe; en lyd, der kan kaldes kakofoni .

Rumlig placering

Rumlig placering (se: Lydlokalisering ) repræsenterer den kognitive placering af en lyd i en miljømæssig kontekst; herunder placeringen af ​​en lyd på både det vandrette og lodrette plan, afstanden fra lydkilden og egenskaberne ved det soniske miljø. I en tyk tekstur er det muligt at identificere flere lydkilder ved hjælp af en kombination af rumlig placering og klangidentifikation. Dette er hovedårsagen til, at vi kan vælge lyden af ​​en obo i et orkester og ordene fra en enkelt person ved et cocktailparty.

Ultralyd

Omtrentlige frekvensområder svarende til ultralyd, med grov vejledning af nogle applikationer

Ultralyd er lydbølger med frekvenser højere end 20.000 Hz. Ultralyd er ikke forskellig fra hørbar lyd i sine fysiske egenskaber, det kan bare ikke høres af mennesker. Ultralydsenheder fungerer med frekvenser fra 20 kHz op til flere gigahertz.

Medicinsk ultralyd bruges ofte til diagnostik og behandling.

Infralyd

Infralyd er lydbølger med frekvenser lavere end 20 Hz. Selvom lyde med så lav frekvens er for lave til, at mennesker kan høre, kan hvaler, elefanter og andre dyr registrere infralyd og bruge det til at kommunikere. Det kan bruges til at opdage vulkanudbrud og bruges i nogle typer musik.

Se også

Referencer

eksterne links