Εισαγωγή στην Ακουστική
Σημειώσεις για το μάθημα της Μουσικής σε Γυμνάσια
Η επιστήμη της ακουστικής
Ακουστική: κλάδος της Φυσικής που ασχολείται με τον ήχο, τις ιδιότητες και τις εφαρμογές του. Η ακουστική ασχολείται με πληθώρα πεδίων όπως: την παραγωγή ήχου από μουσικά όργανα, αρχιτεκτονική ακουστική, ηλεκτρακουστική, ψυχοακουστική, βιοακουστική
Ήχος: η αίσθηση του προκαλείται λόγω της διέγερσης των αισθητηρίων οργάνων της ακοής από μεταβολές πίεσης (κυματική κίνηση) του ατμοσφαιρικού αέρα. Οι μεταβολές πίεσης προκαλούνται από τοπικά πυκνώματα και αραιώματα των μορίων του αέρα. Αυτές οι μεταβολές διαδίδονται με τη μορφή ηχητικών κυμάτων.
Προϋποθέσεις για την ύπαρξη ήχου:
- ένα ταλαντούμενο σώμα (πηγή του ήχου). Αυτό μπορεί να είναι (στην περίπτωση των μουσικών οργάνων) χορδή, μεμβράνη, ο αέρας μέσα στο σωλήνα του οργάνου ή το ίδιο το σώμα του οργάνου
- ένα [ελαστικό] μέσο διάδοσης. Συνήθως ορίζουμε τον αέρα ως τέτοιο, αλλά μπορεί να είναι και υγρό ή στερεό.
- ένας δέκτης που θα δεχτεί τα ηχητικά κύματα και θα "μεταφράσει" στην αντίληψή του ως ήχο.
Περιοδικές κινήσεις - Ταλαντώσεις (Vibrations)
Περιοδικό θεωρείται ένα φαινόμενο που επαναλαμβάνεται ανά ίσα χρονικά διαστήματα και είναι σε μεγάλο βαθμό προβλέψιμο. Τέτοια φαινόμενα υπάρχουν παντού στη φύση (και, εννοείται, ότι δεν σχετίζονται απαραίτητα με τον ήχο) όπως η περιστροφή της γης γύρω από τον ήλιο, της σελήνης γύρω από τη γη, η ακτινοβολία των αστρικών pulsar, αλλά και στο ανθρώπινο σώμα όπως ο χτύπος της καρδιάς και η έμμηνος ρύση στις γυναίκες. Επιπλέον, ο άνθρωπος έχοντας παρατηρήσει τις περιοδικές κινήσεις και φαινόμενα στη φύση έχει κατασκευάσει συσκευές οι οποίες εκτελούν ενέργειες με περιοδικό τρόπο. Ενδεικτικά αναφέρω: τα φλας των οχημάτων, οι σειρήνες συναγερμού.
Ταλάντωση ονομάζεται μια περιοδική κίνηση που γίνεται παλινδρομικά (μπρος-πίσω) γύρω από μια θέση ισορροπίας. Η πιο βολική, για σκοπούς μελέτης, ταλάντωση ονομάζεται απλή αρμονική ταλάντωση και στην οποία η κίνηση του αντικειμένου γύρω από τη θέση ισορροπίας είναι αρμονική (ημιτονοειδής) σε συνάρτηση με το χρόνο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι το εκκρεμές.
Χαρακτηριστικά ταλαντώσεων:
- Πλάτος: η μέγιστη απομάκρυνση από τη θέση ισορροπίας. Αν μιλάμε για ταλαντώσεις στο εύρος της ανθρώπινης ακοής, το πλάτος της ταλάντωσης μεταφράζεται στην αντίληψή μας στην αίσθηση της έντασης)
- Περίοδος: το χρονικό διάστημα Τ (μετριέται σε δευτερόλεπτα/seconds) που απαιτείται για να ολοκληρωθεί μία πλήρης κίνηση γύρω από την θέση ισορροπίας. Aν μιλάμε για ταλαντώσεις στο εύρος της ανθρώπινης ακοής, μεταφράζεται στην αντίληψή μας στην αίσθηση του τονικού ύψους). Το αντίστροφο της περιόδου ονομάζεται Συχνότητα (f) και εκφράζει το πόσες πλήρεις κινήσεις γύρω από τη θέση ισορροπίας γίνονται στη μονάδα του χρόνου (δηλ. σε 1 sec). Η μονάδα μέτρησης της συχνότητας είναι το Hertz (Hz) και η σχέση με την περίοδο δίνεται από τη σχέση: f=1/T.
Κύματα
Κύμα ονομάζουμε την μετάδοση μιας διαταραχής στον χώρο και στον χρόνο. Η διαταραχή αυτή έχει συγκεκριμένη κατεύθυνση και ταχύτητα και προκαλείται από μία πηγή που ταλαντώνεται. Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι τα κύματα μεταφέρουν ενέργεια και όχι ύλη.
Είδη ταλαντώσεων και κυμάτων:
Τύποι κυμάτων
Μπορούμε να ταξινομήσουμε τα διαφορετικά είδη κυμάτων με διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με το κριτήριο που θεσπίζουμε:
1. Ανάλογα με την φύση (είδος) τους:
- Μηχανικής φύσης (είδους), που απαιτείται η ύπαρξη υλικού μέσου για τη διάδοσή τους [δηλ. δεν διαδίδονται στο κενό]: παλιρροϊκά, ηχητικά, σεισμικά.
- Ηλεκτρομαγνητικής φύσης, δεν απαιτείται η ύπαρξη υλικού μέσου για τη διάδοσή τους [δηλ. διαδίδονται και στο κενό] : ηλεκτρομαγνητικά (τηλεπικοινωνίες, φως).
2. Ανάλογα με την σχέση του επιπέδου στο οποία κινούνται τα μόρια του μέσου διάδοσης και του επιπέδου στο οποίο διαδίδεται η ενέργεια:
- Εγκάρσια (Transverse): η κατεύθυνση διάδοσης της ενέργειας είναι κάθετη προς την κατεύθυνση ταλάντωσης των μορίων του μέσου διάδοσης
- Διαμήκη (Longitudinal): η κατεύθυνση διάδοσης της ενέργειας είναι ίδια (παράλληλη) με την κατεύθυνση ταλάντωσης των μορίων του μέσου διάδοσης
- Κύματα νερού που είναι συνδυασμός των παραπάνω τύπων.
Στα ρευστά (υγρά και αέρια), τα ηχητικά κύματα διαδίδονται πάντα ως διαμήκη, ενώ στα στερεά διαδίδονται κύματα και των δύο μορφών. Σύμφωνα με άλλη πηγή, ο ήχος στον αέρα είναι διαμήκες κύμα ενώ σε οποιοδήποτε άλλο μέσο είναι εγκάρσιο.
Ταχύτητα διάδοσης του κύματος
H πυκνότητα του μέσου διάδοσης είναι ο παράγοντας που καθορίζει την ταχύτητα διάδοσης του ήχου σε αυτό. Γενικά, όσο πυκνότερο το μέσο διάδοσης, τόσο πιο μεγάλη η ταχύτητα του ηχητικού κύματος σε αυτό.
Ταχύτητες (ū) διάδοσης του ήχου σε διάφορα μέσα:
Αέρας: ~343 m/s
Υγρά: ~1480 m/s (στο νερό)
Στερεά: ~5100 m/s (στο σίδηρο), 6640 m/s (στο ατσάλι)
Η αντίληψη του ήχου από τον άνθρωπο
Εύρος ακουστότητας για τον άνθρωπο: 20 Hz - 20.000 Hz
Υπόηχοι: ήχοι με συχνότητα μικρότερη από 20 Hz, δεν γίνονται αντιληπτοί από την ανθρώπινη ακοή (αλλά κάποια άλλα ζωϊκά είδη τους αντιλαμβάνονται, π.χ. ελέφαντες, σκύλοι) και τους αξιοποιούν για την επιβίωσή τους.
Υπέρηχοι: ήχοι με συχνότητα μεγαλύτερη από 20.000 Hz, που δεν γίνονται αντιληπτοί από την ανθρώπινη ακοή (αλλά κάποια άλλα ζωϊκά είδη τους αντιλαμβάνονται, π.χ. νυχτερίδες, σκύλοι, δελφίνια) και τους αξιοποιούν για την επιβίωσή τους.
Σημαντικά φαινόμενα των κυμάτων.
Ανάκλαση (Reflection).
Στην ανάκλαση του ήχου οφείλονται φαινόμενα όπως η αντήχηση (Reverb), και η ηχώ (αντίλαλος, echo).Οι νόμοι της ανάκλασης είναι ίδιοι για όλους τους τύπους κυμάτων π.χ. για τον ήχο και το φως.
Χαρακτηριστικό στοιχείο: η γωνία πρόσπτωσης είναι ίδια με τη γωνία ανάκλασης.
Γνωστές εφαρμογές της ανάκλασης των κυμάτων:
- το Sonar. Ηχητικά κύματα για τον προσδιορισμό υποβρύχιων αποστάσεων και αντικειμένων και τη χαρτογράφηση του βυθού).
Προτεινόμενο video - το Radar. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα για τον προσδιορισμό της απόστασης αντικειμένων στα οποία ανακλώνται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Προτεινόμενο video - ο Υπέρηχος (ultrasound). Υψηλής συχνότητας (1-3 MHz) κύματα για την απεικόνιση δομών μέσα στο ανθρώπινο σώμα, κυρίως για ιατρικούς σκοπούς π.χ. παρατήρηση εμβρύου, ή πετρών στα νεφρά. Τελευταία υπάρχουν ενδείξεις και για την αποκατάσταση των βλαβών από Alzheimer.
Προτεινόμενο video
Συμβολή
...
Περίθλαση (Diffraction)
Περίθλαση ονομάζεται η ιδιότητα των κυμάτων να περνούν (αλλάζοντας κατεύθυνση) γύρω από ένα εμπόδιο ή να το διαπερνούν (π.χ. λόγω ενόςανοίγματος/οπής σε αυτό) και να "γεμίζουν" το χώρο πέρα από αυτό. Εύκολα παρατηρήσιμο τέτοιο φαινόμενα είναι όταν θαλάσσια κύματα φτάνουν σε ένα ακρωτήρι, όπου και ένα μέρος αυτών αλλάζει κατεύθυνση. Δες π.χ. την ακόλουθη εικόνα από //www.gearthblog.com/blog/archives/2012/01/08/wave-diffraction.jpg: περίθλαση των κυμάτων από τον κυματοθράστη στο Λιμάνι της Αλεξάνδρειας. Επίσης, αυτό το κατατοπιστικό animation (ειδικά μετά το 0.33'').
Διάθλαση (Refraction)
Όπως εξηγήθηκε πριν, τα ηχητικά κύματα δεν ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα σε όλα τα υλικά μέσα. Επιπλέον, όταν αλλάζουν μέσο κατά τη διάδοσή τους (και η γωνία με την οποία εισέρχονται στο δεύτερο μέσο δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλη) υπόκεινται αλλαγή της πορείας τους, πρακτικά δηλαδή "στρίβουν". Γνωστή περίπτωση είναι η αλλαγή της πορείας του ηχητικού κύματος όταν συναντά στρώματα αέρα διαφορετικής θερμοκρασίας (άρα και πυκνότητας). Για παράδειγμα, σε ένα ανοιχτό θέατρο το βράδυ, που στην επιφάνεια του εδάφους ο αέρας είναι ψυχρότερος ενώ λίγα μέτρα παραπάνω παραμένει πιο θερμός (από την επίδραση του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας), τα ηχητικά κύματα από τις φωνές των ηθοποιών ξεκινούν κατευθυνόμενα και προς τα "πάνω", μόλις όμως συναντήσουν τον θερμότερο αέρα διαθλώνται με τρόπο τέτοιο που μπορούμε να πούμε ότι κατευθύνονται πάλι προς τα "κάτω". Αυτός είναι και ο λόγος που το βράδυ σε μια παραλία είμαστε σε θέση να ακούσουμε μια παρέα που βρίσκεται αρκετά μακριά, τον ήχο της οποίας σε συνθήκες ημέρας δεν θα μπορούσαμε. Δείτε 2 σχετικές εικόνες στο http://www.hk-phy.org/iq/sound_night/sound_night_e.html
Φαινόμενο Doppler
Όταν η πηγή του ήχου κινείται σε σχέση με τον ακροατή (ή/και όταν ο ακρατής κινείται σε σχέση με την πηγή του ήχου), τότε ο ακροατής αντιλαμβάνεται τον ήχο της πηγής ως να έχει διαφορετική συχνότητα από αυτήν που πραγματικά έχει (και την οποία θα αντιλαμβανόταν σωστά άν ήταν σε σχετική -μεταξύ τους- ακινησία). Τυπικές περιπτώσεις είναι ότι στην αντίληψή μας η σειρήνα ενός ασθενοφόρου μοιάζει να αυξάνει την συχνότητά της (ακούμε δηλ. τον τόνο της να ψηλώνει) όταν αυτό μας πλησιάζει και, ανάποδα, μοιάζει να μειώνει τη συχνότητά της (ακούμε δηλ. τον τόνο της να χαμηλώνει) όταν αυτό απομακρύνεται. Στο φαινόμενο Doppler οφείλεται και η "έκρηξη" που αντιλαμβανόμαστε όταν ένα υπερηχητικό αεροπλάνο περνάει από πάνω μας.
Date added: 20150322
Last edited: 20150329