Zvuk se o vibrace mechanika produktu ve formě tekutiny , které se šíří ve formě vln podélných díky elastické deformaci části, že tekutina. Lidské bytosti, stejně jako mnoho zvířat , zažívají tuto vibraci prostřednictvím sluchu .
Tyto akustika je věda, která studuje zvuky; že Psychoakustické studie, jak orgány z lidského těla pocit a lidská bytost vnímá a interpretuje zvuky.
Ve stlačitelném kapalném médiu se kolísání tlaku šíří ve formě vlny . Zvuk se nešíří ve vakuu : hmota je potřebná, aby se její vibrace mohly šířit ve zvukových vlnách. Vzduch , ve kterém lidé žijí, je příznivé prostředí a změny tlaku vzduchu tvoří zvuk. Amplituda ze změny tlaku je malý ve srovnání s statického tlaku ( atmosférický tlak ); aby to bylo vnímatelné, musí to být dostatečně rychlé a opakované.
Zdrojem zvuku je vibrující předmět, například hudební nástroj nebo reproduktor , který způsobuje vibrace vzduchu. Rušení se šíří, ale částice vzduchu kmitají kolem stabilní polohy jen několik mikrometrů , stejně jako při házení kamene do vody se vlny pohybují od bodu pádů, ale voda zůstává na stejném místě, pohybuje se pouze svisle a nesleduje vlny (zátka umístěná na vodě zůstává ve stejné poloze bez pohybu). V tekutinách je zvuková vlna podélná, to znamená, že částice vibrují rovnoběžně se směrem pohybu vlny.
Pevná látka , živá , může přenášet zvuk. Vibrace se tam šíří, jako v tekutinách, se slabou oscilací atomů kolem jejich rovnovážné polohy, což má za následek napětí materiálu, ekvivalentní tlaku v tekutině, ale obtížněji měřitelné. Tuhost materiálu umožňuje přenos příčných napěťových vln. Podobně, i když v menší míře, může viskozita kapaliny měnit, zejména za extrémních podmínek, rovnice šíření vypočítané pro ideální plyn .
Rychlost zvuku nebo rychlost zvuku závisí na povaze, teplota a tlak média.
Matematický model z ideálního plynu poskytuje přibližnou výsledek pro množení v suchém vzduchu. Výsledkem je vzorec, kde rychlost je úměrná druhé odmocnině absolutní teploty v Kelvinech :
Pro běžné teploty na obydlených místech platí vzorec
kde je teplota ve stupních Celsiaumožňuje rychlý výpočet. Výsledek těchto dvou aproximací se odchyluje o méně než 1 m / s od rychlosti zvuku v suchém vzduchu při normálním atmosférickém tlaku mezi −25 a +35 ° C, která se počítá přesněji.
Asimilace suchého vzduchu na ideální plyn má za následek nesrovnalosti s naměřenými hodnotami, zejména při vysokém tlaku a nízké teplotě. Přesnější nebo validnější výpočty v širším rozsahu musí zohledňovat složitější vztahy, které existují v reálném plynu .
Vlhkost vzduchu mírně zvyšuje rychlost zvuku. Horký vzduch pojme více vodní páry; variace, exponenciální je necitlivý nižší než 10 ° C . Při 30 ° C je rychlost zvuku na vzduchu při 85% relativní vlhkosti o 2 m / s vyšší než na suchém vzduchu.
Kolísání rychlosti zvuku ve vzduchu má někdy značný praktický význam. V hudební akustiky , tato rychlost určuje frekvenci na zvukové vlny, které vystupuje z trubky rezonanční jako trubky varhan . V laboratořích je měření rychlosti zvuku za různých podmínek jedním ze způsobů přístupu k vlastnostem materiálu.
Rychlost zvuku se zvyšuje:
Ve vodě , která je mnohem hustší a mnohem méně stlačitelná než vzduch, je rychlost zvuku asi 1 500 m s -1 . V dalších nastaveních se vibrace mohou šířit ještě rychleji. V oceli se vibrace šíří z 5600 na 5900 m s -1 .
Síla sférické vlny je rozdělena na kouli, jejíž plocha je úměrná čtverci poloměru. Výsledkem je, že akustický výkon na jednotku plochy klesá úměrně se druhou mocninou vzdálenosti od zdroje, pokud neexistují žádné překážky, které by zvuk odrazily.
Většinu času se absorpční útlum v propagačním médiu mění s frekvencí . Ve vzduchu je v 500 m amplituda vlny při 8000 Hz desetkrát více oslabena než vlna s nízkou frekvencí. Jsou známy pouze určité příčiny. Viskozita vzduchu způsobuje útlum úměrná druhé mocnině frekvence; tepelné výměny způsobují další útlum, úměrný frekvenci a proměnlivý podle složení vzduchu, zejména podle jeho vlhkosti. Měření ukazuje další útlum, který nebyl začleněn do teoretických modelů.
Studium šíření v daném místě se provádí z akustického tlaku , který vyjadřuje zvukovou sílu. Často se vyjadřuje v decibelech vzhledem k percepční hranici nebo z akustické intenzity , která vyjadřuje množství a směr energie přenášené vibracemi média. Proto jsme se vybudovat matematický model na na akustické pole .
Atmosférické a meteorologické podmínky ovlivňují místní a dálkové šíření zvuku.
K předpovědi šíření zvuku je nutné znát průměrnou teplotu, ale také tepelnou strukturu a vlhkoměr protékajícího vzduchu a také směr větru.
Přítomnost vodních kapiček v atmosféře, například v oblacích a mlhách, jako jsou ledové krystaly, za sněhových podmínek dramaticky mění šíření zvuku. Výsledkem je pokles a rozptyl rychlosti a útlum o to více, že frekvence je nízká.
V heterogenním prostředí prochází zvuk odrazy a lomy rozhraní, což vede k difúzi a absorpci, které jsou základem zvukové izolace .
Rychlost zvuku lze zaokrouhlit na jeden kilometr každé tři sekundy, aby bylo možné poměrně snadno, i když přibližně, vypočítat vzdálenost mezi pozorovatelem a bleskem během bouřky . Záblesky jsou skutečně dostatečně blízko, abychom mohli zvážit okamžité vnímání světla. Každé třísekundové období, které musíte počkat, až uslyšíte hrom, je tedy zhruba jeden kilometr. Na počkání 8 sekund je tedy vzdálenost, která odděluje pozorovatele od blesku, 8 × 340 = 2720 m ; nebo jednodušeji 2 kilometry dvě třetiny.
Vzhledem k metodě odhadu je větší přesnost iluzorní. I bez zohlednění doby reakce člověka (pokud se počítá například uplynulý čas na videozáznamu) je nepravděpodobné, že by v atmosféře narušené silnými větry a značnými teplotními a vlhkostními rozdíly zvuková vlna vždy cestovala v přímka a stejnou rychlostí.
Každá živá bytost obdařená sluchem může definovat zvukové spektrum ; mnoho druhů používá zvuk pro komunikaci mezi jednotlivci. Akustický frekvenční rozsah se liší v závislosti na druhu. Zatímco lidé slyší zvuky až kolem 15 kHz , u savců:
Některá zvířata využívají svou schopnost pokrýt široké pásmo frekvencí pro různé účely :
Zvuky, které ptáci vnímají, se do značné míry překrývají se zvuky, které lidé slyší, a používají je ke komunikaci.
Ryby vnímají vibrace vody. U několika druhů je vnímání původního směru vylepšeno dlouhou řadou receptorů umístěných ve střední linii. Zvuk je užitečný jak pro predátory, tak pro kořist, k lovu nebo útěku. Dotyčné frekvence jsou pro člověka často nepostřehnutelné .
Stejně jako u všech vnímaných jevů hraje čas zásadní roli. Zvuk, který je variací tlaku, a zvuková informace, variace této variace, závisí zvukový dojem v několika ohledech na čase. Protože zvuk je také vlna, která se šíří v prostoru v čase, existují úzké vztahy mezi prostorem a časem, a to jak při studiu zvuku, tak při jeho vnímání.
Existuje několik charakteristik zvuku:
Postačí, že se jedna z těchto charakteristik liší, ostatní zůstávají nezměněny, aby byl rozdíl vnímán. Opakování tvaru v průběhu času zahrnuje představu o rytmu . Lidské bytosti jsou navíc schopny rozlišovat a sledovat zvukové emise vybavené určitou kontinuitou postav uprostřed řady dalších ( efekt koktejlové párty ).
Psychoakustika studuje intenzitu zvuku za přítomnosti daného fyzického zvuku. Tento dojem zesiluje nebo zeslabuje zvuk (hudebníci říkají nahlas nebo piano ) závisí především na efektivní hodnotě z akustického tlaku , což je malá změna atmosférického tlaku, který definuje zvuk.
K vyjádření hladiny zvuku lze použít dvě vzájemně související veličiny: intenzita zvuku ve wattech na metr čtvereční nebo akustický tlak v pascalech ( newton na metr čtvereční, N m −2 ). Akustický tlak v bodě se měří zvukoměrem ; akustická intenzita, která zahrnuje směr šíření vln, méně přímo souvisí s vnímáním. Méně přístupný pro měření, používá se pro výpočty akustiky.
Tyto fyzické jednotky se však v každodenní komunikaci používají jen zřídka:
Akustický tlak a intenzita jsou často vyjádřeny v decibelech (dB). Je to bezrozměrná veličina , desetinásobek desetinného logaritmu poměru výkonu mezi kvantitativní charakteristikou studovaného zvuku a referenčním zvukem. Tyto referenční hodnoty jsou pro intenzitu zvuku I 0 = 1 × 10 −12 W m −2 (jeden pikowatt na metr čtvereční) a pro akustický tlak P 0 = 2 × 10 −5 Pa (20 mikropascalů). Decibel je zhruba nejmenší změna hlasitosti zvuku, kterou člověk vnímá. Úroveň 0 dB odpovídá téměř nepostřehnutelnému zvuku. Všechny hladiny zvuku jsou tedy kladná čísla.
Decibely se vztahují k desítkovému logaritmu síly. Akustická intenzita je výkon na metr čtvereční, takže vynásobením akustické intenzity o 10 se zvýší hladina zvuku o 10 dB , vynásobí se o 100, zvýší se úroveň o 20 dB atd. Akustický výkon je úměrný druhé mocnině tlaku: k vynásobení zvukového tlaku o 10, k znásobení výkonu o 100, tedy ke zvýšení úrovně o 20 dB , a k vynásobení akustického tlaku o 100, k vynásobte výkon o deset tisíc a přidejte k úrovni 40 dB .
Úroveň akustického tlaku poskytuje pouze první představu o hlasitosti nebo hlučnosti (vnímaný zvukový vjem). Citlivost ucha se mění podle frekvence zvuku; ucho je citlivější na střední frekvence. Pro přiblížení se této citlivosti lze filtrovat elektrický signál, který představuje akustický tlak. Mnoho zákonů a předpisů vyžaduje filtr vážený „A“. Toto se označuje jako A-vážený decibel (dB A).
Hlasitost zvuku, to znamená zvukový vjem, závisí na síle přenášené do uší posluchačů. Abychom to mohli posoudit, použijeme mikrofon, který transformuje akustický tlak na elektrický signál, který měříme. Velikost, která odráží hladinu zvuku, je efektivní hodnota akustického tlaku nebo elektrické napětí, které jej představuje, což je spojitá hodnota, která produkuje stejný výkon jako signál. Efektivní hodnota je druhá odmocnina odmocniny střední hodnoty hodnot signálu, známá také jako hodnota RMS ( Root Mean Square ).
Ve studiích ochrany proti hluku uvažujeme:
Všechna tato měření se provádějí v bodě pomocí zvukoměru . Zvuk se však šíří ve vlnách v atmosféře všemi směry. Studium zvuku zahrnuje studium jeho šíření ve třech rozměrech a pro daný bod může měření zahrnovat měření směru šíření (viz Akustická intenzita ).
Mezi fyziologové se shodují, že slovo lidských průměrné vnímá zvuky v kmitočtovém rozsahu asi 16 Hz pro nízkou a hluboké basy při teplotě 15 až 18 kHz pro jemnější a vyšší výšky.
Citlivost se na extrémních frekvencích postupně snižuje a liší se podle jednotlivce, vnímání výšek klesá zejména s věkem a vnímání nízkých frekvencí se nakonec spojuje s vnímáním vibrací, nemůžeme určit absolutní hranici:
Spektrum zvuku je přímo spojeno s pocitem ostrosti ze zvuku, což je vyjádřeno tím, že zvuk je více „akutní“, je-li spektrum zaměřen na vysokých frekvencích, nebo více „vážný“ nebo „tlumené“. " v opačném případě. Tento relativně nepřesný pocit sahá od nejzávažnějších zvuků, kolem 16 Hz , po nejakutnější, kolem 15 000 Hz .
V případě, že zvuk je harmonická, to znamená, že obsahuje hlavně frekvence přibližně více AN slyšitelný zásadní , že frekvence, jak je vyjádřeno v jednotkách Hertz (Hz), určuje jeho výšku . Vnímání výšky tónu se uplatňuje pro základní frekvence mezi přibližně 30 Hz a 5 000 Hz . Vyjadřuje se možností reprodukce noty jejím zpěvem; osoba vyškolená v hudební teorii může říci její jméno.
Lidé dokážou rozložení frekvencí celkem dobře a v harmonických zvucích je to důležitá součást hudebního zabarvení . Rozteč jemně rozlišuje mezi blízkými frekvencemi, i když je spektrum bohaté na harmonické, chyby jedné oktávy jsou častější než jiné. Jeden může vytvořit sluchové iluze, jako je ta Shepardova stupnice , která, jak se zdá, navždy stoupá ve svých stupních, hraním na tyto dva aspekty vnímání zvukových frekvencí.
Známka je „ve kterém může akustický signál identifikaci zdroje“ .
Mezi fyzické prvky razítka patří:
Výběr příslušných prvků je psychoakustická otázka .
Všechny signály lze definovat a analyzovat buď v časovém prostoru, nebo ve frekvenčním prostoru. V prvním případě studujeme historii hodnoty signálu. Máme přesnou představu o čase, ale žádnou o frekvenci.
Definovat signál ve frekvenčním prostoru znamená říci, jaké je jeho spektrum , vypočítané pomocí Fourierovy transformace . Spektrum signálu představuje frekvence různých sinusoid nebo „čistých tónů“, které by jej po přidání obnovily. Tyto komponenty komplexního zvuku se nazývají částečné . Když jsou tyto frekvence násobky stejné frekvence, nazývané základní , ostatní jsou harmonické . Pokud jsou přítomné frekvence dokonale známé, nemáme žádnou představu o hodnotě akustického tlaku v daném okamžiku. Spektrum představuje každou hodnotu ve formě „čáry“, jejíž výška nebo barva se mění s její amplitudou. Spektrum čistého zvuku představuje jeden řádek.
V těchto studiích se chováme, jako by signál vždy začínal a pokračoval ad infinitum. Skutečné zvukové signály však začínají a končí a v praxi nás zajímá, jaké frekvence obsahuje, a kdy je můžeme detekovat. Sonogram představuje frekvencí přítomny a jejich intenzity jako funkce času. Zastoupení je předmětem kompromisu. Jeden může vypočítat frekvence s přesností, a tak rozlišit dvě blízké frekvence, pouze s dostatečně dlouhou dobou trvání; ale je možné lokalizovat zvukové události v čase s přesností, pouze pokud je doba trvání krátká. Produkt časových a frekvenčních nejistot je konstantní.
Zvuk studujeme buď jako médium pro přenos informací, jako je řeč nebo hudba, nebo jako obtěžování ( hluk ). Za tímto účelem generujeme akustické signály, jejichž charakteristiky dobře známe o emisích, a zkoumáme, čím se stanou při průchodu systémem, který studujeme, což může být například protihluková stěna nebo hala, kde jsou zprávy mají být vysílány, koncertní sál, nahrávací studio.
Studujeme akustickou odezvu systémů analyzováním jejich odezvy na tři hlavní třídy signálů:
Digitální elektronika umožnila vytvářet signály, které se účastní těchto tří kategorií, chirps ( (en) chirps ), které umožňují automatizované studium charakteristik místnosti nebo materiálu. Známo a přesně opakovatelné, studium jejich modifikace průchodem studovaným médiem rychle poskytuje data o akustických vlastnostech, které jdou od tlumení a šířky pásma k dozvuku .