Cum s-ar modifica sunetul intr-o atmosfera cu o compozitie diferita?

Question

În spaţiu, pentru că nu există atomi, sunetul nu se propagă.

Dar ce se întâmplă într-o atmosferă diferită faţă de cea cu care suntem obişnuiţi? Bănuiesc că tipul atomilor care constituie atmosfera modfică modul în care se transferă sunetul şi, implicit, modul în care s-ar auzi vorbele noastre.

Answer 1

Salut Quark,

O intrebare noua de fizica suna reconfortant dupa polemicile filozofice pe care le-am citit pe alte sectiuni. M-as opri la constatarea ca sunetul se propaga ca unda, formata de vibratia mediului prin care este transmis, dupa principiul lui Huygens: fiecare oscilator excitat devine la randul lui sursa de oscilatie pentru oscilatorul urmator. Avem de a face cu o oscilatie mecanica, de tipul unor pendule legate, care se propaga in toate directiile pe un front sferic (prezumand ca mediul de propagare este omogen). Dupa cum ai spus si tu, la o densitate zero a mediului de propagare, nu exista sunet. Cu cat densitatea acestuia creste, creste si probabilitatea ca un oscilator sa intalneasca un vecin caruia sa-i transmita miscarea oscilatorie. Daca atmosfera ar fi mai putin densa decat cea actuala, rarefiata, ar fi nevoie de o amplitudine mai mare a oscilatiei initiale, pentru ca aceasta sa atinga oscilatorul vecin, aflat mai departe. Ar trebui sa strigam mai tare ca sa ne facem auziti. Analog, o atmosfera mai densa ne-ar ajuta sa ne facem auziti mai de departe,  chiar daca soptim. Ar mai fi  o componenta care ar modifica sunetul, independent de densitate, si anume masa moleculelor atmosferei. O masa moleculara mare ar necesita o energie mai mare a sursei sonore pentru a se propaga  (iar ar trebui sa strigam) , o masa moleculara mai mica ne-ar cere un efort mai mic. Diferentele de masa moleculara conteaza, cred, mai putin, afara de cazul in care atmosfera ar fi impregnata de vapori de metale grele. Evident, in atmosfere diferite se modifica si viteza sunetului.

Comments

În gaz nu există oscilatoare vecine care își transmit oscilația unul altuia. Sunetul se propagă prin intermediul variațiilor de presiune, de la o masă de gaz la cele vecine. Din punctul de vedere al undei sonore, gazul este un material elastic aflat în repaus.

Nu e clar de ce ar trebui să strigăm într-o atmosferă mai rarefiată sau una compusă din molecule mai grele.

---

Intr-adevar, unda sonora se propaga in mediul elastic format de un gaz, prin variatii de presiune. In acelasi timp, fiind o oscilatie mecanica, are sens sa vorbim de oscilatori ca volume infinitezimale din gaz (e adevarat, nu molecule) care intra in oscilatie si o transmit celor vecine.  Ma refeream la situatiile deosebite pe care le mentionati si Dumneavoastra in raspuns, cu un plus de expresivitate fata de mine - analogia cu propagarea prin nisip.

Answer 2

Singura mare diferență între propagarea undei în diferite tipuri de atmosferă este viteza de propagare. În rest nu se schimbă practic nimic, în afară de cîteva situații deosebite, de exemplu o atmosferă foarte rarefiată sau compusă din materiale care consumă din energia undei (de exemplu propagarea prin nisip). În medii obișnuite nu există un prag minim al amplitudinii, distanța de propagare a undei nu depinde de mediu și unda nu pierde semnificativ din energie prin propagare.

Dar faptul că viteza undei se schimbă are un efect secundar care poate fi important în anumite condiții: schimbarea condițiilor de rezonanță.

De exemplu, dacă inhalezi heliu și vorbești, vocea ta sună subțire, ca a lui Mickey Mouse sau Chip și Dale, pentru că înălțimea aparentă a vocii este determinată de rezonanțe din laringe, faringe și cavitatea bucală. Viteza sunetului în heliu este mai mare decît în aer (de vreo 3 ori mai mare), ceea ce face ca rezonanțele să se producă la frecvențe mai mari. Și invers, dacă inhalezi xenon, la care viteza sunetului e jumătate față de cea în aer, vocea sună gros. (Ambele gaze au efectul că privează plămînii de oxigen, iar xenonul mai are și un efect anestezic, deci nu încercați experimentul ăsta pe cont propriu.)

Tot din cauza rezonanței diferite, dacă am înlocui aerul din încăpere cu un alt gaz, auzul ne-ar da impresia că dimensiunile încăperii sînt diferite. De exemplu o sală de concert mare, umplută cu heliu, ar suna ca o sală de trei ori mai mică în toate dimensiunile, iar umplută cu xenon ar suna ca o sală imensă, de două ori mai mare în toate dimensiunile (experimentele nu s-au făcut, dar teoretic așa iese).

Poate merită să faceți un experiment interesant. Cînd faceți baie în cadă, în bazin, la mare, la gîrlă etc, băgați capul în apă în așa fel încît să se scufunde și urechile (vă luați singuri precauții să nu vă înecați, nu răspund eu) și loviți între ele două pietre. Veți avea surpriza să constatați că sunetul e altfel decît v-ați fi imaginat. Explicația este că în apă undele sonore se propagă mai repede decît în aer, și anume de aproape 5 ori mai repede, încît rezonanțele sînt altfel decît cele cu care sîntem obișnuiți în aer, parcă nu se potrivesc cu dimensiunile spațiului din jur.

Comments

Afirmatia Dumneavoastre cu privire la inaltimea sunetului, diferita in functie de gazul prin care acesta se propaga este incorecta. Intr-o atmosfera de heliu frecventa perceputa a sunetului este aceeasi ca in aer obisnuit, deoarece ea depinde doar de frecventa cu care vibreaza corzile vocale si nu de mediul de propagare. Afirm acest lucru deoarece va referiti la inaltimea vocii (frecventa) si nu la timbrul vocal care, e adevarat, depinde de tipul de cutie de rezonanta. Ce ati vrut sa spuneti cu "rezonantele se produc la frecvente mai mari" in heliu? Cum variaza frecventa sunetului in functie de viteza de propagare a undei sonore?

---

Eu n-am spus că înălțimea sunetului depinde de mediul prin care se propagă. După ce a fost emis, sunetul nu-și mai poate schimba frecvența (mă rog, excludem efectul Doppler și altele). Ce am spus eu este că la GENERAREA sunetului poate să aibă importanță viteza de propagare.

Mai exact, unele surse de sunet (vioara, pianul, acordeonul, un difuzor electric) au aceeași frecvență indiferent în ce mediu gazos se află. La difuzor, de exemplu, mediul nu poate influența deloc frecvența, pentru că aceasta e dată de semnalul electric, care nu simte deloc efectele gazului din apropierea membranei. La vioară, pian și acordeon există efecte, dar mici.

În schimb la alte surse (flautul, naiul, orga, vocea umană) procesul de generare este de așa natură încît frecvența sunetului emis depinde de viteza de propagare în gazul înconjurător. Frecvența de rezonanță a tubului unui nai este dată de lungimea tubului și de viteza de propagare (și ca efect secundar de diametrul tubului, dar asta nu se învață la școală). La fel și vocea umană.

Nu trebuie să mă credeți pe cuvînt. Vedeți pe YouTube o mulțime de videoclipuri cu oameni care au inhalat heliu (din baloanele pentru copii) și li s-a schimbat radical vocea. Găsiți de asemenea și experiențe cu xenon. Căutați „helium voice”, respectiv „xenon voice”.

Frecvența cu care vibrează corzile vocale este o consecință directă a rezonanțelor din laringe, care rezonanțe depind de viteza undelor sonore în gazul din laringe. Nu doar timbrul, ci și frecvența fundamentală a vocii depinde de ce gaz avem în laringe.

---

Ceea ce e valabil la un difuzor trebuie sa fie valabil la orice sursa de sunet. Daca ambalam difuzorul intr-o incinta care simuleaza un laringe si umplem incinta cu heliu, s-ar modifica eventual timbrul, frecventa membranei ar fi aceeasi, cea asemnalului electric. Ce lege a fizicii conditioneaza frecventa de oscilatie a unei surse de sunet, de viteza cu care ulterior se va deplasa frontul de unda?

---

Iar n-ați înțeles. De ce spuneți „ulterior”? Eu nu vorbesc de propagarea sunetului DUPĂ emisie, ci de procesele care au loc LA emisie. După emisie evident că frecvența nu se mai schimbă.

Ceea ce e valabil la difuzor nu trebuie să fie valabil la orice sursă. Frecvența difuzorului e determinată de semnalul electric și nimic altceva, dar frecvența unui tub de nai sau de orgă e determinată de rezonanțe, care depind de gazul în care are loc oscilația. Experimentul pe care îl propuneți cu simularea unui laringe folosind un difuzor e greșit încă din principiu, pentru că un laringe real se comportă diferit: oscilația lui depinde de mediu.

V-ați uitat pe YouTube? Sau dacă credeți că toate miile de videoclipuri de acolo au fost trucate, ați încercat experimentul cu heliul? Eu l-am încercat și știu bine cît de pițigăiată devine vocea.

---

Procesul care are loc LA emisie, adica la producerea unui sunet este, in cazul corzilor vocale, o vibratie a acestora cu o frecventa determinata. Daca peste coarda mi a unei viori se trece cu arcusul, aceasta va produce sunetul mi indiferent de fenomenele de interferenta din cutia de rezonanta si indiferent de compozitia atmosferei in care are loc experimentul. E posibil ca in heliu sa produca un mi pitigaiat (nu am incercat), dar este tot nota mi. Am rugamintea ca pe viitor sa va referiti, in dialogurile cu mine, la subiectul dezbaterii si nu ce credeti despre mine relativ la faptul de a fi inteles sau nu. Multumesc.

---

Corzile vocale se comportă altfel decît corzile viorii. La vioară frecvența e dată de lungimea corzii, de densitatea liniară de masă și de tensiunea mecanică, în timp ce aerul din jur nu contează practic deloc. O vioară funcționează la fel de bine și în vid (doar timbrul diferă), singura problemă e că vibrația nu se poate propaga decît în corpul viorii. În schimb vocea umană nu funcționează în vid deloc, pentru că principiul de generare a vibrației face indispensabilă prezența unui gaz.

[Text șters pentru că era greșit, v. comentariul următor.]

Poate că exemplul cu vocea este nefericit, pentru că procesul fonației este complex și multă lume nu știe cum se produce. De-asta aș fi preferat să vorbim de un flaut sau un tub de nai, deși nici acolo multă lume nu știe cum se produce vibrația, dar măcar e mai ușor de experimentat și văzut ce se întîmplă. Un tub de nai în atmosferă de heliu emite un sunet de cca 3 ori mai înalt decît în aer. La fel un flaut, un tub de orgă etc., pentru că frecvența sunetului este determinată de rezonanța unei coloane de aer. La un tub de nai, de exemplu, rezonanța se produce în așa fel încît lungimea coloanei de aer este aproximativ un sfert din lungimea de undă a sunetului în aer. Frecvența este direct proporțională cu viteza de propagare a sunetului în aer: f = v/4L.

---

M-am mai documentat și am aflat că aveți dreptate într-o anumită privință: heliul nu modifică frecvența fundamentală a vocii, ci doar proporțiile armonicilor. Armonicile mai înalte devin mai amplificate, pentru că intră în acolo se mută frecvențele de rezonanță ale cavităților de pe tractul vocal.

Mai exact, frecvența fundamentală de vibrație a corzilor vocale este dată de tensiunea mecanică din pliurile respective, de masa și de lungimea lor, iar aerul contribuie numai secundar, oarecum similar cu ce se întîmplă la un acordeon.

Mulțumesc că m-ați ajutat să aflu asta și scuze că v-am contrazis.

În orice caz, esența răspunsului meu rămîne valabilă: compoziția gazului are efect asupra sunetelor numai prin intermediul vitezei de propagare, care modifică rezonanțele.

---

Intr-adevar, exemplul cu vocea e nefericit, iar explicatia cu naiul este corecta. Exemplul pe care l-ati ales este insa un caz particular, se refera la cum se produce sunetul intr-un tub inchis la un capat. Conditia ca la capatul deschis sa existe un ventru al undei stationare impune ca lungimea tubului sa fie egala cu un numar impar de sferturi de lungime de unda. Foarte adevarat. Ar fi un excelent raspuns la intrebarea : Cum se modifica sunetele instrumentelor de suflat intr-o atmosfera modificata?