La aplicación y las perspectivas de desarrollo de los fenómenos sonoros en la tecnología moderna
1. ¿Qué es el sonido?
Las vibraciones sonoras que el oído humano puede sentir se denominan sonidos. El sonido se produce por la vibración de los objetos. La transmisión del sonido requiere un medio. El sonido no puede viajar en el vacío. El tono de un sonido se llama tono. Está determinada por la frecuencia de vibración de la fuente de sonido. Por lo tanto, si el oído humano puede oír el sonido está determinado por cuatro factores: (1) debe haber una fuente de sonido que vibre (2) debe haber un medio de transmisión del sonido, y todos los sólidos, líquidos y gases pueden transmitir el sonido. Todos los estudiantes que viven en el edificio tienen esta experiencia. Los residentes del primer piso hablan en el interior, pero es menos probable que los residentes del quinto piso escuchen. Pero si alguien en el primer piso golpea la tubería de calefacción, el sonido se transmitirá a lo largo de la tubería de hierro y los residentes de todos los pisos lo escucharán claramente. En la fábrica, el taller será muy ruidoso y, si hay una falla en la máquina, será difícil para el maestro escuchar el ruido anormal. A menudo sostiene un destornillador con un extremo contra la carcasa de la máquina y el otro cerca de su oreja, para poder oír el ruido dentro de la máquina. (3) El sonido se propaga dentro de una cierta distancia. Si está demasiado lejos de la fuente de sonido, no lo oirá. En una pradera tranquila y plana, la gente puede escuchar fácilmente el sonido del motor de un tractor a 10 kilómetros de distancia, pero en una ciudad, no se puede escuchar a cientos de metros de distancia. Por un lado, el sonido se dispersa por los edificios del suelo y, por otro lado, el ruido ambiental es demasiado fuerte. (4) La frecuencia del sonido que escucha el oído humano es de 20 Hz a 20000 Hz. No se puede escuchar más allá de este rango de frecuencia.
2. Ondas ultrasónicas y ondas infrasónicas
Las ondas sonoras con una frecuencia inferior a 20 Hz se denominan ondas infrasónicas y no pueden ser percibidas por el oído humano, pero sí por los animales marinos como las ballenas y los delfines pueden sentir las olas al otro lado del océano. Las ondas infrasonidas causadas por tormentas, terremotos, tsunamis, etc. pueden ser sentidas y respondidas por las ballenas a miles de kilómetros de distancia. Las ondas con una frecuencia superior a 20.000 Hz se denominan ondas ultrasónicas y no pueden ser sentidas por los oídos humanos, pero sí pueden ser escuchadas por mosquitos, murciélagos, gatos, perros y ganado. Los occidentales utilizan un silbato llamado silbato para perros para llamar a sus perros. El silbato para perros emite ondas ultrasónicas y los peatones circundantes están perdidos. El perro ya ha actuado de acuerdo con la orden del silbato para perros.
La reflexión del sonido está relacionada con la linealidad (longitud y grosor) del obstáculo. Cuanto menor es la frecuencia, mayor es la longitud de onda y mayor es la linealidad del obstáculo que debe reflejarse. Un gran muro puede reflejar nuestros gritos, pero un poste telefónico no puede reflejar nuestras voces. Los murciélagos emiten ondas ultrasónicas con longitudes de onda extremadamente cortas. Incluso los cables reflejan los mosquitos, lo que permite a los murciélagos localizarlos, evitarlos y adherirse a los mosquitos.
El oído humano sólo puede sentir ondas sonoras de unos 20.000 Hz como máximo. Las ondas sonoras con frecuencias más altas son las ondas ultrasónicas, que se utilizan ampliamente en muchas tecnologías.
El ultrasonido tiene dos características, una es su alta energía y la otra es que se propaga en línea recta. Su aplicación se basa en estas dos características.
La investigación teórica muestra que, a la misma amplitud, la energía de vibración de un objeto es proporcional al cuadrado de la frecuencia de vibración. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en un medio, la frecuencia de vibración de las partículas del medio es muy alta, por lo que la energía es muy grande. En el seco invierno del norte de China, si se colocan ondas ultrasónicas en un tanque de agua, las violentas vibraciones romperán el agua del tanque en muchas pequeñas gotas de agua y luego usarán un pequeño ventilador para soplar las gotas de agua en el interior. Puede aumentar la humedad del aire interior. Este es el principio del humidificador ultrasónico. En enfermedades como la faringitis y la traqueítis, es difícil que los medicamentos lleguen a la zona afectada. Utilizar el principio de un humidificador para atomizar la solución medicinal para que el paciente la inhale puede mejorar la eficacia. La enorme energía del ultrasonido también puede romper piedras en el cuerpo humano.
Desincrustar piezas metálicas, vidrio y productos cerámicos es una tarea engorrosa. Si se aplican ondas ultrasónicas a una solución de limpieza que contiene estos artículos, las vibraciones violentas de la solución de limpieza afectarán la suciedad de los artículos y se podrán limpiar rápidamente.
Como dice el refrán, "las paredes tienen oídos", significa que las ondas sonoras pueden sortear obstáculos.
Sin embargo, cuanto más corta es la longitud de onda, menos evidente es este fenómeno de difracción. Por lo tanto, las ondas ultrasónicas se propagan básicamente en línea recta y pueden emitirse en una dirección. Si un barco de pesca está equipado con un generador ultrasónico submarino, girará y emitirá ondas ultrasónicas en todas direcciones, y las ondas ultrasónicas se reflejarán cuando encuentre un banco de peces. Cuando un barco pesquero detecta las olas reflejadas, sabe dónde están los peces. Este instrumento se llama sonar. El sonar también se puede utilizar para detectar peces en el agua.
Basándonos en el mismo principio, también podemos utilizar ondas ultrasónicas para detectar metales, productos cerámicos de hormigón e incluso embalses para comprobar si hay burbujas, cavidades y grietas en su interior.
Las superficies de varios órganos internos del cuerpo humano tienen diferentes capacidades de reflexión de las ondas ultrasónicas, al igual que los órganos internos sanos y los órganos internos enfermos. El llamado "ultrasonido B" consiste en comparar las ondas ultrasónicas reflejadas por los órganos internos para ayudar a los médicos a analizar las lesiones en el cuerpo.
Curiosamente, muchos animales tienen órganos perfectos para emitir y recibir ondas de ultrasonido. Los marcos que se alimentan de insectos tienen mala vista. Emite continuamente pulsos ultrasónicos durante el vuelo y depende de las ondas reflejadas del cuerpo del insecto para encontrar alimento. Los delfines también tienen un perfecto sistema de "sónar", que les permite localizar peces distantes en aguas turbias. La masa de los radares de radiolocalización modernos es de decenas, cientos o miles de kilogramos. El sistema de posicionamiento ultrasónico del murciélago sólo pesa una fracción de gramo, pero en algunas prestaciones importantes, como la precisión para determinar la posición del objetivo y la capacidad de resistir interferencias, es muy superior a los posicionadores de radio modernos. Se trata de una nueva disciplina desarrollada en las últimas décadas que lleva a cabo estudios en profundidad de las funciones y estructuras de diversos órganos de los animales y utiliza los conocimientos adquiridos para mejorar los equipos existentes y crear otros nuevos.
3. Rango de respuesta de frecuencia
El rango de frecuencia de los sonidos auditivos humanos es de 20 ~ 20000 Hz, lo que permite a las personas apreciar los hermosos sonidos producidos por varios instrumentos musicales. Pero el rango vocal humano es muy estrecho, el bajo no es inferior a 100 Hz y la soprano no es superior a 1100 Hz. Los equipos de audio normalmente sólo pueden amplificar sonidos de 80 Hz a 10.000 Hz. El rango de respuesta de frecuencia de un buen equipo de audio puede alcanzar 40 ~ 16000 Hz. Las grabadoras y amplificadores deben poder amplificar las distintas frecuencias de sonido de un objeto de manera uniforme; de lo contrario, sonará diferente al sonido original. Por ejemplo, la parte de graves se debilita y la parte de agudos se realza mucho. Al escuchar música, no será completa ni diferente del sonido original. Esto es un giro.
4. ***Ming
El sonido emitido por un instrumento musical o un altavoz solo puede mejorarse mediante un altavoz. Esta es la * * * función de sonido del altavoz. Por ejemplo, el erhu está hecho de un "barril" envuelto en piel de serpiente, y la forma y el material del altavoz del violín determinan el timbre rico y agradable del sonido del violín. En términos generales, la frecuencia del sonido de la campana está relacionada con el tamaño de la campana. * * * Cuanto más grande sea la caja del altavoz, * * * más ricos serán los graves del altavoz, mientras que * * * cuanto más pequeña sea la caja del altavoz, más nítido y seco será el sonido. El sonido de una pequeña radio de transistores no es bonito. La clave es que el altavoz es demasiado pequeño.
5. Reflexión del sonido
El eco se forma por la reflexión del sonido. La condición para que las personas escuchen el eco es que el intervalo entre el sonido y el eco sea de 0,1 segundos y el oído humano pueda distinguirlo. Es decir, la distancia entre la fuente sonora y la superficie reflectante debe ser superior a 17 metros.
La reflexión puede ocurrir varias veces, que es el principio arquitectónico de la Piedra Sanyin en el Templo del Cielo. En un auditorio, el sonido reflejado, especialmente la reverberación causada por múltiples reflejos, puede hacer que el sonido no sea claro. Para superar el efecto del reflejo, los arquitectos decoran la pared con materiales fonoabsorbentes o la hacen desigual.
Por el contrario, para que el público pudiera apreciar mejor la música, se instalaron muchos paneles reflectantes a una altura de unos 5 metros sobre el escenario de la sala de conciertos, para que el sonido de la banda el desempeño puede reflejarse mejor ante la audiencia.
6. Valor de aplicación del sonar
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas, las personas han dominado muchas tecnologías de detección avanzadas y de vanguardia. Por ejemplo, el radar puede detectar aviones enemigos a cientos de kilómetros de distancia; los telescopios infrarrojos pueden encontrar enemigos ocultos en la noche oscura; la tecnología de detección remota por satélite puede explorar toda la superficie terrestre en unas pocas horas; los radiotelescopios pueden observar el espacio distante;
Pero ¿por qué no utilizar estas tecnologías avanzadas en el agua y seguir utilizando un sonar retardado?
Resulta que el agua de mar puede atraer ondas electromagnéticas, por lo que el radar es inútil. La capacidad de absorción de calor del agua de mar es demasiado fuerte, lo que hace que la tecnología infrarroja sea inútil; la transmisión de luz del agua es pobre, pero su capacidad de absorción de luz es muy fuerte, lo que inutiliza los equipos de observación óptica, como los telescopios. Especialmente en las profundidades del mar, está completamente oscuro y no se puede ver nada. El reflector quedará expuesto nuevamente.
Pero la capacidad de transmisión del sonido del agua de mar es mucho mayor que la del aire. Surgió la tecnología de sonar. El sonar emite un haz de señales sonoras de diferentes frecuencias y luego utiliza un equipo especial para recibir las señales reflejadas y analizarlas. Es como tener orejas de murciélago instaladas y la situación circundante es clara de un vistazo.
El radar ultrasónico también puede detectar nubes. El equipo terrestre emite haces de ondas ultrasónicas hacia las nubes y la altura de las nubes se puede calcular en función del tiempo de reflexión. Luego se analiza el cambio de frecuencia del eco y, basándose en el principio del efecto Doppler, se puede medir la velocidad de deriva de la nube en el aire. Por lo tanto, la tecnología de sonar sigue ocupando una posición insustituible en su campo especial.