Question:
Pourquoi est-il si facile de créer un son audible?
user929304
2014-12-23 19:32:33 UTC
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Contexte

Pourquoi est-il si facile de créer des sons audibles dans la vie avec pratiquement n'importe quoi?

  • Mettre votre tasse de café sur une table est accompagné d'un son
  • Le fait de tourner une page de votre livre est accompagné d'un son
  • Même quelque chose d'aussi doux qu'une serviette crée un son lorsque vous le déplacez ou le dépliez.
  • Quand il reste le sol est déplacé par le vent, on entend le son!
  • Bien sûr, la liste n'a pas de fin, mais vous voyez le point.

Ma propre supposition est cela: il doit être lié à la densité moyenne de l'air autour de nous, ce qui rend audible la compression de l'air causée par nos activités quotidiennes. Le fait que notre gamme de fréquences d'audition s'étend de 20 Hz à 20 000 Hz est très probablement dû à des raisons évolutives, à savoir que ceux dont la portée auditive est plus faible ont plus de mal à survivre. Mais c'est une autre histoire.

Question

Tout cela mis à part, quels critères doivent être remplis pour qu'un son acoustique soit audible? c'est-à-dire s'inscrire dans notre gamme auditive. J'imagine que pour une image complète du problème, il y a de nombreux facteurs à considérer, par exemple :

  • Densité de l'objet $ \ rho_o $ créant le son
  • Densité de l'air $ \ rho _ {\ rm air} $, pour simplifier, supposons qu'elle soit constante, c'est-à-dire à latitude fixe!
  • Vitesse $ v $ de l'objet en mouvement
  • La section transversale de l'objet $ S $ (probablement un facteur très crucial car il va de pair avec l'intensité du onde acoustique j'imagine)
  • Les détails de la surface de l'objet: rugueux, mou, dur, plat etc.

Tout dos de l'estimation de l'enveloppe avec le nombre minimum de facteurs nécessaires à prendre en compte fera l'affaire!

Connexes: http://physics.stackexchange.com/questions/147826/how-much-air-needs-to-be-displaced-to-generate-an-audible-sound
La plupart des gens ne peuvent pas réellement entendre de 20 Hz à 20 kHz.Au fond, c'est plus un grondement qu'un son.Au sommet, peu de gens entendent aussi haut et la fréquence supérieure diminue avec l'âge.
C'est probablement parce qu'un son facile à produire est devenu audible au cours de l'évolution ;-)
@user929304 L'édition n'est pas effectuée "sans raison".[L'élément HTML `
` représente une ** coupure thématique ** entre les éléments au niveau du paragraphe] (https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/HTML/Element/hr);ce n'est pas une ligne utilisée pour la décoration.
@Blackhole: Pourtant, absolument tout le reste de l'édition était complètement superflu.
Ce n'est pas une question de physique.«Audible» est défini par l'observateur.Les instruments de l'observateur sont déterminés par l'évolution.L'audition est plus utile si elle détecte des signaux communs et serait plus susceptible d'être transmise aux générations suivantes.
@HenkLangeveld C'est absolument une question de physique.«Audible» dans ce contexte fait référence aux limites audibles humaines moyennes, sur lesquelles une limite inférieure est ~ 20 Hz et une limite supérieure est ~ 20 kHz en fonction de l'âge et de la génétique.Même si l'OP n'a pas eu la gentillesse de fournir cette gamme de fréquences explicite, après quoi il s'agit clairement d'une question de physique pertinente, par quelle mesure proposez-vous que ce ne soit pas une «question de physique»?
Pertinente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5d/Animal_hearing_frequency_range.svg/512px-Animal_hearing_frequency_range.svg.png
@Ehryk Nous pouvons appliquer la physique pour expliquer l'arrière-plan de la question, comme dans [Pourquoi l'air est-il invisible] (http://physics.stackexchange.com/a/1838/26154).Je voudrais souligner le biais anthropique, tout en évitant les discussions autour du principe anthropique.
Rien de mal à faire modifier votre question.La deuxième révision de la question me paraissait et me lisait mieux de toute façon.
[Les sons audibles sont des vibrations de l'ordre de 1 μm.] (Http://www.ted.com/talks/michael_rubinstein_see_invisible_motion_hear_silent_sounds_cool_creepy_we_can_t_decide)
Je n'ai pas assez de réputation pour publier une réponse, mais cette question a été examinée par [Sivian et White (1933)] (http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/4/4/10.1121/1.1915608) et ils ont fait de beaux calculs théoriques en ce qui concerne le mouvement brownien, puis ont fait des comparaisons sur la qualité de l'audition des humains et ont constaté que les humains peuvent presque entendre le mouvement brownien.
@StrongBad très belle référence, merci beaucoup!Connaissez-vous un lien pdf de l'article?
@user929304 notre profil indique que vous êtes étudiant, vous devriez vérifier si vous pouvez le télécharger sur le campus ou l'obtenir via ILL.
Sept réponses:
Floris
2014-12-23 23:56:40 UTC
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Nous pouvons considérer quatre aspects de votre question:

  1. Pourquoi la plupart des événements génèrent-ils du son?
  2. Quels sons se propagent?
  3. Que signifie cela prend-il pour que le son soit détecté?
  4. L'évolution a-t-elle quelque chose à voir avec ça?

1 - générer du son La plupart des sons vous décrivez sont "large bande". Rappelez-vous qu'une impulsion delta (choc bref et aigu) est essentiellement «toutes les fréquences», bien qu'en réalité une impulsion de durée finie ne contienne pas les fréquences les plus élevées. Maintenant, il s'avère (voir par exemple ma réponse précédente sur ce sujet) qu'il faut un mouvement absolument minuscule (inférieur à la largeur d'un atome) pour générer une impulsion sonore audible - nous pouvons donc dire en toute sécurité "chaque le mouvement produit un son, la plupart des mouvements produisent un son audible ".

2 - propagation du son Comme toutes les sources d'énergie de taille finie, une fois que vous êtes à une distance raisonnable (raisonnable par rapport à la taille de l'objet générant le son), le son l'intensité diminue comme le carré inverse de la distance (mécanismes d'interdiction pour contenir la direction de propagation: tunnels, montagnes, etc.). Cela signifie que le son restera généralement audible sur à peu près la même distance que l'objet, ce qui le rendra visible / intéressant. Certaines sources très bruyantes (par exemple les grillons) font exception à cette règle - mais elles essaient délibérément de se faire entendre de loin (voir point 4). Le son est également atténué par l'air - selon la loi de Stokes, le coefficient d'atténuation $ \ alpha \ propto \ omega ^ 2 $, ce qui signifie que les fréquences plus élevées sont absorbées plus fortement (en raison des interactions visqueuses dans l'air). Sur le site Web Bruell & Kjaer:

enter image description here

Les basses fréquences ne sont vraiment atténuées que selon la loi du carré inverse, mais les fréquences plus élevées sont atténuées davantage fortement.

3 - détection du son Afin de détecter le son, une membrane doit être déplacée. Ce mouvement doit alors être en quelque sorte transmis au système nerveux, qui est à base d'eau et a donc une impédance acoustique très différente de celle de l'air ($ z_0 = \ rho c $ - donc lorsque la densité augmente de 1000x et la vitesse du son de 4x, vous avez une discordance ...). Les mécanismes de l'oreille (membrane tympanique, marteau, incus, étrier, fenêtre ovale, cochlée) sont une belle pièce d'ingénierie pour créer une sorte de correspondance acoustique, et fonctionnent assez bien sur une gamme de fréquences. Malheureusement, pour les fréquences très basses ou très élevées, une partie de ce mécanisme cesse de fonctionner si bien - la masse finie (inertie) des composants les rend plus réticents à se déplacer à des fréquences élevées. Cela met à nouveau une limite supérieure à la fréquence que nous pouvons entendre. Cependant, l '"amplification" fournie par tout l'orgue est exquise - comme je l'ai calculé dans la réponse ci-dessus, cela signifie que vous pouvez entendre de minuscules et minuscules vibrations.

4 - évolution Le le corps humain est une machine merveilleuse, raffinée par des éons d'évolution - "celle qui entend le prédateur qui approche vit pour procréer un autre jour". La combinaison de "tout dérange l'air qui l'entoure" et "nous sommes conçus pour détecter le moindre son" est la réponse à votre question.

Bonne réponse.Cependant, je n'achète pas votre idée de «système nerveux à base d'eau» dans la partie 3. Au moment où le signal est dans le système nerveux, c'est un type de signal complètement différent - ce n'est pas comme si la vibration sonore elle-même traversait les nerfsau cerveau.En fait, le signal est transporté vers le cerveau avec chaque composante de Fourier communiquée par un nerf différent.
@Brionius - ce que je veux dire, c'est qu'il y a un endroit où une vibration se transforme en stimulus nerveux - et à ce moment-là, vous interagissez avec un matériau avec une impédance acoustique très différente de celle avec laquelle vous avez commencé.La série de "dispositifs" mécaniques qui exécutent cette transformation est incroyablement complexe et belle.La fenêtre ovale transmet les vibrations au liquide à l'intérieur du canal semi-circulaire dans la cochlée, ce qui achève la transformation en "phase liquide".Et c'est là que les cellules ciliées de l'organe de Corti vibrent et stimulent les nerfs (faisant une transformation de Fourier en cours de route).
@Floris Bravo pour aborder différents aspects de la question.Un peu qui était un peu ahurissant pour moi: "* il faut un mouvement absolument minuscule (moins que la largeur d'un atome) pour générer une impulsion sonore audible *", un demi angström?wow, voudriez-vous développer un peu plus à ce sujet?d'où vient-il?
@Phonon - merci.Voir [ma réponse précédente] (http://physics.stackexchange.com/a/147838/26969) où je fais le calcul pour lier le déplacement au son audible.C'est en effet ahurissant.
@Phonon: reconnaissez que ce que nous pouvons entendre est le déplacement _moyen_ de beaucoup d'atomes sur cette échelle - pas un stom individuel.Il y a une différence!
@Floris oui très certainement, je m'étirais juste dans le noir avec cette idée parce que c'est tellement fascinant :).Je dois partager [ceci] (https://www.youtube.com/watch?v=v3pYRn5j7oI) Feynman bit avec vous.
Merci @Phonon pour le partage.J'adore le scintillement dans ses yeux ...!
Le travail du prix Nobel de von Bekesy sur le fonctionnement de la cochlée a été mené sur une cochlée morte et endommagée.Bien que tout un exploit pour l'époque et que les caractérisations des non linéarités dans la cochlée soient toujours extrêmement importantes, il a manqué le fait qu'il existe un composant actif (généralement appelé amplificateur cochléaire) qui est essentiel pour détecter les sons calmes.
Physicist137
2014-12-23 19:46:08 UTC
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Nous avons donc besoin de données sur les oreilles. Un son audible a une intensité minimale de $ I_0 \ approx10 ^ {- 12} W / m ^ 2 $. Cela montre à quel point nos oreilles sont vraiment sensibles. Une façon de le voir est d'utiliser cette intensité pour calculer la variation totale du déplacement d'air. Si vous faites cela, nous aurons environ $ \ Delta u \ approx1.1 \ cdot 10 ^ {- 11} m $. C'est 0,11 $ angströms! C'est plus petit que le rayon des atomes !! À titre de comparaison, l'atome d'hydrogène dans l'état d'énergie le plus bas a un rayon de 0,52 $ angströms. Ainsi, nos oreilles sont un extraordinaire "appareil" étonnant très, très, très sensible, capable de détecter ces grandeurs de déplacements du tympan. Ceci met en relation l'intensité de l'onde et le déplacement d'air maximal $ U $: $$ I = \ frac {1} {2} \ rho_ {air} v \ omega ^ 2 U ^ 2 $$

Où , $ v $ est la vitesse du son. La fréquence est $ f = \ omega / 2 \ pi $.

Un autre fait à considérer est la fréquence. Notre oreille peut entendre de $ f_m = 20Hz $ à $ f_M = 20kHz $. Lorsque nous «mettons votre tasse de café sur une table», par exemple, nous déformons la table. La table vibre pendant quelques secondes. Cette vibration fera également vibrer l'air, qui voyagera comme une vague jusqu'à atteindre vos oreilles. Alors vous l'entendez. Ces vibrations sont très faibles, mais notre oreille peut les détecter. Ces fréquences de vibration presque tout le temps à un moment donné sont dans la plage $ f_m<f<f_M $. Ensuite, nous l'entendons.

Des choses comme celle-ci m'obligent à considérer la gloire du monde naturel.Lorsque nous communiquons les uns avec les autres, nous projetons de l'air à travers l'espace dans de minuscules trous sur les côtés de notre tête qui mesurent les molécules vibrantes.C'est presque surréaliste.
Simon B
2014-12-23 21:26:21 UTC
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La densité de l'air est bien inférieure à celle de la plupart des solides, donc tout objet solide qui vibre fera vibrer l'air qui l'entoure.

Si vous frappez un objet solide, il vibre à une fréquence dépendant de la fréquence. sur sa masse et son élasticité (entre autres). De nombreux objets du quotidien ont une fréquence de résonance dans la plage de l'audition humaine. Même si vous n'entendez pas la fréquence de résonance de l'objet, vous pouvez toujours entendre des harmoniques ou la résonance de parties de l'objet.

Bien joué.Puis-je suggérer d'ajouter un peu d'informations sur les ondes d'impulsion / de choc, qui ne dépendent pas tant de la résonance interne que de l'air expulsé du volume autour du point d'impact?
Retournez votre première phrase: si la densité de l'air est bien inférieure à celle de la plupart des solides (y compris les composants mobiles de l'oreille), cela signifie-t-il que l'air vibrant aura du mal à induire des vibrations dans les composants mobiles de l'oreille?De mon point de vue simpliste, cela semblerait être une incohérence dans votre réponse - j'aimerais la voir clarifiée.
Simon, tu as mal orthographié * c'est *
@DigitalTrauma Je pense que la réponse de Physicist137 est meilleure que tout ce que je pourrais trouver à cet égard.
CuriousOne
2014-12-23 20:02:50 UTC
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Évolution. Nous avons évolué pour entendre le tigre à dents de sabre se préparer à nous sauter dessus.

Peteris
2014-12-24 00:28:04 UTC
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Ce qui est "audible" est produit à partir de ce que les sons se produisent couramment

Il y a beaucoup de réponses sur les raisons pour lesquelles beaucoup de choses produisent un son, mais une chose importante est que la définition de "audible" - c.-à-d. les longueurs d'onde et les niveaux de puissance des vibrations mécaniques tombent dans la «gamme audible» est le résultat de notre environnement. La bonne réponse à la question «pourquoi les choses intéressantes se situent entre 20 et 20 kHz» est que s'il y avait des sons communs pertinents pour nos vies avec, disons, une fréquence de 15 Hz ou 30 kHz, alors nos oreilles, notre cerveau et d'autres organes seraient probablement légèrement différents et leur portée auditive inclurait respectivement 15 Hz ou 30 kHz.

Fall Apart
2015-01-05 04:22:48 UTC
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Vous devez partager ceci sous forme de commentaire / réponse,
pourquoi les valeurs au calme sont facilement détectées? Une plage dynamique de 60 dB peut être observée. Dans un environnement calme, le seuil d'audition est légèrement supérieur à 0 dB. Dans l'environnement sonore le plus tolérable, le seuil est de 60 dB.Heerens & de Ru ( Applying Physics Makes Audory Sense , PDF here Copie directe & paste from here:

page 38Chapitre 4.

Le rôle des signaux DC dans l'orgue de Corti et l'amplificateur cochléaire

Si nous utilisons des valeurs réalistes pour les différentes grandeurs, nous pouvons calculer l'étendue de l'effet de
pression sur la membrane basilaire. Les déflexions dans le tympan mesurent environ
0,1 micromètre. Pour une déviation avec une fréquence de 1000 Hz, tandis que la
densité de la périlymphe est estimée égale à celle de l'eau, 1000 kg / m ^ 3,
et 1: 1 est donnée pour l'amplification d'amplitude dans la chaîne ossiculaire, la pression
constante sera de 0,1 mPa. dans un facteur de 5 au-dessus de 0 dB SPL, qui est
2 × 10 ^ -5 Pa. Si le facteur d'amplification est égal à la «transduction de pression» estimée dans
la chaîne ossiculaire d'environ 25, le pressu la charge sur la membrane basilaire
augmente d'un facteur 625, en raison de l'équerrage. Ces valeurs sont facilement détectées, certainement
quand une résonance suffisante est présente dans la membrane basilaire pour évoquer les
signaux requis dans le nerf auditif.

Le système disait: Vous devez avoir 50 points de réputation pour commenter.Donc, cette réponse est un commentaire, parce que je ne pouvais pas la poster comme un commentaire sur la question ni sur les autres réponses, donc j'ai posté ceci ici comme réponse, mais c'est un commentaire.Je n'ai pas cette 50 eputation.
user68319
2014-12-24 04:42:18 UTC
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Je voudrais faire trois remarques pour expliquer comment vous entendrez presque toujours ici lorsque des objets se heurtent ou se frottent.

  1. Lorsque deux objets frappent, il y aura une impulsion sur une très courte période pendant qu'un objet accélère ou ralentit. La transformée de Fourier d'une impulsion très rapide est un très large spectre de fréquences. Par conséquent, lorsque deux objets frappent, le spectre d'énergie existera sur une fréquence entière.

  2. Tout objet aura une fréquence de résonance qui transmettra assez bien l'énergie sonore. Cette fréquence dépendra du matériau et de la forme de l'objet.

=>

  1. Lorsque deux objets frappent, ils génèrent un large spectre d'énergie. Parce que tout objet aura une fréquence de résonance, une certaine énergie à cette fréquence sera transmise. Tant qu'un objet émettra un son à une certaine fréquence, il émettra un son lorsqu'il sera frappé par une impulsion.

Exemple. (en utilisant des antennes mais les mêmes principes s'appliquent)

Si une antenne qui résonne à 100 MHz est entraînée avec une impulsion électrique très courte, elle rayonnera de l'énergie à environ 100 MHz pendant un temps très court.

Si une antenne de 500 MHz est entraînée avec la même impulsion, elle rayonnera de l'énergie à 500 MHz pendant un temps très court mais pas à 100 MHz. Mais il a rayonné de l'énergie à cause de l'impulsion.

Par conséquent, frappez n'importe quelle antenne avec une impulsion et elle rayonnera à sa fréquence naturelle. Frappez deux objets ensemble et ils émettront du son autour de leurs résonances naturelles.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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