Soinu

Fluidoen eta solidoen zenbait ezaugarrik eragina daukate soinu-uhinean; izan ere, hau da berez soinua likidoetan eta solidoetan, gasetan baino azkarrago hedatzearen arrazoia. Orokorrean, ingurunearen konprimagarritasuna (1/K)  zenbat eta handiago izan, orduan eta txikiagoa izango da ingurune hartan soinuaren abiadura. Konprimagarritasunaz gain, ingurunearen dentsitateak (ρ) ere eragina dauka hedapenaren abiaduran: hain zuzen ere, abiadura eta dentsitatea alderantziz proportzionalak dira. Dentsitatea handitzerakoan, abiadura murriztuko da, alegia. Soinuaren abiadura (v) aipatutako magnitudeekin erlazionatuta dago hurrengo formularen bitartez:

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}}$

Maiztasun desberdinetako uhin-sinusoidalak. Ardatz horizontalak denbora adierazten du.

Gainera, gasen tenperaturak eragina dauka bai konprimagarritasunean, bai dentsitatean. Horregatik, zehazki, hedapen-ingurunearen tenperatura garrantzi handikoa da.

Soinuaren hedapenak ingurune material baten izankizunaren beharra dauka; molekulen bibrazioa soinu-uhin bat bezala hautematen duen inguru material baten beharra, alegia. Airea bezalako ingurune konprimagarrietan gertatzen den uhin-hedapenean, airearen molekulek bibratzerakoan, esparru batzuetan elkartu egiten dira, eta beste esparru batzuetan, urrundu. Aire molekulen arteko distantzia aldaketa hauek soinua sortzen dutenak dira, hain zuzen ere. Erabat konprimaezinak diren fluidoetan, molekulen arteko distantziak ez dira ia aldatzen, baina soinua presio-uhin bat bezala azaltzen da.

Ingurune konkretu batean ematen den uhinen hedapenaren abiadura, ingurune horren molekulen arteko batez besteko distantziaren araberakoa da; ondorioz, handiagoa da solidoetan likidoetan baino, eta likidoetan gasetan baino. Horregatik, hutsean soinua ezin da hedatu eta, hortaz, leherketak ez dira entzungarriak espazioan.

Soinuaren abiadura uhina zeharkatzen ari den inguru motaren arabera aldatzen da, eta materialaren funtsezko ezaugarria da. Isaac Newtonek soinuaren abiadura neurtzeko lehenengo ikerketa eraman zuen aurrera. Hark egindako ikerketetan oinarrituz, soinuaren abiadura, substantzia konkretu batean, honen gaineko presioaren eta dentsitatearen arteko zatikiaren erro karratua zen:

${\displaystyle c={\sqrt {\frac {p}{\rho }}}}$

Teoria hau okerra zela beranduago frogatu zen; izan ere, Laplace matematikariak formula zuzendu zuen, ondorioztatuz soinuaren hedapenaren gertakaria ez dela isotermikoa baizik eta adiabatikoa. Laplacek beste termino bat biderkatzen gehitu zuen Newtonen ekuaziora, hots, ${\displaystyle {\sqrt {\gamma }}}$ adierazpena ${\displaystyle {\sqrt {p/\rho }}}$ adierazpenarekin biderkatu zuen hurrengo ekuazioa lortuz: ${\displaystyle c={\sqrt {\gamma p/\rho }}}$. Gainera, ${\displaystyle K=\gamma p}$ ekuazioa betetzen denez, lortutako ekuazioa beste modu honetan berridatz daiteke: ${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$. Ekuazio hau Newton-Laplace izenarekin ezagutzen da, non K konprimagarritasun-modulua, c abiadura  eta ρ dentsitatea diren. Beraz, ekuazio honetatik ondorioztatzen da soinuaren abiadura konprimagarritasun-moduluaren eta dentsitatearen arteko zatikiaren erro karratuarekiko proportzionala dela.

Bai ezaugarri hauek, bai abiadura giro-baldintzekin aldatzen dira. Izan ere, 20ºC-tara eta itsaso mailan dagoen airean, soinuaren abiadura gutxi gorabehera 343m/s-koa da; baina tenperatura aldatuz gero, abiadura ere aldatuko da.

Airean, soinuaren abiadura nola aldatzen den tenperaturaren arabera, hurrengo formularekin kalkula dezakegu.

${\displaystyle V_{s}=V_{0}+\beta T}$

non:

${\displaystyle V_{0}=331,3m/s}$

${\displaystyle \beta =0,606\ {\mbox{m/(s}}^{\circ }{\mbox{C)}}}$

${\displaystyle T\ [{}^{\circ }{\mbox{C}}]}$ tenperatura gradu zentigraduetan den.

Ikus daiteke tenperatura igotzean, abiadura ere handitzen dela.

Soinuaren abiadura ez da oso sentikorra eta bigarren mailakoa eta harmonikoa ez den efektu bati lotuta dago. Honek esan nahi du badaudela ez-linealak diren hedapen efektuak, soinu originalean ez zeuden harmonikoen eta tonu mistoen sorrera, adibidez. Efektu erlatibistek garrantzia hartzen badute, soinuaren abiadura Eulerren ekuazio erlatibistak erabiliz kalkulatzen da.

Beste ingurune material batzuetan soinuak duen abiaduraren zenbait balio ondoko hauek dira: ur hotzean soinuaren abiadura 1482 m/s da; altzairuan 5100 m/s da, berriz. Hidrogeno solido atomikoan hartzen du soinuak abiadurarik handiena: 36000 m/s, alegia.[3][4]

Oro har, erresonantziak zera adierazten du: bibratzeko edo oszilatzeko gai den gorputz batek maiztasun jakin batzuetan beste batzuetan baino anplitude handiagoarekin oszilatzeko duen joera. Anplitude maximoa lortzen duten maiztasun horiek sistemaren frekuentzia erresonanteak dira. Demagun bibratzeko gai den gorputza indar periodiko baten eraginpean jartzen dela. Bada, indar periodiko horren maiztasun eta gorputz horren maiztasun erresonantea antzekoak badira, indar nahiko txiki bat periodikoki aplikatuz gero, sistema oszilatzailearen anplitude handi bat lortzen da. Erresonantzia mota asko daude: erresonantzia mekanikoa, erresonantzia akustikoa, erresonantzia elektromagnetikoa…

Bi gorputz ezberdinek bibrazio maiztasun bera dutenean gertatzen den fenomenoa da erresonantzia akustikoa. Gorputzetako batek besteari soinu-uhinak igortzen dizkio, uhinen hartzailea bibrazioan sartzen delarik.

Fenomeno hau modu errazean ulertzeko, demagun hodi bat daukagula horizontalki kokatuta. Hodiaren alboan diapasoi bat daukagu (hodia eta diapasoia ez dute elkar ukitzen). Orain, ur apur bat botako dugu hodiaren barruan (hodia erdi beteta geratuko da) eta diapasoia metal batekin kolpekatuko dugu. Kolpekatzean, soinu bat sortuko da. Gero, hodia urez gehiago beteko dugu, eta berriz kolpekatuko dugu diapasoia. Oraingoan sortuko den soinua lehen izan duguna baino altuagoa izango da. Soinuaren handitzea erresonantziarengatik da. Urez beteriko hodia diapasoiaren maiztasun berdinarekin bibratzen hasiko da. Horrela, bi maiztasunak indartu egingo dira, soinuaren intentsitatea handituz.

Sistema erresonanteak maiztasun jakin bateko bibrazioak sortzeko erabil daitezke, adibidez, musika-instrumentuetan. Gitarra afinatzean, maiztasun guztiak berdintzen dira; hau da, erresonantzian jartzen dira gitarraren soken soinuak.

Autoa mugitzen denean, ezkerrera doazen uhinek eskuinera doazenek baino tarte txikiagoa dute.

Doppler efektua behatzailearen eta iturriaren arteko higidura erlatiboaren ondorioz gertatzen den itxurazko maiztasun-aldaketa da.[6] Hau gertatzen da uhinaren iturria edo/eta hartzailea inguruneari dagokion mugimenduan daudenean. Demagun iturri finko batek maiztasun konstanteko uhina igortzen duela. Behatzaile finko batek horixe behatuko du: iturriak sortutako uhin berbera, hau da, maiztasun berdineko uhina. Alabaina, iturria mugitzen hasten bada, behatzaile finkoak jasotako uhinaren maiztasuna ez da konstantea izango, aldakorra baizik. Iturria urruntzen bada, gero eta maiztasun txikiagoko uhinak behatuko ditu behatzaileak; eta iturria hurbiltzen bada, berriz, gero eta maiztasun handiagoko uhinak jasoko ditu.[7]

Hona hemen kontzeptu hau ulertzeko adibide erraz bat: anbulantzia igortzen duen soinua. Anbulantzia bat hurbiltzen zaigunean, igortzen duen sirena gero eta altuago entzuten da; baina, urruntzen denean, sirena gero eta baxuago entzuten da.

Soinu bat sortu eta geroxeago honen sentsazioa hautematen uzten denean, delako soinua berriro ere entzuten bada, gertatutako fenomenoari oihartzuna deritzo. Fenomeno hau gertatzen da, adibidez, soinua horma baten aurka islatzen denean. Igorritako eta islatutako uhinen artean igarotzen den denbora nahikoa izan behar da bi uhinak argi eta garbi desberdintzeko; islatutako uhina abiapuntura itzultzen denean, jatorrizko uhina deuseztatuta izan behar da. Oihartzuna nabaritzeko, horma islatzailea soinu-iturritik 17 metrora egon behar da soinu musikaletarako, eta 11.34 metrora beste soinuearako, adibidez, ahotsaren kasurako.

Erreberberazioa oihartzunaren oso antzeko fenomenoa da. Islatutako uhinak jatorrizko uhina itzali baino lehen entzulearengana iristen direnean gertatzen da erreberberazioa, hau da, soinuaren iraunkortasun-denbora bukatu baino lehenago. Erreberberazioa hautemateko, soinu-iturriak hormatik 17 metro baino gutxiagora egon behar du. Fenomeno hau oso garrantzitsua da kalitatezko soinua entzun behar den lekuetan, adibidez, antzokietan, hitzaldi edo kontzertu-aretoetan, etab. Entzuleak ez du soilik jatorrizko uhina entzungo, baizik eta hormetako islapen-uhinak ere bai. Efektu hau kontuz kontrolatuz, aretoetako baldintza akustikoak hobetu daitezke.[8]

Soinuaren altuera zehazteko, behe-soinu, goi-soinu edo erdi-soinu terminoak erabiltzen dira. Soinu-uhinen funtsezko maiztasunak zehazten du altuera; segundoko zikloetan edo hertzetan neurtuta (Hz).

• Bibrazio motela = maiztasun baxua = behe-soinua
• Bibrazio azkarra = maiztasun altua = goi-soinua

Gizakiok soinu bat antzemateko, soinu horrek 20 eta 20.000 Hz-ko tartean egon behar du (tarte horren azpitik infrasoinuak ditugu eta gainetik ultrasoinuak). 20 eta 20.000 Hz-ko tarte horri, maiztasun entzungarriaren tartea esaten zaio, hots, gizakiok entzun ditzakegun maiztasunen tartea. Zenbat eta gizakia zaharragoa izan, orduan eta txikiagoa da tarte hori, bai goi-soinuetan zein behe-soinuetan.

Soinua denboran zehar zenbat mantentzen den adierazten duen ezaugarria da. Soinu luzeak, laburrak, oso laburrak eta abar entzun ditzakegu. Soinua denboran nahi bezain beste irautea lor dezaketen instrumentu akustiko bakarrak soka igurtzizkoak (biolina, esaterako) eta haizezkoak dira. Hala ere, haize-instrumentuak biriketako gaitasunaren araberakoak dira, eta sokakoak, berriz, sokekin igurzten den arkuak mugatzen du.

Soinuak 0’12 eta 0’15 segundo artean behar ditu burmuinera iristeko. Iraupena laburragoa bada, burmuinari ez dio denbora ematen altuera ezagutzeko, eta klik izeneko klaska sentsazioa sortzen da.

Soinuaren energia akustikoaren kantitateari intentsitatea deritzo; beraz, soinu bat bortitza, ahula edo leuna den adierazten du. Intentsitatea potentziak zehazten du, eta potentzia anplitudearen araberakoa da. Ondorioz, anplitudeak soinuaren zenbateko bortiztasuna bereizteko aukera ematen digu.

Soinuaren intentsitatea intentsitate fisikoan eta entzumen-intentsitatean banatzen da. Lehenengoak ondokoa zehazten du: denbora unitatean, uhinaren hedapen-norabidearekiko perpendikularra den azalera-unitatean zehar hedatzen den energia kopurua. Bigarrena Weber-Fechnerren lege psikofisikoan oinarritzen da. Lege horrek erlazio logaritmiko bat ezartzen du jasotzen den soinuaren intentsitate fisikoaren eta giza entzumenak entzun dezakeen intentsitate fisiko minimoaren artean.

Tinbrea soinuaren soinu-iturria identifikatzeko aukera ematen duen ezaugarria da. Instrumentu bakoitzak besteengandik bereizten duen tinbre bat du, nota bat desberdina baita txirula batek, biolin batek, tronpeta batek edo piano batek jotzen badu. Ahotsarekin gauza bera gertatzen da. Gizon, emakume eta ume baten soinuek tinbre ezberdina dute. Gainera, ahotsa latza, gozoa, lakarra edo belusezkoa den bereizteko aukera ematen digu, edota entzundakoa atsegina edo gogaikarria den.  Ezaugarri berezi honetan hainbat faktorek dute eragina, adibidez, soinu-iturriaren materialaren kalitatea.

Ondorioz, iturri ezberdina duten bi soinuk tonu, iraupen eta intentsitate berdina izan arren, tinbreari esker desberdindu ditzakegu biak.

Soinu-presioaren maila edo soinu-maila, ${\displaystyle L_{p}}$, uhin mekaniko batek erreferentzia-iturri batekiko duen soinu-presio eraginkorraren neurketa logaritmikoa da. Dezibeletan neurtzen da:

${\displaystyle {\displaystyle L_{\mathrm {p} }=10\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{0}}}\right)^{2}=20\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{0}}}\right){\mbox{ dB}}}}$

non ${\displaystyle p_{0}}$ erreferentziazko soinu-presioa den (aireari dagokionez, kontuan hartu ohi da ${\displaystyle {\displaystyle p_{0}=20}}$ µPa), eta ${\displaystyle p}$ neurtu nahi dugun presio eraginkorraren balioa den.

Tonua soinu bat den "baxua" edo "altua" bezala hautematen da, eta hura osatzen duten bibrazioen izaera ziklikoa eta errepikakorra irudikatzen du. Soinu sinpleetan, tonua soinuaren bibrazio motelenaren maiztasunarekin lotuta dago (oinarrizko harmonikoa deitzen zaio). Soinu konplexuen kasuan, tonuaren pertzepzioa aldatu egin daiteke. Batzuetan, gizabanakoek soinu bererako tonu desberdinak identifikatzen dituzte, beren esperientzia pertsonalean oinarrituta soinu-eredu jakin batzuekin. Tonu jakin baten hautaketa bibrazioen azterketa prekontzienteak zehazten du, horien maiztasunak eta haien arteko oreka barne. Arreta berezia jartzen zaio harmoniko posibleak antzemateari[15]. Soinu bakoitza tonuen continuum batean kokatzen da, baxutik altura. Adibidez: zarata zuria (ausazko zarata, maiztasun guztien artean uniformeki banatua) zarata arrosa baino altuagoa da (ausazko zarata, zortzidunen artean uniformeki banatua), zarata zuriak maiztasun handiko eduki gehiago baitu.

Ekografia bat

Medikuntzan, soinuaren erabilera garrantzitsuenetariko bat ultrasoinu-probak dira. Proba horiek diagnostiko-teknikak dira, eta maiztasun handiko soinu-uhinak erabiltzen dituzte odol-hodien eta organoen irudiak sortzeko.

Ospitaleetan eta kliniketan erabiltzen den diagnostiko-prozedura nabarmen bat ekografia da. Honek ultrasoinuak erabiltzen ditu irudi bidimentsionalak edo hiru dimentsiokoak sortzeko. Transduktore izeneko mikrofono baten antzeko tresna txiki batek gorputzaren barrualdera doazen ultrasoinu-uhinak igortzen ditu eta maiztasun handiko uhin akustikoen pultsu txikiak bidaltzeaz arduratzen da, gizakiak entzun ezin dituenak. Soinu-uhin hauek gorputzerantz igortzean, haien oihartzuna jasotzen da. Hauek organo, ehun edo fluidoen gainean errebotatzen dute, eta aparatuak soinuaren aldaketa minimoak erregistratzen ditu. Ondoren, ordenagailu batek oihartzuna irudi bihurtzen du eta pantailan eratzen da[16]. Prozesu hori efektu piezoelektrikoari esker gertatzen da.