43
 A C O U S T I C S    of   W O O D Lecture 1 , . , Jan Tippner Dep of Wood Science FFWT MU Brno . . jan tippner@mendelu cz

A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O D Lecture 1

, . , Jan Tippner Dep  of Wood Science FFWT MU Brno

. .jan tippner@mendelu cz

Page 2: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Very brief preface:

Acoustics – The field of Physicsinterdisciplinary,  study  of  sound,  ultrasound  and  infrasound  (mechanical waves  in gases,  liquids,  and solids), hearing = crucial means > acoustics spreads across music, medicine, architecture, industrial production, warfare etc., Greek „akoustikos“ meaning "of or for hearing, ready to hear",… but refer to the entire frequency range without limit.

Wood – Material (not only …)superb material used in large range of applications... anisotropic, viscoelastic, multicomponent, inhomogeneous and hygroscopic;fibre­composite material consists of cellulose  fibres  in a  lignin  matrix; has strong anisotropy  (about 90  to 95%  of  all  the  cells  are  elongated  and  vertically  ordered)  ­  in  orthogonal  directions:  generally  considered  as orthotropic  material    (L,  R,  T);  viscoelastic  behavior  ­  lignin  matrix;  all  the  major  components  (cellulose, hemicelluloses and lignin) are polymers,... properties of wood – (dynamics, acoustics).

(… Natural frequencies and modes of soundboard, Influence of moisture to sound speed of wood,Determination of dynamical moduli of elasticity and internal damping of wood ...)

src: www.jvc.com

Page 3: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Content of lecture 1:

1. Introduction to the course: how to pass the course successfully.

2. Contents of acoustics and acoustics of wood.(topics, domains of acoustics) 

3. Theory background of acoustics.(sound, propagation, frequency, amplitude ...)

Page 4: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Content of lecture 1:

1. Introduction to the course: how to pass the course successfully.

2. Contents of acoustics and acoustics of wood.(topics, domains of acoustics) 

3. Theory background of acoustics.(sound, propagation, frequency, amplitude ...)

Page 5: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

ECTS­credits: 5

Objectives and contents – 13 weeksStudent will be introduced to acoustics with orientation to properties of wood and utilization of wood. Course consists  of  the  topics:  theory  of  acoustics,  wave  propagation  in  the  wood,  dynamical  and  acoustical properties  of  different  wood  species,  internal  friction  in  the  wood,  experimental  methods  for  the  acoustic characterization  of  wood,  sound  as  nondestructive  tool  for  wood  characteristics  assessment,  influence  of aging  and  moisture  in  the  acoustic  properties  of  the  wood,  methods  for  improving  acoustic  properties  of wood,  acoustic  emissions,  room  acoustics,  acoustics  of  musical  instruments,  numerical  methods  in  vibro­acoustics, using of wood in architecture, sound reproducer systems and musical instruments.

Learning methodsLectures and practicals: 39 hoursHome studies, preparation for exam: 30 hoursTotal workload: 69 hours

AssessmentWritten exam

See „UIS“... http://is.mendelu.cz

Page 6: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Syllabus of the Course:

Week  No.  2  ­  Wave  propagation  in  the  wood.  Dynamical  and  acoustical  properties  of  different  wood species.

Week No. 3 ­ Damping, internal friction in the wood.

Week No. 4 ­ Laboratory: frequency analysis of wooden bar, determination of logarithmic decrement of damping in the wood.

Week No. 5 ­ Experimental methods for the acoustic characterization of wood. Sound as non­destructive tool for wood quality assessment.

Week No. 6 ­ Laboratory: determination of sound velocity in the wood, determination of dynamic elastic moduli in the wood.

Week No. 7 ­ Influence of aging to acoustic properties of wood. Influence of moisture to acoustic properties of wood. Improving of acoustic properties of wood. 

Page 7: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Syllabus of the Course:

Week  No.  8  ­  Revision,  short  test.  Acoustic  emissions,  room  acoustics,  sound  reverberance.  Wood, acoustics & architecture.

Week No. 9 ­ Acoustic of musical instruments. 

Week  No.  10  ­  Modal  analysis  ,  harmonic  analysis  and  acoustic  analysis  by the help of finite  element method.

Week No. 11  ­  Laboratory:  determination of natural  frequencies  of  soundboards, Chladni's patterns  of vibration of soundboard.

Week No. 12 ­ Wood & sound reproducer systems.

Week No. 13 ­ Written exam.

Page 8: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Literature:

Bader, R., Computational mechanics of the classical guitar. 1. vyd. Berlin: Springer, 2005. 

Berthelot, J., Composite Materials: Mechanical Behavior and Structural Analysis. New York: Springer Verlag, 1998. ISBN 0­387­98426­7. 3­540­25136­7.

Bodig, J., Jayne, B., A., Mechanics of Wood and Wood Composites. Malabar: Krieger Publish.Comp., 1993. ISBN 0­89464­777­6.

Bucur, V., Acoustics of Wood. Boca Raton: CRC Press, 1995. ISBN 0­8493­4801­3.

Bucur, V., Nondestructive characterization and imaging of wood. Berlin: Springer, 2003. Springer series in wood science. ISBN 3­540­43840­8.

Bröker, F.­W., Proceedings of the 14th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood : May 2 ­ 4, 2005, University of Applied Sciences Eberswalde, Germany. Aachen: Shaker, 2005. ISBN 3­8322­3949­9.

Frýba, L., Vibration of solids and structures under moving loads. Prague: Academia, 1999. ISBN 80­200­0715­6.

Gandra, M., World Musical Instruments : Musikinstrumente der Welt. 1. vyd. Amsterdam: Pepin Press, 2008. ISBN 978­90­5768­116­5.

Irudayaraj, J., Nondestructive testing of food quality. Ames, Iowa: Blackwell, 2008. IFT Press series. ISBN 0­8138­2885­6.

Page 9: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Literature:Mechel, F. P., Formulas of Acoustics, Springer, 2002, ISBN 3­540­42548

Nondestructive  evaluation  and  flaw  criticality  for  composite  materials.  Philadelphia:  American  Society  for  Testing  and Materials, 1979.

Nondestructive evaluation of wood. Madison: Forest Products Society, 2002. ISBN 1­892529­26­2.

Proceedings  of  the  13th  international  symposium  on  nondestructive  testing  of  wood  :  August  19­21,  2002,  University  of California, Berkeley Campus California, USA. Madison: Forest Products Society, 2003. ISBN 1­892529­31­9.

Riley, W., F., Sturges, L., D., Engineering Mechanics: Dynamics. New York: John Wiley & Sons, 1993.  ISBN 0­471­51242­7.

Schanz,  M.,  Wave  propagation  in  viscoelastic  and  poroelastic  continua:  a boundary  element  approach.  Berlin:  Springer, 2001. Lecture notes in applied mechanics. ISBN 3­54041632­3.

Tondl, A., Quenching of Self­Excited Vibrations. Prague: Academia, 1999. ISBN 0­444­98721­5.

Zienkiewicz,  O.,C.,  Taylor,  R.,  L.,  The  finite  element  method:  Basic  formulation  and  linear  problems.  London: McGraw­Hill, 1989. ISBN 0­07­084174­8.

Zienkiewicz,  O.,C.,  Taylor,  R.,  L.,    The  finite  element  method:  Solid  and  fluid  Mechanics,  dynamics  and  non­linearity. Berkshire: McGraw­Hill, 1991. ISBN 0­07­084175­6.

Page 10: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Content of lecture 1:

1. Introduction to the course: how to pass the course successfully.

2. Contents of acoustics and acoustics of wood.

3. Theory background of acoustics.

Page 11: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

History …

Pythagoras ­ maybe   the  first person studying the relation of string lengths to consonance. 

Why some intervals seemed more beautiful than others?!

… and he found answers in terms of numerical ratios  representing  the  harmonic  overtone series on a string.

Medieval woodcut showing... e.g. Pythagoras with bells in Pythagorean tuning

Page 12: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

… history …The Chinese were already using a scale based on  the  knotted  positions  of  overtones  that indicated  the consonant pitches  related  to  the open string (3000 BC).

Aristotle  (384­322  BC)  ­  sound  consisted  of contractions and expansions of  the air  "falling upon and striking the air which is next to it...". 

Roman architect and engineer Vitruvius wrote a treatise on the acoustic properties of theatres including  discussion  of  interference,  echoes, and  reverberation—the  beginnings  of architectural acoustics (cca 20 BC).

The fundamental and the first 6 aliquotes of a vibrating string. 

Page 13: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

... history …

Galileo  (1564–1642)  and  Mersenne  (1588–1648)  independently  discovered  the  complete  laws  of  vibrating string, also beginnings of physiological and psychological acoustics. 

Galileo Galilei: "Waves are produced by the vibrations of a sonorous body, which spread through the air, bringing to the tympanum of the ear a stimulus which the mind interprets as sound"

Experimental measurements of the speed of sound in air were carried out successfully between 1630 and 1680by a number of investigators, prominently Mersenne.

Newton (1642–1727) derived the relationshipfor  wave  velocity  in  solids,  a  cornerstone  of  physical acoustics (Principia, 1687).

Adapted scetch from Newton's Principia – passage of waves trough the hole. 

Page 14: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

… and the history.

18th century ­ major advances in acoustics at the hands of the great mathematicians with the new techniques of the calculus (wave propagation theory). 

19th century Helmholtz (Germany)  

19th  century Lord Rayleigh  (England)  ­ monumental work  "The Theory of Sound". Also Wheatstone, Ohm, and Henry developed the analogy between electricity and acoustics.

20th century ­ technological applications like Sabine’s work (architectural acoustics) etc. 

(… underwater acoustics was used for detecting submarines, sound recording, telephone, sound measurement and analysis through the use of electronics and computing, ultrasonic frequency in medicine 

and industry, new transducers...)

 elliptic partial differential equation ­ relations of wavenumber and amplitude 

Helmholtz resonator based on his original design  cca 1890­1900, src: wikipedia.

Page 15: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Main Domains of Acoustics:

1. Physical acoustics

2. Biological acoustics

3. Acoustical engineering

17 major subfields, ­ by Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS®) src: http://publish.aps.org/PACS

by  R.  Bruce  Lindsey  (J.  Acoust.  Soc.  Am.  V.  36  ­  1964).  4  broad  fields  of  Earth  Sciences, Engineering,  Life  Sciences,  Arts.  The  outer  circle  ­  disciplines  one  may  study  to  prepare  for  a career in acoustics. The inner circle ­ various disciplines naturally lead to.

Page 16: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Domains of Acoustics:

17 major subfields, ­ by Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS®) src: http://publish.aps.org/PACS

Physical acoustics 

Aeroacoustics

General linear acoustics

Nonlinear acoustics

Structural acoustics and vibration

Underwater sound

Biological acoustics

Bioacoustics

Musical acoustics

Physiological acoustics

Psychoacoustics

Speech communication 

Acoustical engineering

Acoustic measurements and instrumentation

Acoustic signal processing

Architectural acoustics

Environmental acoustics

Transduction

Ultrasonics

Room acoustics

Page 17: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

:­)

Page 18: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

What is the Acoustics of Wood? ... application of acoustics in wood science, wood industry? 

wood as material – properties, modifications, measurements and mat. characterization, propagation of waves

forests and forest products (environmental noise, grading or treatment of products)

constructions:  wooden  musical  instruments  (violins,  guitars,  pianos,  woodwinds  –  problems  of natural  aging,  environmental  conditions,  long  term  loading,  varnishing)  and  buildings  (insulators, wooden acoustic panels, concert halls)

NDT  (from  germinability  detection  of  acorns  to  trees,  timbers,  lumber  grading,  wood  products, wooden composites etc.– defects, quality, properties)

acoustic emission – diagnostics (biological agents, fracture mechanics, monitoring of technological processes – wood machining, drying of lumber, adhesives, structures)

acoustical  treatment  (high­energy ultrasonic modifications, drying, defibering, cutting, plasticizing, regeneration on aged glue resins, improving wood preservation, wood sterilization etc.)

Page 19: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Content of lecture 1:

1. Introduction to the course: how to pass the course successfully.

2. Contents of acoustics and acoustics of wood.

3. Theory background of acoustics.

Page 20: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Acoustics study the sound – the generation, propagation and reception of mechanical waves.

The fundamental steps can be found in any acoustical event or process.

In fluids, sound propagates primarily as a pressure wave. 

In solids, mechanical waves can take many forms including longitudinal waves and transverse waves.

CAUSE

GENERATION

PROPAGATION of WAVE

RECEPTION

EFFECTNumerical simulation of 8th natural mode of 

wooden beam

Page 21: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

In  transverse  waves,  the  movement  of  the elements  of  the  medium  move  orthogonally  (at 90°) to the direction of movement of the wave. 

A typical example of a transverse wave is a wave pattern on the surface of a body of water (eg. on a pond after  a  stone has been  thrown  in  or  ocean waves before they reach the breaking zone). 

In  figure  hand  induces  a  transverse  wave  in  a string by periodically moving up and down. 

This  movement  propagates  through  the  string producing  a  series  of  wavefronts  which  move towards the fixed wall with a velocity v. 

Obviously, individual parts of the string only move up and down (as indicated by the vertical arrows).

Page 22: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

In  longitudinal  waves  the  elements  of  the medium  move  back  and  forth  in  line  with  the direction of propagation of the wave fronts.

In  figure a hand  induces a  longitudinal wave  in a spring  by  periodically  moving  back  and  forth  in line with the direction of the spring. 

This  causes  the  regions  of  high  and  low  spring compression to move along the spring. 

This  movement  propagates  through  the  spring producing  a  series  of  wavefronts  which  move towards the fixed wall with a velocity v. 

Individual  parts  of  the  spring  only  move backwards  and  forwards  short  distances  in  the direction of wave propagation. 

Page 23: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

What is sound?

­ it's a longitudinal compression wave, mechanical wave of energy that changes the pressure of its medium as it moves;  these  changes  of  pressure  are  detected  by  our  sense  of  hearing  and  transmitted  to  our  brains  for interpretation; sound waves are described by their wavelength (m), frequency (Hz) and intensity ­ amplitude (e.g. in dB)

­  is caused by something vibrating  (without vibration there  is no sound) ­  in  this way a disturbance of  the air moves out from the source of the sound and may eventually reach the ears of a listener.

­ the simple way to understand the propagation of sound is through the example of human speech; the sound (tone,  noise  ...)  is  created  at  the  source  by  the  compression  and  decompression  of  air  particles  by  the diaphragm action of the voice box which creates a sound pressure wave through the atmosphere; the ear (the receiver) in turn has a diaphragm which detects the vibration of the air pressure changes and transmits this to the brain, which turns it into intelligible speech.

Page 24: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Sound propagation, reflection, absorption, transmision, reverberation

­ when a sound  is propagated in a source room a sound pressure wave  is created which moves out from the source of the sound, gradually dissipating as it moves further from the source

­ the sound will continue to reflect off the hard wall, floor and ceiling surfaces until it loses energy and dies out 

­ the prolongation of reflected sound is known as reverberation (Reverberation Time is defined as the number of seconds  it  takes for  the reverberant sound energy  to die down to one millionth ­ or 60 dB of  its original value from the instant that the sound signal ceases)

­  reverberation  is  dependant  only  on  the  volume  of  a  space and  the acoustically  absorptive  quality of  the  rooms  finishes. Hard  surfaced  rooms  will  have  a  longer  reverberation  time than rooms finished with sound absorbing materials

­  sound  will  therefore  be  dissipated  in  three  ways  in  varying degrees  depending  upon  the  acoustic  characteristics  of  the room. These are reflection, absorption and transmission.

Page 25: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Flashback

­ sound is a wave motion that carries energy from one point to another, ­ the medium through which the sound wave travels will be air, although sound can also travel through solids and liquids 

­  the  "wave"  itself  consists  of  very  small  pressure  fluctuations  in  the  air  about  the  ambient  (atmospheric) pressure 

­  at  some  points  along  the  sound  wave,  the  air  pressure  is  slightly  above  the  ambient  level  (the  air  is compressed), and at others it is below (the air is rarefied)

­ these compressions and rarefactions are generated by the source of the sound wave, usually a vibrating object such as a violin string, a loudspeaker...

­  sound  velocity  in  air  depends  on  atmospheric  pressure  and  temperature,  with  the  latter  being  the  more significant  factor;  the velocity at 0°C  is  332 metres per  second,  rising by 0.6 metres per  second  for each  °C increase in temperature

­ the amplitude of the pressure fluctuations in the sound wave (how far they are above and below the ambient pressure) determines how loud the sound is, while the frequency of the pressure fluctuations (how rapidly they change from above to below the ambient pressure) determines its pitch

Page 26: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

1. About Amplitude (Loudness vs. Amplitude vs. Intensity)

­ is measured by the strength of the sound, depicted as a sine wave above and below the normal atmospheric pressure (101325 Pa), the basic unit of sound pressure is the pascal Pa – N/m2 , bars etc.  ­  the greater  the pressure change, the  louder  the sound, humans are sensitive to a remarkably wide range of sound pressure amplitudes (about 1 million to one)

­ the ear is capable of detecting a pressure change as small as 0.0002 microbar, one microbar is equal to one millionth of atmospheric pressure, the threshold of pain is around 200 microbars

­ the sound pressure that is only just perceivable (ie. the threshold of hearing for a 1000 Hz tone) is taken to be 2x10­5 Pa (20 µPa)  ­ so called Standard Reference Sound Pressure Level (SPL)

­ actual threshold of hearing varies greatly from frequency to frequency as well as from person to person

­  actual  sound  pressure  involved  is  about  1/5,000,000,000  atmospheric  pressure  >>>  it  is  common  to  quote sound pressure in µPa

Page 27: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

1. About Amplitude (Loudness vs. Amplitude vs. Intensity)

­ the threshold of pain (ie. the maximum sound pressure that can be perceived without pain) is about 100 Pa or about 1/1000 atm, which is 5,000,000 times the threshold sound pressure

­ thresholds have also been defined in terms of intensity, with the standard intensity threshold of hearing being: 10­12 Watts.m­2 ­ so called Standard Reference Sound Intensity

­ the intensity of a sound, with a sound pressure level of 20 µPa, is very close to 10­12 W/m2

­ the intensity of a sound is proportional to the square of the sound pressure: 

­ at 1 atm and 20°C approx. I = (P/20)2

­ the ratio of the intensities of sound: I1/I2 = (P1/P2)2

I=P2

Page 28: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

1. About Amplitude ­ DECIBELS 

­ the wide amplitude range of sound is often referred to in decibels; sound Pressure Level (dB SPL), relative to 0.0002 microbar (0dB SPL)

­ why?

­ Fechner (1860): the sensitivity of the ear to changes in intensity was not related linearly to either intensity or pressure, the ear's sensitivity to sound intensity or sound pressure was an approximately logarithmic relationship

­  it was proposed that a new measure of  intensity be utilised which was derived from the  log (base 10) of the ratio of two intensities:

Bel (IL) = log10

 (I1 / I

2)

­ this Bel scale (after Alexander Graham Bell) was approximately linearly related to the ear's sensitivity to sound intensity so that equal steps in Bels were close to equal perceptual steps. 

­ step of 1 Bel was however about 10 times greater than the minimally perceivable step >>> so a new scale was devised, the deciBel (dB) .... 1 Bel = 10 dB

Page 29: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

1. About Amplitude ­ DECIBELS 

So that: dB = 10 x log10

 (I1/I

2)

­ 0dB SPL is the threshold of hearing and 120dB SPL is the threshold of pain; 1dB is about the smallest change in SPL that can be heard; A 3dB change is generally noticeable and a 6dB change is very noticeable

­  6dB  rise  implies  a  doubling  of  sound  pressure;  3dB  rise  implies  a  doubling  of  intensity;  6dB  fall  implies  a halving of sound pressure; a 3dB fall implies a halving of sound intensity

­ there are slight differences in the reference levels which could result in significant differences in the resultant dB value for very low test intensities and pressures

dB (IL) = 10 x log(I/I0)

dB (IL: ref=10­12W.m­2) = 10 x log(I/I0)

dB (ref=10­12W.m­2) = 10 x log(I/I0)

dB (SPL) = 20 x log(P/P0)

dB (SPL: ref=20µPa) = 20 x log(P/P0)

dB (ref=20µPa) = 20 x log(P/P0)

­  the symbol dB without one of  the qualifiers could  imply  that any pressure or  intensity has been used as  the reference

Page 30: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

DECIBELS CALCULATIONS

­ all calculations should be carried out on sound intensities, never on sound pressures or dB values

­ to add together two sounds with known dB values and to determine the resultant amplitude in dB: convert both dB values to intensity I = 10(dB/10); add together the derived intensity values I = I1 + I2; convert the intensity back to dB = 10 x log

10(I)

­ to add two sounds of the same dB value, simply add 3 dB­ to double intensity, simply add 3 dB­ to halve intensity, simply subtract 3 dB­ multiplying intensity by four is the same as doubling twice, so add 3 dB twice­ dividing intensity by four is the same as halving twice, so subtract 3 dB twice­ when adding together two sounds the resultant dB value is somewhere between the higher original dB value and 3dB above that value ­­­ for two sounds of dB1 and dB2 (where the higher value is dB1) the resultant value is between dB1 and dB1+3 (the new value is only equal to dB1+3 when dB2 exactly equals dB1)

  50 dB + 50 dB = 53 dB  50 dB + 47 dB = 51.8 dB  50 dB + 40 dB = 50.4 dB  50 dB + 20 dB = 50.004 dB  50 dB + 0 dB = 50.00004 dB (0 dB is not I = 0 !!!)

Page 31: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

RMS ­ Root Mean Squared Average of Sound Pressure

­ this method is the only valid way to determine the "average" sound pressure of a length of sound

­  this  is because pressures cannot be added  together  in a straightforward way but must be  first converted  to intensities

I = P2

­ the following formula can be used for the calculation of average pressure:

R.M.S. value is the SQUARE ROOT OF (THE AVERAGE OF (THE SUM OF (THE SQUARES OF (THE ORIGINAL PRESSURE VALUES)))).

Page 32: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

... Amplitude

­ because the instantaneous value of the pressure in a sound wave changes rapidly with time, the amplitude is usually characterized by the root­mean­square, or rms, value of the pressure, a value based on time averaging.

­  the  energy,  or  power,  in  a  sound  wave  is  proportional  to  the  square  of  the  pressure  amplitude  and  is  thus proportional to the meansquare value of pressure

­ in order to express the wide range of sound pressure amplitudes in a convenient form, a logarithmic metric has been universally adopted 

­  this metric  is  the decibel, which expresses  the  level of a given sound  in  terms of  the  ratio  (on a  logarithmic basis) of the meansquare pressure of the sound to a reference meansquare pressure

­ word Amplitude  generically  reffer  to  the  concept  that  includes  Power,  Intensity and Pressure. The  terms "power" and "intensity" are used interchangeably by many authors...

­ what  is measured directly at a microphone diaphragm  is pressure or sound pressure  level  (SPL) which  is a measure of  the slight  fluctuations  in  the ambient pressure of  the medium. Once you have derived a pressure value you can then mathematically convert that into an intensity value.

Page 33: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

­ the acoustic intensity diminishes with distance in accordance with the inverse square law:

I = 1 / r2

where: I  is the intensity of a sound, r is the distance from the source of the sound

For comparing intensities (and pressures) at varying distances from the sound source use: 

distance [m]  vs.  level [dB]   1       0   2 ­ 6   4 ­12

32 ­30   

Page 34: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

About Frequency

­ the frequency of a sound wave is expressed in hertz (Hz), where one hertz is equal to one cycle per second

f=1/T ; lambda=c/f=c.T ;  omega=2*PI*f

­ the range of frequencies that give rise to the sensation of pitch in humans extends roughly from 16 (20) Hz to 20,000 Hz, with much individual variation

­ sounds are not composed of only a single  frequency  ­ are  instead a combination of many  frequencies  ­  the distribution of acoustical energy as a function of frequency is generally referred to as a spectrum. 

­ the spectrum of the sound from a modern orchestra, for instance, will show energy concentrated from about 25 Hz to 5,000 Hz; the noise in a large computer room, from 30 Hz to 10,000 Hz

­  human  listener  perceives  the  spectrum  of  a  sound  as  its  quality  or  timbre  (a  violin  playing  middleC  and  a trumpet playing middleC have different qualities because their spectra are different)

Page 35: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

About Frequency, Wavelength, Period, Speed of Sound

The wavelength ( )λ  of a wave is the distance between successive wave fronts (ie. peak­to­peak distance). Wavelength is measured in metres (m).

The frequency (f) of a wave is the number of times per second that a complete wave cycle passes an observer. Frequency is measured in Hertz (Hz).

The period (T) of a wave is the time it takes for one wave cycle to pass an observer. The period is measured in seconds (s) (in speech milliseconds (ms) are commonly used)

The speed or velocity of sound (c) is the number of metres that a wave front can travel in a second. The speed of sound is measured in metres/second (m.s­1)

Page 36: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

About Frequency, Wawelenght and Speed

­  the  distance  between  the  sound  compressions  and  rarefactions  is  known  as  wavelength.  Low  frequency sounds have a long wavelength and are perceived as low­pitched sounds such as the rumble of a truck. 

­ high­pitched sounds have very short wavelengths such as sound emitted from a whistle. In the field of music a piano can generate sounds ranging from 20 cycles per second (Hz) all the way up to 4600 cycles per second.

­ relationships between period and frequency:

­  it  is  possible  to  calculate  the  frequency  of  a  wave  if  you  know  its  wavelength  and  the  speed  of  sound. Conversely, you can calculate the wavelength of a wave from its frequency and the speed of sound. (Similarly, for period (T)).

Page 37: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

About Frequency, Wawelenght and Speed – DOPPLERS EFFECT

­ when a sound source and an observer are stationary, the frequency observed by can be readily determined from the wavelength of the sound emitted by and the speed of sound according to the following formula:

­ when an observer  is moving  towards a  sound source, observer's ear  intersects  with each cycle peak more rapidly than would be predicted from the wavelength and the speed of sound

­ this has the same effect as would an increase in the speed of sound (increase in the observed frequency of the sound). 

­ in these cases the effective speed of sound can be determined by adding v to c

f =c /

f =cv /

Page 38: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Sound Velocity, Speed of Sound

­ varies from one medium to another:

Water 15 1.0 1450Rubber 0 1.1 54Granite 0 2.7 6000Aluminium 20 2.7 5100Iron 20 7.9 5130Copper 20 8.9 3560Lead 20 11.3 1230Wood – parallel 20 0.5 cca 4000Wood – perpendicular 20 0.5 cca 1500

­ at normal (1 atm.) pressure and 0°C the speed of sound in air is 331 m/s (1 km in 3 seconds)

Page 39: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Sound Velocity, Speed of Sound

­ the speed of sound is proportional to the temperature and inversely proportional to the density of the gas

­ effect of temperature change on the speed of sound within common temperature ranges (­50°C to +45°C) only results in moderate changes in the speed of sound

­ change in the speed of sound resulting from changes in temperature can be derived from the following formula:

where: c1 and  t

1 are  the speed of sound  in and  temperature  (°K) of condition 1, c

2 and  t

2 are  the speed of 

sound in and temperature (°K) of condition 2

­ at ­50°C is 84% of c at +45°C >>> which would result in perceivable differences in the frequency of the same sound; speed of sound in Heliox mixtures is around twice the speed of sound in normal air >>> the fundamental frequency (pitch) and resonant peak (formant) frequencies are shifted to much higher

t1/

c2=c1 t1 / t2

Page 40: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Sound Velocity, Speed of Sound

­ the speed of sound in a gas is dependent on a number of factors:­ the composition of the gas (eg. air  80% oxygen + 20% nitrogen)­ pressure­ temperature

 where: c  is velocity of sound, p static pressure, rho static density and g is ratio of specific heats (it varies with gas and is proportional to temperature)

­ under conditions where pressure and density remain constant (eg. same gas under same pressure conditions, such as air at sea level) relation holds:

­ at 298°K (25°C) c = 346 m/s; 303°K (30°C) then c = 349 m/s; 273°K (0°C) then c = 331 m/s

c=g.p /

c2=c1 t1/ t 2

Page 41: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Sound Velocity, Speed of Sound

­ velocity of sound in very low density gasses (hydrogen) tends to be higher than it is in higher density gasses

Water 1.0 1450Iron 7.9 5130Wood – radial 0.5 cca 1500Hydrogen 0.09 1286Oxygen 1.4 317Air 1.3 331

­ the velocity of sound in liquids and solids depends upon the elasticity (k = elastic or bulk modulus) and density

­ elastic modulus increases as the compressibility or deformability of the material decreases, so the increases in either  elasticity  (decrease  in  k)  or  in  density  lead  to  a  decrease  in  the  speed  of  sound  (see  also  different velocities in different mateials – caused by density but by the elasticity of material too)

c=k /

Page 42: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Acoustic units ­ Owerview

name abbreviation basic u. non­basic u.

Wavelength ( ):λ metre m m    

Frequency (f): Hertz Hz s­1 (cycles.s­1) kiloHertz  kHz (1000.s­1)

Period (T): second s   s  (10­3.s)millisecond ms

Speed of sound (c): metre/sec m/s m.s­1   

Acoustic Power (Pwr): Watt W kg.m2.s­3  (Joule.s­1)

Acoustic Intensity (I): Watt/sq.m.   W/m2 kg.s­3  (Joule.s­1.m­2)

Sound Pressure Pascal  microPascal Pa µPa kg.m­1.s­2 (Newton.m­2)(P, SPL):

Page 43: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/... · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 1 Very brief preface: Acoustics – The field of Physics interdisciplinary,

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 1

Ear and sound

­  sound  enters  the  human  ear  canal  of  the  outer  ear  and  causes  the  eardrum  to  vibrate  in  response;  these vibrations are coupled through three tiny bones in the middle ear to the main sensory organ in the inner ear, or cochlea

­  hair  cells  in  the  cochlea  transmit  nerve  impulses  along  the  auditory  nerve  to  the  brain,  where  they  are interpreted as sound

­  the human ear does not  respond  to  the pressure and  frequency of a sound wave  in  the same way  that an electronic measuring  instrument does. A sound level meter might  indicate the sound pressure  level of a 60Hz tone to be 50 dB and the level of a 1000Hz tone to be 25 dB, yet to a listener the tones would be perceived as equally loud

­  this  is  because  the  sensitivity  of  the  ear  is  not uniform (varies with frequency and level too) ­ at low sound  pressure  levels,  we  tend  to  hear midfrequencies  better  than  higher  frequencies,  and much  better  than  lower  frequencies;  at  high  sound pressure  levels,  the  variation  is  not  as  pronounced and we  tend  to hear  low, mid, and high  frequencies about the same (we "lose the bass" when the volume is turned down low.)