Soinu

Soinua edo hotsa objektu baten bibrazioek eragindako uhinek entzumen sisteman sortzen duten kitzikadura da. Fisikaren ikuspegitik, uhin mekanikoak hedatzen dituen edozein fenomenori deritzo. Gorputz baten bibrazio-higidura gehienetan fluido baten (edo beste bitarteko elastiko baten) bidez hedatuko da.

Soinuaren transmisioa fluido batetik hedatzean, konpresiodun uhin bat sortuko da. Horrek bere aldameneko partikulak elkarrekin konprimatzea eragingo du. Antzeko fenomenoa gertatzen da uhin akustikoekin. Horiek giza entzumen aparatuak uhin mekaniko bihurtzen dituzte. Prozesua amaitzeko, gure garunak uhin mekaniko (edo presio oszilazio) hauek soinu bihurtzen ditu.

Soinuaren ikerketaren historia laburra 
Gaur egun uhinei buruz daukagun ezaguera gehiena akustikaren ikasketetatik dator. Antzinako filosofo grekoek hipotesi bat zeukaten, honetan oinarritua: uhinaren eta soinuaren arteko konexio bat dago, eta soinu horren oinarria bibrazioak edota alterazioak dira. Pitagoras konturatu zen, hariek bibratzen zutenean, hauek soinua sortzen zutela eta, fenomeno hori aztertuz, harien luzera eta tonua lotzen zituen erlazio matematiko bat proposatu zuen.

Uhinen hedapenaren teoria zientifikoek garrantzi handia hartu zuten XVII. mendean, Galileo Galileik bibratzen duten gorputzen eta hauek sortzen dituzten soinuen arteko erlazioa defendatzen zuen aldarrikapen bat argitaratu zuenean. Robert Boylek, 1660. urtean, saiakuntza klasiko batean, soinua hutsean zehar ezin dela hedatu frogatu zuen. Hamarkada berean, Isaac Newtonek soinuaren hedapena deskribatzen zuen garapen matematiko bat argitaratu zuen bere Principia lanean.  XIIX. mendean, bestalde, Frantzian jaiotako Jean le Rond d’Alembert zientzialariak uhinen ekuazioa eratorri zuen. Ekuazio honek, uhinen fenomenoa deskribatzeko oinarriak ezarri zituen hurrengo zientzialarientzat.

Soinuaren fisika 
Soinuaren fisikak akustika aztertzen du. Honek ikertzen du bai soinu-uhinen hedapena ingurune jarraitu ezberdinetan, bai soinu-uhin hauen interakzioa gorputz fisikoekin.

Soinuaren hedapena 
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:

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 
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:

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,  adierazpena  adierazpenarekin biderkatu zuen hurrengo ekuazioa lortuz: . Gainera,  ekuazioa betetzen denez, lortutako ekuazioa beste modu honetan berridatz daiteke: . 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.

non:

 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.

Soinuaren fenomeno fisikoak 

Soinua bi alderditatik azter dezakegu: fenomeno fisiko eta fenomeno fisiologiko bezala. Goian aipatu den moduan, fenomeno fisikoaren ikuspuntutik begiratuta, ingurune baten barruan bibrazioan dagoen gorputz batek eragindako perturbazioa da soinua. Perturbazio honek mota jakin batzuetako soinu-uhinak edo presio-uhinak sortzen ditu. Fisiologiaren ikuspuntutik, bestalde, soinua ingurunearen asaldura bat da, entzumen-sentsazioak sortzen dituena belarrira iristean. Erresonantzia, Doppler efektua, oihartzuna eta erreberberazioa dira soinuaren fenomeno fisikoaren zenbait adibide.

Erresonantzia 
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.

Doppler efektu akustikoa 

Doppler efektua behatzailearen eta iturriaren arteko higidura erlatiboaren ondorioz gertatzen den itxurazko maiztasun-aldaketa da. 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. 

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.

Oihartzuna eta erreberberazioa 
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.

Soinuaren propietateak 
Soinuaren oinarrizko lau ezaugarriak altuera, iraupena, intentsitatea eta tinbrea (edo kolorea) dira.

Altuera 
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.

Iraupena 
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.

Intentsitatea 
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 
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.

Soinuaren pertzepzioa 

Gizakiok eta beste animalia batzuek entzumenaren bidez hautematen dugu soinua baina, horrez gain, maiztasun txikiko soinuak gorputzeko beste atal batzuen bitartez hautematen ditugu. Oro har, arestian esan bezala, giza belarriak entzun ditzakeen soinuak 20 eta 20.000 Hz arteko maiztasuna dutenak direla kontsideratzen da, baina muga horiek ez daude argi definituta (adibidez, zenbait kasutan 12 Hz  hartu da behe-mugatzat). Bestalde, gauza jakina da goiko muga jaitsi egiten dela adinarekin batera. Tarte horren gainetik eta azpitik ultrasoinuak eta infrasoinuak daude, hurrenez hurren. Beste animalia-espezie batzuek beste maiztasun-maila batzuk hauteman ditzakete; adibidez: etxeko katuak 100-32.000 Hz, elefante afrikarrak 16-12.000 Hz, saguzarrak 1.000-150.000 Hz eta karraskariek 70-150.000 Hz. Oso ezaguna den beste animalia baten adibidea txakurrarena da (40-46.000 Hz), gizakiek hauteman ezin dituzten 20.000 Hz-tik gorako soinuak entzun baititzake.

Soinua izaki bizidunentzat eta, orokorrean, naturan oso garrantzitsua da. Animalia askorentzat entzumena funtsezkoa da bizirik irauteko, soinuen bitartez arriskuak antzemateko, harrapakinak detektatzeko edo komunikatzeko. Espezie askok, adibidez ugaztunek eta anfibioek, soinuak sortzeko organo bereziak garatu dituzte, eta txori batzuek kantu egin edo gizakien antzera hitz egitea lortu dute. Gizakiok soinuen sorreran eta transmisioan oinarritutako kultura eta teknologia ere garatu dugu (ahozko transmisioaren kultura, telefonoa, irratia, fonografoa, etab.). Beste aldetik, Lurrean gertatzen diren fenomeno gehienek soinu bereizgarriak dituzte lotuta: euria, olatuak, sua, haizea, etab.

Soinuaren neurketari dagokionez, eskala logaritmiko bat erabiltzen da. Eskala horrek aukera ematen du magnitude oso handiak eta oso txikiak zenbaki txikiekin irudikatzeko. Gainera, eskalan erabiltzen diren zifrak adimentsionalak dira, neurri bereko bi magnituderen arteko erlazioa delako: soinu-presioaren eta erreferentziazko soinu-presio arbitrario baten artekoa. Azken hau, nazioarteko hitzarmenaren arabera, 2 mikropaskal-ekoa (μPa) da. Eslaka hori dezibel-eskala da, soinuaren magnitudea dezibeletan adierazten duena. Eskalaren koordenatuen jatorria, 0 balioa, giza entzumen-atalaseari dagokio (2 μPa) eta, beraz, balio negatiboak gizakiak hauteman ezin dituen soinuei dagozkie. Dezibela ez da Nazioarteko Unitateen Sisteman sartuta dagoen unitate bat (zientzialari batzuek ez dute unitatetzat hartzen); hala ere, SI-ko unitateekin batera erabiltzen da.

Soinu presioaren maila 
Soinu-presioaren maila edo soinu-maila, , uhin mekaniko batek erreferentzia-iturri batekiko duen soinu-presio eraginkorraren neurketa logaritmikoa da. Dezibeletan neurtzen da:

non  erreferentziazko soinu-presioa den (aireari dagokionez, kontuan hartu ohi da  µPa), eta   neurtu nahi dugun presio eraginkorraren balioa den.

Tonua 
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. 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.

Giza ahotsa 

Giza ahotsa ahots-kordek sortzen duten bibrazioen bidez sortzen da. Ahots-kordek soinu-uhina sortzen dute, non hainbat frekuentziatako harmonien konbinazioak gertatzen diren. Ahoskatzen dugun soinu bakoitza frekuentzia-espektro jakin batzuekin bereizita dago, eta giza entzumena soinu horren barnean ezberdinak diren osagaiak identifikatzeko gai da. Horregatik, bi bokalen soinuak ezberdindu ditzakegu.

Gizonezkoen ahotsak gutxi gorabehera 100-200 Hz dauzka, emakumeenak berriz 150-300 Hz aldera izaten ditu. Haurren ahotsek, aldiz, maiztasun altuagoak dituzte.

Soinua musikan 

Soinua, isiltasunarekin batera, musikaren oinarria da. Musikan, soinuak maila hauetan sailkatzen dira: luzeak edo laburrak, sendoak edo ahulak, zorrotzak edo larriak, atseginak edo desatseginak. Soinua beti egon da gizakiaren eguneroko bizitzan. Musikaren historian zehar, gizakiak arau batzuk asmatu ditu soinu desberdinak antolatzeko, musika izeneko hizkuntza mota bat asmatu arte. Musikak igortzen dituen soinuen propietateak hauexek dira: altuera, iraupena, intentsitatea eta tinbrea. Lau kontzeptu hauen ezaugarriak goian azaldutakoak dira.

Musikaren soinuak musika-tresnek sortzen dituzte, non uhinak korden bibrazioek, mintz batek, pertsona batek botatako arnasak edo kolpe batek sortzen dituzten. Soinu horiek uhin sinusoidalen itxura dute. Musika musika-notek ere osatzen dute. Nota bakoitzari maiztasun jakin bat dagokio eta, beraz, bakoitzak soinu-uhin konkretu bat igortzen du.

Soinuaren aplikazioak 
Soinua zenbait arlotan oso garrantzitsua da. Bere aplikazioa oso nabarmena da, adibidez, medikuntzan.

Medikuntzan 

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. Prozesu hori efektu piezoelektrikoari esker gertatzen da.

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Soinua