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¿Por qué no coro de voces interferir destructivamente para que no los escuchamos?

El sonido se propaga por ondas. Las olas pueden interferir.

Supongamos que hay dos tenores de pie junto a la otra y cada canto de un medio continuo-C.

  1. Será el caso de que algunas personas en la audiencia no se escuchan a ellos debido a la interferencia?

  2. Habría que hacer una diferencia si fueran dos sopranos o dos contrabajos y el canto de un número de octavas más alto o más bajo?

  3. ¿Cómo funciona este generalizar a una matriz de n cantantes?

  4. Dado un conjunto de coro, ¿hasta qué punto son sus voces menos que simplemente aditivo porque de esto? Es posible que, para algunos desafortunados miembros de la audiencia, el coro parece estar completamente en silencio, aunque sólo sea por un momento?

47voto

Floris Puntos 54054

El principal problema en la configuración de una orquesta o coro es el hecho de que no hay dos de la voz o de instrumentos de mantener exactamente el mismo tono para cualquier longitud de tiempo. Si usted tiene dos puros de la onda sinusoidal de la fuente que se diferencian por sólo uno de Hertz, entonces el patrón de interferencia entre ellos va a cambiar con el tiempo - de hecho, en cualquier momento usted escuchará un ciclo de interferencia constructiva y destructiva que reconocemos como beats, pero el momento exacto en que cada miembro de la audiencia escuchará la mayor o menos intensidad varía con su posición.

El próximo veamos la distribución angular de la señal. Si dos tenores cantan un D3 de 147 Hz (cerca de la parte inferior de su rango) la longitud de onda del sonido es de 2 m: si ellos están más cerca que 1 m no habrá oportunidad para crear un cambio de fase de 180 grados en cualquier lugar. Si cantan cerca de la parte superior de su rango de distribución, la cancha está más cerca de 600 Hz y la longitud de onda de 0,5 m. Pero cualquiera que sea el patrón de interferencia que generan, un pequeño cambio en la frecuencia sería suficiente para mover el patrón - así que no hay observador estacionario sería la experiencia de un "silencio" de interferencias, incluso de la frecuencia fundamental.

Introduzca el vibrato: la mayoría de los cantantes y de los instrumentos deliberadamente modular su frecuencia ligeramente - esto hace que el sonido de la nota más atractivo y se les permite hacer micro correcciones a la cancha. También hace que la voz se destacan más en contra de un fondo de instrumentos y tiende a permitir que el proyecto mejor (más alto para un menor esfuerzo por parte de la cantante). Esto es utilizado por los solistas, pero más rara vez por los buenos coros -, porque en el coro desea mezcla de voces, no se tiene de pie.

En cualquier caso, el concepto general aquí es la incoherencia: la otra fuente de sonido en un coro o una orquesta son incoherentes, lo que significa que no mantienen una relación de fase fija a lo largo del tiempo. Y esto significa que no producen un estacionario patrón de interferencia.

Un efecto secundario de la interferencia se observa en el volumen de un coro: si agrega las amplitudes de dos fuentes de sonido que están perfectamente en fase, su amplitud de dobles y la energía / intensidad cuádruples. Un hombre de 32 coro sería más de 1000 veces más fuerte que un solo de voz - y esto podría lograrse, en parte, porque las voces sólo se podía escuchar "a la derecha en el frente" del coro (perfectamente coherente voces actuaría como un phased array). Pero ya que la voz son incoherentes, no hay ningún enfoque, sin amplificación, y que puede ser escuchado en todas partes.

Tenga en cuenta que la incoherencia es una función de la fase y la frecuencia de cada nota es una mezcla de frecuencias, y a pesar de una constante de la nota, en principio, sólo contienen un componente fundamental y sus armónicos, su relación exacta es muy complicado. Incluso si usted tomó una sola voz del cantante, y lo puso en dos altavoces con una línea de retardo de la alimentación, uno de los ponentes, creo que aún no encuentra la interferencia debido a las fluctuaciones en el tono incluso un corto tiempo. En su lugar, el oído percibe esto como dos personas cantando.

Y por último - porque una voz (o de un instrumento) es una mezcla compleja de frecuencias, en general no hay una disposición geométrica de las fuentes y el receptor en el que todas las frecuencias que podrían interferir destructivamente al mismo tiempo. Y el oído es un instrumento complejo y de que realmente va a "sintetizar" los componentes que faltan en la percepción de un nota - que lleva el extraño fenómeno de que para ciertos instrumentos, el tono percibido corresponde a una frecuencia que no está presente - como es el caso de una campana, por ejemplo.

18voto

Fabrice NEYRET Puntos 1697

Las ondas de interferencia son perceptibles cuando tienes muy cerca y puro frecuencias. En la guitarra o la flauta usted puede escuchar los latidos cuando 2 cadenas o 2 instrumentos de jugar tan cerca y puro de frecuencia. Pero para un rico timbre como la voz humana, olvídalo! Ellos son "miles de millones" (de hecho, una continuidad) de diferentes sincronizado frecuencias (incluso en lo que ustedes llamarían "C" tono), por lo que no cancelar a todos ellos al mismo tiempo en un gran multi-synchrone beat.

Lo que es más probable (para el común de los ricos timbres) es la interferencia de la propia voz de viaje por 2 caminos diferentes, normalmente cuando se cantan entre 2 cerca de los muros de hormigón. Porque aquí no hay sincronismo (2 copias de la misma señal; la cancelación de la alineación es gobernado por la distancia y por la longitud de onda). No cancelar todos, pero va a atenuar o amplificar algunos de la gama de los tonos, y los oyentes en diferentes lugares puede escuchar diferentes modulaciones.

Tenga en cuenta también que los emisores no son puntos y no flotan en el aire: este desdibuja los caminos y por tanto, las condiciones de interferencia (por lo que la cantidad y la localidad de ella).

Ahora, todo esto es para el común de los cantantes o instrumentos con la riqueza de timbre. Para la ópera, como la voz de larga data de notas, usted está probablemente más cerca de la flauta situación (si la gente juega el mismo tono puro). Además de la ópera de habitaciones cuidar de sonido reflectores (de cerca o de lejos), los cantantes están lejos de ti, etc, de forma que el sonido caminos son mucho menos borrosa.

11voto

anon0909 Puntos 398

El Total de la interferencia destructiva se requiere raro circunstancias. A partir de un libro de texto, situación que se puede observar la interferencia (dos fuentes de sonido de la misma frecuencia y amplitud), he enumerado las más probables de las formas en que estas condiciones se rompe cuando el movimiento más realista de las condiciones.

Imaginemos a dos diapasones que se golpeó exactamente a la misma hora con el mismo impulso, en un cubierto de espuma habitación para evitar que refleja las ondas de sonido. En este caso, el (tiempo promedio) de la intensidad del sonido está dada por el clásico de la interferencia de dos fuentes de patrón (esto puede ser observado!). La imagen muestra un patrón para varias frecuencias y distancias - más sobre esto más adelante.

Complicación 1: Volumen (amplitud) de la modulación

Este es probablemente el mayor efecto: si nuestro martillo golpea accidentalmente uno de los diapasones más duro que el otro, no habrá cancelación completa en cualquier lugar, y el patrón de interferencia será más fuerte/suave regiones de algunos antecedentes de volumen. Esto es particularmente importante porque percibimos la sonoridad de forma logarítmica, por lo que la cancelación de sonido tendrá que ser realmente bueno para nosotros aviso.

Complicación 2: contenido de frecuencia

Diapasones están diseñados para ser muy monocromática - esto es en parte debido a sus largas púas de la geometría. La mayoría de los sonidos armónicos (múltiplos de la frecuencia) y, a menudo, otras frecuencias.

Podríamos sustituir el diapasón con campanas, por ejemplo, que tienen más contenido de frecuencia. Estas frecuencias son muy diferentes a los patrones de difracción, y cuando les pegan todos juntos, los que tienden a "suavizar" el patrón de difracción. Usted puede ver este al notar cómo los diferentes patrones de las diferentes frecuencias en la imagen, aunque esta es un poco más complicado*.

La vida Real se hace realmente complicado

Ahora ponga doce cantantes en una sala de conciertos. Además de todo lo mencionado anteriormente debe reflexiones de sonido de todas partes; prácticamente toda la estructura de nuestra original patrón de difracción ha sido promediadas. FWIW, la voz humana, por estas medidas bastante rebelde como un instrumento demasiado: tiene mayor tono y el volumen de la variación de la mayoría de los instrumentos, y bastante complicado de la frecuencia de la composición.

(advertencia) *frecuencias Adicionales hará que el patrón más complejo, pero no se puede "sumar" los patrones de interferencia para conseguir una total; el Campo de las amplitudes pueden ser añadidos, pero la intensidad/volumen (lo que se trazan) no.

8voto

steveverrill Puntos 1325

En primer lugar, voy a ampliar un poco sobre lo que dijo Fabrice.

considere dos cantantes cantando Un 220Hz (para hacer las matemáticas más fácil.) No hay mundo real de la cantante o el instrumento que produce una onda sinusoidal pura, por lo que habrá armónicos en 440, 660, 880, 1100Hz etc. Los armónicos también, para los diferentes ejemplos de un determinado tipo de instrumento/cantante, tienden a tener el mismo tipo de relación de fase.

Por lo tanto, si nuestros dos cantantes o instrumentos tienen el 220Hz exactamente fuera de fase, la 440Hz será perfectamente en fase! Que las bajas frecuencias que faltan, el cerebro tiende a rellenar https://en.wikipedia.org/wiki/Missing_fundamental

Con respecto a la idea de que los cantantes no pueden cantar la misma frecuencia: el oído humano es muy bueno en la diferenciación de las frecuencias. La diferencia entre una nota y la siguiente en una escala (un semitono) es una proporción de 2^(1/12) o sobre 1.059:1. El semitono se divide en 100 centavos y 10 centavos es considerada en serio fuera de tono. Para un 100Hz nota que es de aproximadamente 0,6 Hz, por lo que para una breve nota, no vas a escuchar a cantantes de entrar y salir de fase entre otros. Para una nota más larga que probablemente lo hará.

Si quieres escuchar lo que dos de onda sinusoidal fuentes de sonido como, usted necesita un filtro de paso bajo. Los silenciadores de motores diesel de gran tamaño son muy eficaces filtros paso bajo (esto no es intencional, es más fácil para el silencio de las frecuencias altas que en las bajas frecuencias.) Si escucha dos motores del tren corriendo juntos escuchará el sonido de fade in y out (he escuchado este sonido más en los Estados unidos, donde los trenes son comúnmente tirado por varios motores que en el reino unido.)

También, las frecuencias bajas son menos atenuada por la distancia de las frecuencias altas. Usted puede escuchar el mismo sonido de un bimotor avión (preferiblemente de hélice) cuando está volando alto por encima de usted. De nuevo, el sonido se desvanece en los motores de entrar y salir de fase. Tenga en cuenta que los motores están sincronizados tan estrechamente como sea posible, porque el rápido ritmo entre el motor de frecuencias son molestos para los pasajeros: http://aviation.stackexchange.com/questions/14263/what-is-propeller-engine-sync-and-how-does-it-work

Otro punto: para dos de onda sinusoidal de las fuentes en un espacio cerrado, incluso si la señal directa de las fuentes es perfectamente fuera de fase, el sonido reflejado por las paredes probablemente tendrá una diferente relación de fase. Así que usted será capaz de escuchar el sonido, se acaba de sonar como si se viene de otro lugar.

4voto

Dave Puntos 1447

La cuestión clave a tener en cuenta es que las fases de las diferentes señales (incluyendo la sala de reflexiones) son efectivamente azar. Además de la frecuencia exacta coincidencia, completa la interferencia destructiva requiere que las dos señales de ser $180^\circ$ fuera de fase. Porque una de las fases de las diferentes señales que no están correlacionados con el uno al otro, a la espera de poder en la posición de escucha crece con el número de fuentes.

Considerar las señales en el dominio de Fourier, la fase de la señal a una frecuencia en particular, sean efectivamente azar. A medida que agrega más de ellos juntos, la amplitud a una frecuencia en particular va a someterse a una caminata al azar en el plano complejo. Por lo tanto, la intensidad (amplitud al cuadrado) a una frecuencia en particular tienden a la suma de las intensidades de las componentes individuales.

Si tenemos un conjunto de fuentes, produciendo un complejo de amplitud a una frecuencia particular $a_j(\omega) e^{i \phi_j(\omega)}$ Nota: no estoy exigiendo que las fuentes de tonos puros, sólo que estamos considerando una frecuencia ($\omega$ asociada con el número de onda $k$) en un tiempo, así que voy a soltar el explícito $\omega$ dependencia. El punto clave es que el $\phi_i$ es distribuido uniformemente en $[0,2\pi)$ e independiente de fuente a fuente.

La amplitud compleja en un oído, en un espacio completamente abierto será:

$A = \sum_j a_j e^{i (k d_j +\phi_j)}$

donde la fase incluye tanto el valor intrínseco de fase de la fuente, y la fase acumulado a lo largo de la ruta desde el origen al oyente.

Su intuición parece ser vindicada en que si tenemos una media de más de aleatorio de las fases, se terminan con $\langle A \rangle =0$ (estoy usando corchetes angulares para el cálculo del promedio sobre el azar de las fases. Pero esto es engañoso porque es cero debido a la fase de simetría, es decir, la fase de $A$ es distribuido uniformemente. ¿Cuál es más interesante es ver las $\langle \lvert A \rvert^2 \rangle = \sum_j a_j^2$ (la cruz-en términos de promedio a cero) -- que es la potencia esperada de la red de la señal crece con el número de fuentes. Uno podría conseguir un resultado similar si se examina la amplitud esperada $\langle \lvert A \rvert \rangle$, pero la matemática es un poco más difícil.

Excepto para el régimen especial de las fuentes de w.r.t. las paredes de la habitación, las reflexiones de la pared también tienen, efectivamente, al azar de las fases debido a las diferentes longitudes de trayectoria de la fuente de la pared del oído (o la fuente de la pared en la pared del oído y así sucesivamente), estos aparecen en la ecuación como

$$ A= \sum_j a_j e^{i (k d_j + \phi_j)} + \sum_p \sum_i a_j r_{pi} e^{ i( k d_{pj}+\phi_j)} $$ donde la suma adicional es largo de los caminos, indexado por $p$, con asociados de la reflectividad de los coeficientes de $r_{pj}$ y longitudes de trayectoria de la $d_{pj}$. Tenga en cuenta que para los sonidos agudos tienen longitudes de onda del orden de un metro (o así), y las habitaciones (esp. salas de conciertos) se escalan a 10s de metros, por lo que diferentes caminos no han fases similares como el camino directo.

Descargo de responsabilidad Yo no puedo absolutamente, positivamente, que descarta la posibilidad de que podría haber, particularmente fuerte cantantes, algunos de fase de bloqueo entre los cantantes (c.f. este video de un ejemplo mecánico) y por lo tanto la suposición de independiente $\phi_j$ podría ser válido. Aún así, para la mayoría de las situaciones musicales, la longitud del recorrido de las fases son lo suficientemente grandes como para efectivamente aleatorizar las fases en el lugar del oyente.

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