Physics For Scientists And Engineers 6E - part 134

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  132  133  134  135   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 134

 

 

channel”  of  5.1,  carries  very  low  frequencies  for  dramatic  sound  from  explosions,
earthquakes, and the like.

Current motion pictures are produced with three systems of digital sound recording:

Dolby Digital; In this format, 5.1 channels of digital sound are optically stored
between the sprocket holes of the film. There is an analog optical backup in case the
digital system fails. The first film to use this technique was Batman Returns (1992).

DTS (Digital Theater Sound); 5.1 channels of sound are stored on a separate CD-
ROM which is synchronized to the film print by time codes on the film. There is an
analog optical backup in case the digital system fails. The first film to use this tech-
nique was Jurassic Park (1993).

SDDS (Sony Dynamic Digital Sound); Eight full channels of digital sound are optically
stored outside the sprocket holes on both sides of film. There is an analog optical
backup in case the digital system fails. The first film to use this technique was Last
Action Hero 
(1993). The existence of information on both sides of the tape is a system
of redundancy—in case one side is damaged, the system will still operate. SDDS em-
ploys a full-spectrum LFE channel and two additional channels (left center and right
center behind the screen). In Figure 17.16, showing a section of SDDS film, both the
analog optical soundtrack and the dual digital soundtracks can be seen.

S E C T I O N   17. 6 •  Motion Picture Sound

533

film image

sprocket holes

sprocket holes

stereo optical soundtrack

digital soundtrack

digital soundtrack

Figure 17.16 The layout of information on motion picture film using the SDDS digital

sound system.

Courtesy of Sony Cinema Products Corporation 

© 

2003 Sony Cinema Products Corporation. All Rights Reserved. Reproduction in whole or in part without 

written permission is prohibited.

534

C H A P T E R   17 •  Sound Waves

Sound waves are longitudinal and travel through a compressible medium with a speed
that  depends  on  the  elastic  and  inertial  properties  of  that  medium.  The  speed  of
sound in a liquid or gas having a bulk modulus and density ! is

(17.1)

For  sinusoidal  sound  waves,  the  variation  in  the  position  of  an  element  of  the

medium is given by

(17.2)

and the variation in pressure from the equilibrium value is

(17.3)

where 'P

max

is the 

pressure amplitude. The pressure wave is 90° out of phase with

the displacement wave. The relationship between s

max

and 'P

max

is given by

(17.4)

The intensity of a periodic sound wave, which is the power per unit area, is

(17.5, 17.6)

The sound level of a sound wave, in decibels, is given by

(17.8)

The constant I

0

is a reference intensity, usually taken to be at the threshold of hearing

(1.00 & 10

*

12

W/m

2

), and is the intensity of the sound wave in watts per square meter.

The change in frequency heard by an observer whenever there is relative motion

between a source of sound waves and the observer is called the 

Doppler effect. The

observed frequency is

(17.13)

In this expression, the signs for the values substituted for v

O

and v

S

depend on the di-

rection of the velocity. A positive value for the velocity of the observer or source is sub-
stituted if the velocity of one is toward the other, while a negative value represents a ve-
locity of one away from the other.

In digital recording of sound, the sound waveform is sampled 44 100 times per sec-

ond. The pressure of the wave for each sampling is measured and converted to a bi-
nary number. In playback, these binary numbers are read and used to build the origi-
nal waveform.

f . #

!

v

O

v

S

"

 

f

-

 

$ 10 log

!

I

I

0

"

I 

 

!

A

#

'

P

2

max

2!v

'

P

max

#

!

v)s

max

'

# 'P

max

 sin(kx * )t)

s(xt) # s

max

 cos(kx * )t)

#

B

!

S U M M A R Y

Take a practice test for

this chapter by clicking on
the Practice Test link at
http://www.pse6.com.

1. Why are sound waves characterized as longitudinal?

If an alarm clock is placed in a good vacuum and then acti-
vated, no sound is heard. Explain.

3. A sonic ranger is a device that determines the distance to

an  object  by  sending  out  an  ultrasonic  sound  pulse  and
measuring how long it takes for the wave to return after it
reflects  from  the  object.  Typically  these  devices  cannot

2.

reliably detect an object that is less than half a meter from
the sensor. Why is that?

4. A friend sitting in her car far down the road waves to you

and beeps her horn at the same time. How far away must
she be for you to calculate the speed of sound to two sig-
nificant  figures  by  measuring  the  time  it  takes  for  the
sound to reach you?

Q U E S T I O N S

Problems

535

5. If the wavelength of sound is reduced by a factor of 2, what

happens to its frequency? Its speed?

6. By  listening  to  a  band  or  orchestra,  how  can  you  de-

termine  that  the  speed  of  sound  is  the  same  for  all
frequencies?

7. In  Example  17.3  we  found  that  a  point  source  with  a 

power output of 80 W produces sound with an intensity of
1.00 & 10

*

8

W/m

2

, which corresponds to 40 dB, at a dis-

tance of about 16 miles. Why do you suppose you cannot
normally  hear  a  rock  concert  that  is  going  on  16  miles
away? (See Table 17.2.)
If  the  distance  from  a  point  source  is  tripled,  by  what
factor does the intensity decrease?

9. The Tunguska Event. On June 30, 1908, a meteor burned

up and exploded in the atmosphere above the Tunguska
River valley in Siberia. It knocked down trees over thou-
sands  of  square  kilometers  and  started  a  forest  fire,  but
apparently caused no human casualties. A witness sitting
on his doorstep outside the zone of falling trees recalled
events in the following sequence: He saw a moving light
in the sky, brighter than the sun and descending at a low
angle to the horizon. He felt his face become warm. He
felt the ground shake. An invisible agent picked him up
and  immediately  dropped  him  about  a  meter  farther
away  from  where  the  light  had  been.  He  heard  a  very
loud  protracted  rumbling.  Suggest  an  explanation  for
these  observations  and  for  the  order  in  which  they
happened.

10. Explain how the Doppler effect with microwaves is used to

determine the speed of an automobile.

11. Explain what happens to the frequency of the echo of your

car  horn  as  you  move  in  a  vehicle  toward  the  wall  of  a
canyon. What happens to the frequency as you move away
from the wall?

12. Of  the  following  sounds,  which  is  most  likely  to  have  a

sound level of 60 dB: a rock concert, the turning of a page

8.

in this textbook, normal conversation, or a cheering crowd
at a football game?

13. Estimate the decibel level of each of the sounds in the pre-

vious question.

14. A  binary  star  system  consists  of  two  stars  revolving  about

their  common  center  of  mass.  If  we  observe  the  light
reaching us from one of these stars as it makes one com-
plete revolution, what does the Doppler effect predict will
happen to this light?
How  can  an  object  move  with  respect  to  an  observer  so
that the sound from it is not shifted in frequency?

16. Suppose the wind blows. Does this cause a Doppler effect

for sound propagating through the air? Is it like a moving
source or a moving observer?

17. Why is it not possible to use sonar (sound waves) to deter-

mine the speed of an object traveling faster than the speed
of sound?

18. Why is it so quiet after a snowfall?
19. Why is the intensity of an echo less than that of the origi-

nal sound?

20. A  loudspeaker  built  into  the  exterior  wall  of  an  airplane

produces  a  large-amplitude  burst  of  vibration  at  200 Hz,
then  a  burst  at  300 Hz,  and  then  a  burst  at  400 Hz
(Boop . .  .  baap  .  .  .  beep),  all  while  the  plane  is  flying
faster than the speed of sound. Describe qualitatively what
an observer hears if she is in front of the plane, close to its
flight path. What If? What will the observer hear if the pi-
lot uses the loudspeaker to say, “How are you?”

21. In  several  cases,  a  nearby  star  has  been  found  to  have  a

large  planet  orbiting  about  it,  although  the  planet  could
not be seen. Using the ideas of a system rotating about its
center of mass and of the Doppler shift for light (which is
in several ways similar to the Doppler effect for sound), ex-
plain how an astronomer could determine the presence of
the invisible planet.

15.

Section 17.1 Speed of Sound Waves

Suppose that you hear a clap of thunder 16.2 s after seeing
the associated lightning stroke. The speed of sound waves
in air is 343 m/s, and the speed of light is 3.00 & 10

8

m/s.

How far are you from the lightning stroke?

2. Find  the  speed  of  sound  in  mercury,  which  has  a  bulk

modulus of approximately 2.80 & 10

10

N/m

2

and a density

of 13 600 kg/m

3

.

3.

A  flowerpot  is  knocked  off  a  balcony  20.0 m  above  the
sidewalk and falls toward an unsuspecting 1.75-m-tall man
who is standing below. How close to the sidewalk can the
flower  pot  fall  before  it  is  too  late  for  a  warning  shouted

1.

from the balcony to reach the man in time? Assume that
the man below requires 0.300 s to respond to the warning.

4.

The speed of sound in air (in m/s) depends on tempera-
ture according to the approximate expression

where  T

C

is  the  Celsius  temperature.  In  dry  air  the  tem-

perature decreases about 1°C for every 150 m rise in alti-
tude.  (a)  Assuming  this  change  is  constant  up  to  an  alti-
tude of 9 000 m, how long will it take the sound from an
airplane  flying  at  9 000 m  to  reach  the  ground  on  a  day
when the ground temperature is 30°C? (b) What If? Com-

# 331.5 $ 0.607T

C

1

2

3

= straightforward, intermediate, challenging

= full solution available in the Student Solutions Manual and Study Guide

= coached solution with hints available at http://www.pse6.com

= computer useful in solving problem             

= paired numerical and symbolic problems

P R O B L E M S

536

C H A P T E R   17 •  Sound Waves

pare this to the time interval required if the air were a con-
stant 30°C. Which time interval is longer?

5.

A cowboy stands on horizontal ground between two paral-
lel  vertical  cliffs.  He  is  not  midway  between  the  cliffs.  He
fires a shot and hears its echoes. The second echo arrives
1.92 s after the first and 1.47 s before the third. Consider
only the sound traveling parallel to the ground and reflect-
ing  from  the  cliffs.  Take  the  speed  of  sound  as  340 m/s.
(a) What is the distance between the cliffs? (b) What If? If
he can hear a fourth echo, how long after the third echo
does it arrive?

6.

A  rescue  plane  flies  horizontally  at  a  constant  speed
searching  for  a  disabled  boat.  When  the  plane  is  directly
above the boat, the boat’s crew blows a loud horn. By the
time  the  plane’s  sound  detector  perceives  the  horn’s
sound, the plane has traveled a distance equal to half its al-
titude above the ocean. If it takes the sound 2.00 s to reach
the plane, determine (a) the speed of the plane and (b) its
altitude. Take the speed of sound to be 343 m/s.

Section 17.2 Periodic Sound Waves

Note: Use the following values as needed unless otherwise
specified: the equilibrium density of air at 20°C is
! #

1.20 kg/m

3

. The speed of sound in air is #

343 m/s. Pressure variations 'are measured relative 
to atmospheric pressure, 1.013 & 10

5

N/m

2

Problem 70 in Chapter 2 can also be assigned with this
section.

7. A  bat  (Fig.  P17.7)  can  detect  very  small  objects,  such  as

an  insect  whose  length  is  approximately  equal  to  one
wavelength  of  the  sound  the  bat  makes.  If  a  bat  emits
chirps  at  a  frequency  of  60.0 kHz,  and  if  the  speed  of
sound in air is 340 m/s, what is the smallest insect the bat
can detect?

8.

An  ultrasonic  tape  measure  uses  frequencies  above
20 MHz  to  determine  dimensions  of  structures  such  as
buildings.  It  does  this  by  emitting  a  pulse  of  ultrasound
into air and then measuring the time for an echo to return
from a reflecting surface whose distance away is to be mea-
sured. The distance is displayed as a digital read-out. For a
tape  measure  that  emits  a  pulse  of  ultrasound  with  a  fre-
quency of 22.0 MHz, (a) What is the distance to an object
from which the echo pulse returns after 24.0 ms when the
air temperature is 26°C? (b) What should be the duration
of the emitted pulse if it is to include 10 cycles of the ultra-
sonic wave? (c) What is the spatial length of such a pulse?

9. Ultrasound is used in medicine both for diagnostic imaging

and  for  therapy.  For  diagnosis,  short  pulses  of  ultrasound
are  passed  through  the  patient’s  body.  An  echo  reflected
from a structure of interest is recorded, and from the time
delay for the return of the echo the distance to the struc-
ture can be determined. A single transducer emits and de-
tects the ultrasound. An image of the structure is obtained
by  reducing  the  data  with  a  computer.  With  sound  of  low
intensity,  this  technique  is  noninvasive  and  harmless.  It  is
used  to  examine  fetuses,  tumors,  aneurysms,  gallstones,
and  many  other  structures.  A  Doppler  ultrasound  unit  is
used to study blood flow and functioning of the heart. To
reveal  detail,  the  wavelength  of  the  reflected  ultrasound
must be small compared to the size of the object reflecting
the wave. For this reason, frequencies in the range 1.00 to
20.0 MHz are used. What is the range of wavelengths corre-
sponding to this range of frequencies? The speed of ultra-
sound in human tissue is about 1 500 m/s (nearly the same
as the speed of sound in water).

10. A  sound  wave  in  air  has  a  pressure  amplitude  equal  to

4.00 & 10

*

3

N/m

2

. Calculate the displacement amplitude

of the wave at a frequency of 10.0 kHz.

11. A sinusoidal sound wave is described by the displacement

wave function

(a)  Find  the  amplitude,  wavelength,  and  speed  of  this
wave. (b) Determine the instantaneous displacement from
equilibrium  of  the  elements  of  air  at  the  position
# 0.050 0 m  at  # 3.00 ms.  (c)  Determine  the  maxi-
mum speed of the element’s oscillatory motion. 

12. As a certain sound wave travels through the air, it produces

pressure  variations  (above  and  below  atmospheric  pres-
sure) given by '# 1.27 sin(,* 340,t) in SI units. Find
(a)  the  amplitude  of  the  pressure  variations,  (b)  the  fre-
quency, (c) the wavelength in air, and (d) the speed of the
sound wave.
Write an expression that describes the pressure variation as
a  function  of  position  and  time  for  a  sinusoidal  sound
wave in air, if ( # 0.100 m and 'P

max

#

0.200 N/m

2

.

14. Write  the  function  that  describes  the  displacement  wave

corresponding to the pressure wave in Problem 13.

An  experimenter  wishes  to  generate  in  air  a  sound

wave that has a displacement amplitude of 5.50 & 10

*

6

m.

The  pressure  amplitude  is  to  be  limited  to  0.840 N/m

2

.

What  is  the  minimum  wavelength  the  sound  wave  can
have?

15.

13.

s(xt) # (2.00 "m)

 

cos[(15.7 m

*

1

)* (858 s

*

1

)t]

Figure P17.7 Problems 7 and 60.

Joe McDonald/V

isuals Unlimited

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  132  133  134  135   ..