Tas notiek gāzveida, šķidrā un cietā vidē, ko, nonākot cilvēka dzirdes orgānos, viņš uztver kā skaņu. Šo viļņu frekvence svārstās no 20 līdz 20 000 svārstībām sekundē. Mēs sniedzam formulas skaņas vilnim un sīkāk apsveram tā īpašības.

Kāpēc parādās skaņas vilnis?

Daudzi cilvēki domā, kas ir skaņas vilnis. Skaņas raksturs ir traucējumu rašanās elastīgā vidē. Piemēram, ja spiediena perturbācija noteiktā gaisa tilpumā notiek saspiešanas veidā, tad šim reģionam ir tendence izplatīties telpā. Šis process noved pie gaisa saspiešanas vietās, kas atrodas blakus avotam, kurām arī ir tendence paplašināties. Šis process aizklāj arvien vairāk vietas, līdz tas nonāk uztvērējā, piemēram, cilvēka ausī.

Skaņas viļņu vispārīgās īpašības

Apsveriet jautājumus par to, kas ir skaņas vilnis un kā to uztver cilvēka auss. Skaņas vilnis ir garenisks, tas, nonākot auss gliemenē, izraisa bungādiņa vibrāciju ar noteiktu frekvenci un amplitūdu. Varat arī attēlot šīs svārstības kā periodiskas spiediena izmaiņas gaisa mikro tilpumā, kas atrodas blakus membrānai. Pirmkārt, tas palielinās attiecībā pret parasto atmosfēras spiedienu un pēc tam samazinās, ievērojot harmoniskās kustības matemātiskos likumus. Gaisa kompresijas izmaiņu amplitūda, tas ir, atšķirība starp maksimālo vai minimālo spiedienu, ko rada skaņas vilnis, ar atmosfēras spiedienu ir proporcionāla paša skaņas viļņa amplitūdai.

Daudzi fiziski eksperimenti ir parādījuši, ka maksimālais spiediens, ko cilvēka auss var absorbēt, nekaitējot tam, ir 2800 μN / cm2. Salīdzinājumam mēs sakām, ka atmosfēras spiediens netālu no zemes virsmas ir 10 miljoni μN / cm2. Ņemot vērā spiediena un svārstību amplitūdas proporcionalitāti, mēs varam teikt, ka pēdējās vērtība pat spēcīgākajiem viļņiem ir nenozīmīga. Ja mēs runājam par skaņas viļņa garumu, tad frekvencei 1000 vibrāciju sekundē tā būs tūkstošdaļa centimetru.

Vājākās skaņas rada spiediena svārstības apmēram 0,001 μN / cm 2, atbilstošā viļņu svārstību amplitūda 1000 Hz frekvencei ir 10 -9 cm, savukārt gaisa molekulu vidējais diametrs ir 10 -8 cm, tas ir, cilvēka auss ir ārkārtīgi jutīgs orgāns.

Skaņas viļņu intensitātes jēdziens

No ģeometriskā viedokļa skaņas vilnis ir noteiktas formas svārstības, bet no fiziskā viedokļa skaņas viļņu galvenais īpašums ir to spēja pārnest enerģiju. Vissvarīgākais enerģijas pārneses piemērs ar viļņu palīdzību ir saule, kuras izstarotie elektromagnētiskie viļņi nodrošina enerģiju visai mūsu planētai.

Skaņas viļņa intensitāti fizikā definē kā enerģijas daudzumu, ko vilnis pārvadā caur virsmas vienību, kas ir perpendikulāra viļņa izplatībai, un uz laika vienību. Īsāk sakot, viļņa intensitāte ir tā jauda, \u200b\u200bko izvada caur vienības laukumu.

Skaņas viļņu stiprumu parasti mēra decibelos, kuru pamatā ir logaritmiskā skala, kas ir ērta rezultātu praktiskai analīzei.

Dažādu skaņu intensitāte

Šī decibelu skala sniedz priekšstatu par dažādības nozīmi un tās izraisītajām sajūtām:

• nepatīkamu un neērtu sajūtu slieksnis sākas ar 120 decibeliem (dB);
• kniedēšanas āmurs rada troksni 95 dB;
• ātrgaitas vilciens - 90 dB;
• intensīvas satiksmes iela - 70 dB;
• normālas sarunas apjoms starp cilvēkiem - 65 dB;
• moderna automašīna, kas pārvietojas ar mērenu ātrumu, rada troksni 50 dB;
• vidējais radio skaļums ir 40 dB;
• klusa saruna - 20 dB;
• koku lapotnes troksnis - 10 dB;
• minimālais cilvēka skaņas jutības slieksnis ir tuvu 0 dB.

Cilvēka auss jutība ir atkarīga no skaņas frekvences, un tā ir maksimālā vērtība skaņas viļņiem ar frekvenci 2000-3000 Hz. Skaņai šajā frekvences diapazonā cilvēka jutīguma apakšējais slieksnis ir 10–5 dB. Augstākas un zemākas frekvences nekā norādītais intervāls noved pie jutības apakšējā sliekšņa paaugstināšanās tādā veidā, ka cilvēks dzird frekvences tuvu 20 Hz un 20 000 Hz tikai tad, ja to intensitāte ir vairāki desmiti dB.

Runājot par augšējo intensitātes slieksni, pēc kura skaņa sāk radīt neērtības cilvēkiem un pat sāpes, jāsaka, ka tas praktiski nav atkarīgs no frekvences un atrodas diapazonā no 110 līdz 130 dB.

Skaņas viļņa ģeometriskās īpašības

Īsts skaņas vilnis ir sarežģīta garenisko viļņu svārstību pakete, kuru var sadalīt vienkāršās harmoniskās vibrācijās. Katru šādu svārstību apraksta no ģeometriskā viedokļa ar šādām īpašībām:

1. Amplitūda - katra viļņa sekcijas maksimālā novirze no līdzsvara. Par šo vērtību apzīmējums A.
2. Periods. Šis ir laiks, kurā vienkāršs vilnis pilnībā izmaina savu svārstību. Pēc šī laika katrs viļņa punkts sāk atkārtot savu svārstīgo procesu. Periodu parasti apzīmē ar burtu T un SI sistēmā mēra sekundēs.
3. Biežums. Tas ir fizikāls lielums, kas parāda, cik daudz vibrāciju dotais vilnis rada sekundē. Tas ir, tā nozīmē, tā ir perioda apgrieztā puse. Tas ir apzīmēts ar f. Skaņas viļņa frekvencei formula tā noteikšanai caur periodu ir šāda: f \u003d 1 / T.
4. Viļņa garums ir attālums, ko tas pārvieto vienā svārstību periodā. Ģeometriski viļņa garums ir attālums starp diviem tuvākajiem maksimumiem vai diviem tuvākajiem minimumiem sinusoidālajā līknē. Skaņas viļņa garums ir attālums starp tuvākajiem gaisa saspiešanas apgabaliem vai tuvākajām tā retināšanas vietām telpā, kur vilnis pārvietojas. To parasti apzīmē ar grieķu burtu λ.
5. Skaņas viļņa izplatīšanās ātrums ir attālums, kuru pārsniedz viena viļņa laika saspiešanas reģions vai viļņa retā iedarbības apgabals. Šo vērtību apzīmē ar burtu v. Skaņas viļņa ātrumam formula ir šāda: v \u003d λ * f.

Tīra skaņas viļņa, tas ir, pastāvīgas tīrības viļņa, ģeometrija pakļaujas sinusoidālam likumam. Parasti skaņas viļņu formula ir šāda: y \u003d A * sin (ωt), kur y ir noteikta viļņa punkta koordinātu vērtība, t ir laiks, ω \u003d 2 * pi * f ir cikliskās svārstību frekvence.

Periodiska skaņa

Daudzus skaņas avotus var uzskatīt par periodiskiem, piemēram, skaņu no tādiem mūzikas instrumentiem kā ģitāra, klavieres, flauta, taču dabā ir arī liels skaits skaņu, kas ir aperiodiskas, tas ir, skaņas vibrācijas maina to frekvenci un formu telpā. Tehniski šāda veida skaņu sauc par troksni. Spilgts aperiodiskas skaņas piemērs ir pilsētas troksnis, jūras troksnis, skaņas no sitaminstrumentiem, piemēram, no bungas un citi.

Skaņas viļņu izplatīšanās vide

Atšķirībā no elektromagnētiskā starojuma, kura fotoniem tās izplatībai nav nepieciešami nekādi materiāli barotnes, skaņas raksturs ir tāds, ka tās izplatībai ir nepieciešama noteikta vide, tas ir, saskaņā ar fizikas likumiem, skaņas viļņi nevar izplatīties vakuumā.

Skaņa var izplatīties gāzēs, šķidrumos un cietās daļās. Vidē izplatītā skaņas viļņa galvenās īpašības ir šādas:

• vilnis izplatās lineāri;
• tas vienmērīgi izplatās visos virzienos viendabīgā vidē, tas ir, skaņa novirzās no avota, veidojot ideālu sfērisku virsmu.
• neatkarīgi no skaņas amplitūdas un frekvences, tās viļņi attiecīgajā vidē izplatās ar tādu pašu ātrumu.

Skaņas viļņu ātrums dažādās vidēs

Skaņas izplatīšanās ātrums ir atkarīgs no diviem galvenajiem faktoriem: vides, kurā vilnis pārvietojas, un temperatūras. Parasti tiek piemērots šāds noteikums: jo blīvāka ir vide un jo augstāka ir tās temperatūra, jo ātrāk skaņa tajā pārvietojas.

Piemēram, skaņas viļņu izplatīšanās ātrums gaisā netālu no zemes virsmas 20 ℃ temperatūrā un 50% mitrumā ir 1235 km / h vai 343 m / s. Ūdenī noteiktā temperatūrā skaņa pārvietojas 4,5 reizes ātrāk, tas ir, aptuveni 5735 km / h vai 1600 m / s. Runājot par skaņas ātruma atkarību no gaisa temperatūras, tas palielinās par 0,6 m / s, palielinoties temperatūrai par katru Celsija grādu.

Temprs un signāls

Ja ļausiet virknei vai metāla plāksnei brīvi vibrēt, tas radīs dažādu frekvenču skaņas. Ļoti reti ir atrodams ķermenis, kas rada vienas noteiktas frekvences skaņu, parasti objekta skaņai ir frekvenču kopums noteiktā intervālā.

Skaņas tembru nosaka tajā esošo harmoniku skaits un to attiecīgā intensitāte. Tembrs ir subjektīvs daudzums, tas ir, tas ir skaņas objekta uztvere, ko veic konkrēta persona. Tembru parasti raksturo šādi īpašības vārdi: augsts, izcils, skanīgs, melodisks un tā tālāk.

Tonis ir skaņas sensācija, kas ļauj to klasificēt kā augstu vai zemu. Šī vērtība ir arī subjektīva, un to nevar izmērīt ar kādu instrumentu. Tonis ir saistīts ar objektīvu lielumu - skaņas viļņa frekvenci, taču starp tiem nav viennozīmīga savienojuma. Piemēram, pastāvīgas intensitātes vienfrekvences skaņai signāls palielinās, palielinoties frekvencei. Ja skaņas frekvence paliek nemainīga, bet tās intensitāte palielinās, signāls kļūst zemāks.

Skaņas avotu forma

Atbilstoši ķermeņa formai, kas veic mehāniskas vibrācijas un tādējādi rada viļņus, ir trīs galvenie veidi:

1. Punkta avots. Tas rada sfēriskus skaņas viļņus, kas ātri samazinās, attālinoties no avota (par aptuveni 6 dB, ja attālums no avota dubultojas).
2. Lineārs avots. Tas rada cilindriskas formas viļņus, kuru intensitāte samazinās lēnāk nekā no punkta avota (ar katru divkāršu attāluma palielināšanos attiecībā pret avotu intensitāte samazinās par 3 dB).
3. Plakans vai divdimensiju avots. Tas rada viļņus tikai noteiktā virzienā. Šāda avota piemērs varētu būt virzulis, kas pārvietojas cilindrā.

Elektroniskie skaņas avoti

Lai radītu skaņas vilni, elektroniskie avoti izmanto īpašu membrānu (skaļruni), kas veic mehāniskas vibrācijas elektromagnētiskās indukcijas parādības dēļ. Šajos avotos ietilpst:

• dažādu disku atskaņotāji (CD, DVD un citi);
• kasešu ierakstītāji;
• radioaparāti;
• televizori un daži citi.

1. Skaņa. Skaņas lauka galvenās īpašības. Skaņas izplatīšana

UN. Skaņas viļņu parametri

Elastīgas vides daļiņu skaņas vibrācijas ir sarežģītas, un tās var attēlot kā laika funkciju a \u003d a (t) (3.1. un).

3. att.

1 . Gaisa daļiņu svārstības.

Vienkāršāko procesu apraksta sinusoīds (3. att.

1, b)

,

kur maks - vibrāciju amplitūda;w \u003d 2 p f - leņķiskā frekvence; f - svārstību biežums.

Harmoniskās svārstības ar amplitūdu maks un biežums f tiek saukti tonis.

Kompleksās vibrācijas raksturo efektīvā vērtība laika periodā T

Sinusoidālam procesam - attiecība

Dažādas formas līknēm faktiskās vērtības un maksimālās vērtības attiecība ir no 0 līdz 1.

Atkarībā no svārstību ierosināšanas metodes ir:

· plakans skaņas vilnis ko rada plakana svārstīga virsma;

· cilindriska skaņu vilnis, izveidots ar cilindriski svārstīgu sānu virsmu;

· sfērisks skaņu vilnis , ko rada punktveida svārstību avots, piemēram, pulsējoša bumba.

Galvenie skaņas viļņu raksturojošie parametri ir:

· skaņas spiediens lpp sv, Pa;

· skaņas intensitāte Es, W / m 2.

· skaņas viļņa garums l, m;

· viļņu izplatīšanās ātrums no plkst, jaunkundze;

· svārstību frekvence fHz

Ja vibrācijas tiek ierosinātas nepārtrauktā vidē, tad tās atšķiras visos virzienos. Labs piemērs ir viļņu svārstības uz ūdens. Šajā gadījumā jānošķir mehānisko vibrāciju izplatīšanās ātrums. u (mūsu gadījumā - redzamās ūdens šķērsvirziena vibrācijas) un traucējumu izplatīšanās ātrums no plkst(akustiskās gareniskās vibrācijas).

No fiziskā viedokļa vibrāciju izplatīšanās ir impulsa pārnešana no vienas molekulas uz otru. Sakarā ar elastīgajām starpmolekulārajām saitēm katra no tām kustība atkārto iepriekšējās kustību. Impulsu pārraide prasa noteiktu laiku, kā rezultātā molekulu kustība novērošanas punktos notiek ar kavēšanos attiecībā pret molekulu kustību vibrāciju ierosināšanas zonā. Tādējādi svārstības izplatās noteiktā ātrumā. Skaņas viļņu izplatīšanās ātrums no plkstir fizisks vides īpašums.

Viļņa garums l vienāds ar skaņas viļņa nobrauktā ceļa garumu vienā laika posmā T:

kur no plkst - skaņas ātrums , T \u003d1/ f.

Skaņas vibrācijas gaisā noved pie tā saspiešanas un retināšanas. Kompresijas reģionos gaisa spiediens palielinās, bet retafakcijas reģionos tas samazinās.Atšķirība starp spiedienu, kas pastāv traucētā vidē lpp Trešdien, un atmosfēras spiediens lpp atm sauc skaņas spiediens (3.3. att.). Akustikā šis parametrs ir galvenais parametrs, caur kuru tiek noteikti visi pārējie.

lpp skaņa \u003d lpp kāzas - lpp atm. (3.1.)

Att.3.3. Skaņas spiediens

Videi, kurā tiek izplatīta skaņa, ir konkrēts akustiskā pretestība z A, ko mēra ar Pa* s / m (vai kg / (m 2 * c) un ir skaņas spiediena attiecība lpp sv vidējo daļiņu vibrācijas ātrumam u

z A \u003d p zvaigzne / u \u003d r * s, (3.2)

kur no plkst - skaņas ātrums , m;r - barotnes blīvums, kg / m 3.

Dažādiem nolūkiem z A ir atšķirīgi.

Skaņas vilnis ir enerģijas nesējs tā kustības virzienā. Tiek saukts enerģijas daudzums, ko skaņas vilnis vienā sekundē ved caur 1 m 2 lielu daļu, kas ir perpendikulāra kustības virzienam. skaņas intensitāte . Skaņas intensitāti nosaka ar skaņas spiediena un barotnes akustiskās pretestības attiecību W / m 2:

Sfēriskam viļņam no skaņas avota ar jaudu W, W skaņas intensitāte uz rādiusa lodes virsmas rir vienāds ar

Es= W / (4 lppr 2),

t.i., intensitāte sfēriskais vilnis samazinās, palielinoties attālumam no skaņas avota. Kad plaknes vilnis skaņas intensitāte nav atkarīga no attāluma.

Objektīvs

Izpētīt skaņas ierakstīšanas un reproducēšanas teorijas pamatus, skaņas pamatīpašības, skaņas pārveidošanas metodes, skaņas pārveidošanas un pastiprināšanas aprīkojuma lietošanas ierīci un funkcijas, kā arī iegūt prasmes to praktiskai izmantošanai.

Teorētiskais pamatojums

Skaņa ko sauc par elastīgas vides daļiņu vibrāciju kustību, kas viļņu veidā izplatās gāzveida, šķidrā vai cietā vidē un kuras, iedarbojoties uz cilvēka dzirdes analizatoru, rada dzirdes sajūtas. Skaņas avots ir svārstīgs korpuss, piemēram: virkņu vibrācijas, dakšas vibrācijas iestatīšana, skaļruņa konusa kustība utt.

Skaņu vilnis Tiek saukts elastīgas vides vibrāciju virziena izplatīšanās process no skaņas avota. Kosmosa zonu, kurā izplatās skaņas vilnis, sauc par skaņas lauku. Skaņas vilnis ir gaisa kompresijas un izplūdes maiņa. Kompresijas reģionā gaisa spiediens pārsniedz atmosfēras spiedienu, bet retafakcijas reģionā tas ir mazāks par to. Atmosfēras spiediena mainīgo daļu sauc par skaņas spiedienu. R . Skaņas spiediena mērvienība ir Pascal ( Pa) (Pa \u003d N / m 2). Svārstības ar sinusoidālu formu (1. att.) Sauc par harmoniskām. Ja ķermenis, kas izstaro skaņu, svārstās saskaņā ar sinusoidālo likumu, tad skaņas spiediens mainās arī saskaņā ar sinusoidālo likumu. Ir zināms, ka jebkuru sarežģītu svārstību var attēlot kā vienkāršu harmonisko svārstību summu. Attiecīgi sauc šo harmonisko svārstību amplitūdas un frekvences amplitūdas spektrs un frekvences spektrs.

Gaisa daļiņu svārstīgo kustību skaņas viļņā raksturo vairāki parametri:

Šūpoles periods(T), mazākais laika posms, pēc kura atkārto visu fizikālo lielumu vērtības, kas raksturo svārstīgo kustību, šajā laikā notiek viena pilnīga svārstība. Svārstību periodu mēra sekundēs ( no plkst).

Svārstību frekvence (f) , kopējo vibrāciju skaits laika vienībā.

kur: f - svārstību biežums; T - svārstību periods.

Frekvences mērvienība - hercs ( Hz) - viens pilns ātrums sekundē (1 kHz = 1000 Hz).

Att. 1. Vienkārša harmoniskā svārstība:
A ir svārstību amplitūda, T ir svārstību periods

Viļņa garums (λ ), attālums, kurā der viens svārstību periods. Viļņa garumu mēra metros ( m) Viļņa garumu un svārstību frekvenci saista attiecība:

kur no plkst - skaņas izplatīšanās ātrums.

Vibrācijas amplitūda (UN) , svārstīgās vērtības lielākā novirze no atpūtas stāvokļa.

Svārstību fāze.

Iedomājieties loku, kura garums ir vienāds ar attālumu starp punktiem A un Ε (2. att.), Vai viļņa garumu noteiktā frekvencē. Kad šis aplis “griežas”, tā radiālā līnija katrā sinusoīda individuālajā vietā atradīsies noteiktā leņķī no sākuma punkta, kas būs fāzes vērtība katrā šādā punktā. Fāzi mēra grādos.

Skaņas vilnis sadursmē ar virsmu daļēji tiek atspoguļots tajā pašā leņķī, kādā tas nokrīt uz šīs virsmas; tā fāze nemainās. Att. 3 parāda atspoguļoto viļņu fāzu atkarību.

Att. 2. Sinusa vilnis: amplitūda un fāze.
Ja apkārtmērs ir vienāds ar viļņa garumu noteiktā frekvencē (attālums no A līdz E), tad, pagriežot, šī apļa radiālā līnija parādīs leņķi, kas atbilst sinusoīda fāzes vērtībai noteiktā punktā

Att. 3. Atstaroto viļņu fāzes atkarība.
Dažādu frekvenču skaņas viļņi, ko izstaro skaņas avots ar vienādu fāzi, pēc tāda paša attāluma pārsniegšanas nonāk virsmā ar atšķirīgu fāzi

Skaņas vilnis spēj apiet šķēršļus, ja tā garums ir lielāks par šķēršļa lielumu. Šī parādība tiek saukta difrakcija. Difrakcija ir īpaši pamanāma zemfrekvences svārstībās ar ievērojamu viļņa garumu.

Ja diviem skaņas viļņiem ir vienāda frekvence, tad tie mijiedarbojas viens ar otru. Mijiedarbības procesu sauc par traucējumiem. Fāzes (sakrītot fāzei) svārstību mijiedarbībā notiek skaņas viļņa pastiprināšanās. Antifāžu svārstību mijiedarbības gadījumā novājinātais skaņas vilnis vājina (4. att.). Skaņas viļņi, kuru frekvences ievērojami atšķiras viens no otra, savstarpēji nesaskaras.

Att. 4. Svārstību mijiedarbība fāzē (a) un anfāzē (b):
1, 2 - mijiedarbīgas vibrācijas, 3 - izrietošās vibrācijas

Skaņas vibrācijas var slāpēt un neveicināt. Slāpēto svārstību amplitūda pakāpeniski samazinās. Slāpētu svārstību piemērs ir skaņa, kas rodas, kad virkne tiek uzbudināta vienreiz vai gongs trāpa. Stīgas vibrācijas slāpēšanas iemesls ir stīgas berze pret gaisu, kā arī berze starp vibrējošās stīgas daļiņām. Ilgstošas \u200b\u200bsvārstības var pastāvēt, ja berzes zudumus kompensē enerģijas pieplūdums no ārpuses. Nesamērīgu vibrāciju piemērs ir skolas zvaniņa kausiņa vibrācijas. Kamēr tiek nospiesta ieslēgšanas / izslēgšanas poga, zvana laikā tiek novērotas neslāpes vibrācijas. Kad enerģijas piegāde zvanam ir pārtraukta, svārstības izzūd.

Pavairoties telpā no tā avota, skaņas vilnis nodod enerģiju, izplešas, līdz sasniedz šīs telpas robežvirsmas: sienas, grīdu, griestus utt. Skaņas viļņu izplatīšanās ir saistīta ar to intensitātes samazināšanos. Tas ir saistīts ar skaņas enerģijas zudumu, lai pārvarētu berzi starp gaisa daļiņām. Turklāt, izplatoties visos virzienos no avota, vilnis aptver aizvien lielāku telpas laukumu, kas noved pie skaņas enerģijas daudzuma samazināšanās uz laukuma vienību, katru reizi dubultojot attālumu no sfēriskā avota, gaisa daļiņu vibrācijas spēks samazinās par 6 dB (četras reizes spēks). (5. att.).

Att. 5. Sfēriska skaņas viļņa enerģija tiek sadalīta pa arvien pieaugošo viļņu frontes laukumu tā, ka skaņas spiediens zaudē 6 dB, katru reizi palielinot attālumu no avota.

Saskaroties ar šķērsli tā ceļā, tā ir daļa no skaņas viļņa enerģijas piespēles caur sienām, daļa uzsūcas sienu un daļas iekšpusē atspoguļots atpakaļ telpā. Atstarotā un absorbētā skaņas viļņa enerģija kopumā ir vienāda ar krītošā skaņas viļņa enerģiju. Dažādā mērā gandrīz visos gadījumos ir sastopami visi trīs skaņas enerģijas izplatīšanas veidi
(6. att.).

Att. 6. Skaņas enerģijas atspoguļojums un absorbcija

Atstarotais skaņas vilnis, zaudējis daļu enerģijas, mainīs virzienu un izplatīsies, līdz sasniegs citas telpas virsmas, no kurām tas atkal atstarosies, vienlaikus zaudējot citu enerģijas daļu utt. Tas turpināsies, līdz skaņas viļņa enerģija beidzot tiks nodzēsta.

Skaņas viļņa atstarošana notiek saskaņā ar ģeometriskās optikas likumiem. Labi atspoguļo augsta blīvuma vielu (betona, metāla utt.) Skaņu. Skaņas viļņa absorbcija ir vairāku iemeslu dēļ. Skaņas vilnis tērē savu enerģiju paša šķēršļa vibrācijām un gaisa vibrācijām šķēršļa virsmas slāņa porās. No tā izriet, ka poraini materiāli (filcs, putas utt.) Spēcīgi absorbē skaņu. Skatītājiem piepildītā telpā skaņas absorbcija ir lielāka nekā tukšā telpā. Vielas skaņas atstarošanas un absorbcijas pakāpi raksturo atstarošanas un absorbcijas koeficienti. Šie koeficienti var būt no nulles līdz vienam. Vienotības koeficients norāda uz perfektu skaņas atstarošanu vai absorbciju.

Ja skaņas avots atrodas telpā, tad klausītājam nonāk ne tikai tieša, bet arī skaņas enerģija, kas atstarojusies no dažādām virsmām. Skaņas līmenis telpā ir atkarīgs no skaņas avota jaudas un skaņu absorbējošā materiāla daudzuma. Jo vairāk telpā tiek ievietots skaņu absorbējošs materiāls, jo mazāks ir skaņas skaļums.

Pēc skaņas avota izslēgšanas kādu laiku no dažādu virsmu skaņas enerģijas atstarošanās parādās skaņas lauks. Tiek izsaukts pakāpenisks skaņas vājināšanās process slēgtās telpās pēc tā avota izslēgšanas reverb. Reverbas ilgumu raksturo ts reverberācijas laiks, t.i. laiks, kurā skaņas intensitāte samazinās par 10 6 reizēm, bet tā līmenis - par 60 dB . Piemēram, ja orķestra skaņa koncertzālē sasniedz 100 dB līmeni ar fona trokšņa līmeni aptuveni 40 dB, tad orķestra gala akordi, kad tas tiek vājināts, izšķīst troksnī, kad to līmenis pazeminās par aptuveni 60 dB. Atkārtošanas laiks ir vissvarīgākais faktors, kas nosaka telpas akustisko kvalitāti. Tas ir lielāks, jo lielāks telpas tilpums un mazāka absorbcija uz saistošajām virsmām.

Atkārtotās atskaņošanas laiks ietekmē runas saprotamību un mūzikas skaņas kvalitāti. Ja reverberācijas laiks ir pārāk garš, runa kļūst nesalasāma. Ar pārāk mazu skaņas signāla atskaņošanas laiku runa ir salasāma, bet mūzikas skaņa kļūst nedabiska. Optimālais reverberācijas laiks atkarībā no telpas tilpuma ir apmēram 1–2 s.

Skaņas galvenās īpašības.

Skaņas ātrums gaisā ir 332,5 m / s 0 ° C temperatūrā. Istabas temperatūrā (20 ° C) skaņas ātrums ir aptuveni 340 m / s. Skaņas ātrumu norāda simbols " no plkst ».

Biežums.Skaņas, kuras uztver cilvēka dzirdes analizators, veido skaņas frekvenču diapazonu. Ir vispārpieņemts, ka šo diapazonu ierobežo frekvences no 16 līdz 20 000 Hz. Šīs robežas ir ļoti patvaļīgas, un tas ir saistīts ar cilvēku dzirdes individuālajām īpašībām, ar vecumu saistītajām dzirdes analizatora jutības izmaiņām un dzirdes sajūtu reģistrēšanas metodei. Persona var atšķirt frekvences izmaiņas par 0,3% ar frekvenci 1 kHz.

Skaņas fiziskā koncepcija aptver gan dzirdamās, gan nedzirdamās vibrācijas frekvences. Skaņas viļņus ar frekvenci zem 16 Hz parasti sauc par infraskaņu, virs 20 kHz - par ultraskaņu . Infraskaņas frekvenču diapazons no apakšas ir praktiski neierobežots - dabā ir infraskaņas vibrācijas ar Hz desmitdaļu un simtdaļu frekvenci. .

Skaņas diapazons ir nosacīti sadalīts vairākos šaurākos diapazonos (1. tabula).

1. tabula

Audio frekvenču diapazons parasti tiek sadalīts apakšjoslās

Skaņas intensitāte(W / m 2) nosaka pēc enerģijas daudzuma, ko vilnis pārvadā laika vienībā caur virsmas laukuma vienību, kas ir perpendikulāra viļņa izplatīšanās virzienam. Cilvēka auss skaņu uztver ļoti plašā intensitātes diapazonā: no vājākajām dzirdamajām skaņām līdz visskaļākajām, piemēram, ko rada reaktīvā lidmašīnas dzinējs.

Minimālo skaņas intensitāti, pie kuras rodas dzirdes sajūta, sauc par dzirdes uztveres slieksni. Tas ir atkarīgs no skaņas frekvences (7. att.). Cilvēka ausij ir vislielākā skaņas jutība attiecīgi frekvenču diapazonā no 1 līdz 5 kHz, un dzirdes uztveres slieksnim šeit ir vismazākā vērtība no 10 līdz 12 W / m 2. Šo vērtību uzskata par nulles dzirdamības līmeni. Trokšņa un citu skaņas stimulu ietekmē konkrētās skaņas dzirdes slieksnis paaugstinās (Skaņas maskēšana ir fizioloģiska parādība, kad vienlaikus dzirdot divas vai vairākas atšķirīga skaļuma skaņas, klusākas skaņas pārstāj būt dzirdamas), un paaugstinātā vērtība kādu laiku saglabājas pēc traucējošā faktora izbeigšana, un pēc tam pakāpeniski atgriežas sākotnējā līmenī. Dažādiem cilvēkiem un tiem pašiem cilvēkiem dažādos laikos dzirdes slieksnis var mainīties atkarībā no vecuma, fizioloģiskā stāvokļa un fiziskās sagatavotības.

Att. 7. Standarta dzirdamības sliekšņa atkarība no frekvences
sinusa vilnis

Augstas intensitātes skaņas rada spiedošu sāpju sajūtu ausīs. Minimālo skaņas intensitāti, pie kuras jūtamas spiedošas sāpes ausīs (~ 10 W / m 2), sauc par sāpju slieksni. Tāpat kā dzirdes uztveres slieksnis, arī sāpju slieksnis ir atkarīgs no skaņas vibrāciju frekvences. Skaņas, kuru intensitāte tuvojas sāpju slieksnim, kaitīgi ietekmē dzirdi.

Normāla skaņas sajūta ir iespējama, ja skaņas intensitāte ir starp dzirdamības slieksni un sāpju slieksni.

Ir ērti novērtēt skaņu pēc līmeņa ( L) intensitāte (skaņas spiediens), ko aprēķina pēc formulas:

kur J 0 - dzirdes uztveres slieksnis, J -skaņas intensitāte (2. tabula).

2. tabula

Skaņas raksturlielumi pēc intensitātes un tā novērtēšana pēc intensitātes līmeņa attiecībā pret dzirdes uztveres slieksni

Skaņas raksturojums	Intensitāte (W / m 2)	Intensitātes līmenis attiecībā pret dzirdes uztveres slieksni (dB)
Klausīšanās slieksnis	10 -12
Sirds skaņas, kas rodas caur stetoskopu	10 -11
Čukstus	10 -10 –10 -9	20–30
Runa skan mierīgā sarunā	10 -7 –10 -6	50–60
Spēcīgs satiksmes troksnis	10 -5 –10 -4	70–80
Rokkoncerta radītais troksnis	10 -3 –10 -2	90–100
Troksnis netālu no darba lidmašīnas dzinēja	0,1–1,0	110–120
Sāpju slieksnis

Mūsu dzirdes aparāts spēj uztvert milzīgu dinamisko diapazonu. Gaisa spiediena izmaiņas, ko izraisa klusākās skaņas, ko uztver auss, ir aptuveni 2 × 10 -5 Pa. Tajā pašā laikā skaņas spiediens ar līmeni, kas tuvojas sāpju slieksnim, mūsu ausīm ir aptuveni 20 Pa. Tā rezultātā klusāko un skaļāko skaņu attiecība, ko mūsu dzirdes aparāts var dzirdēt, ir 1: 1 000 000. Ir diezgan neērti izmērīt šādus dažāda līmeņa signālus lineārā skalā.

Lai saspiestu tik plašu dinamisko diapazonu, tika ieviests jēdziens “bel”. Bel ir vienkāršs logaritms, kura attiecība ir divi grādi; un decibels ir vienāds ar vienu desmitdaļu no bel.

Lai izteiktu akustisko spiedienu decibelos, spiediens (Paskāli) jāsadala kvadrātā un jāsadala ar atsauces spiediena kvadrātu. Ērtības labad divu spiedienu kvadrātā tiek veikts ārpus logaritma (kas ir logaritmu īpašums).

Akustiskā spiediena pārvēršanai decibelos izmanto formulu:

kur: P ir mūs interesējošais akustiskais spiediens; P 0 - sākotnējais spiediens.

Ja par atsauces spiedienu ņem 2 × 10 -5 Pa, tad skaņas spiedienu, kas izteikts decibelos, sauc par skaņas spiediena līmeni (SPL - no angļu valodas skaņas spiediena līmeņa). Tādējādi skaņas spiediens ir vienāds ar 3 Pair ekvivalents skaņas spiediena līmenim 103,5 dB, tāpēc:

Iepriekš minēto akustisko dinamisko diapazonu var izteikt decibelos kā šādus skaņas spiediena līmeņus: no 0 dB klusākajām skaņām, 120 dB skaņām sāpju sliekšņa līmenī un līdz 180 dB visskaļākajām skaņām. Pie 140 dB ir jūtamas stipras sāpes, pie 150 dB rodas ausu bojājumi.

Skaņas skaļums vērtība, kas raksturo skaņas dzirdes sensāciju. Skaņas skaļums sarežģītā veidā ir atkarīgs no skaņas spiediens (vai skaņas intensitāte), frekvences un viļņu formas. Ar nemainīgu frekvenci un svārstību formu skaņas skaļums palielinās, palielinoties skaņas spiedienam (8. att.). Dotās frekvences skaņas skaļumu novērtē, salīdzinot to ar vienkārša signāla skaļumu ar frekvenci 1000 Hz. Skaņas spiediena līmeni (dB) tīrā tonī ar frekvenci 1000 Hz, kas tikpat skaļi (pēc auss) kā izmērītā skaņa, sauc par šīs skaņas skaļuma līmeni ( foni) (8. att.).

Att. 8. Vienādas skaļuma līknes - skaņas spiediena līmeņa (dB) atkarība no frekvences noteiktā skaļumā (fonos).

Skaņas spektrs.

Dzirdes orgānu skaņas uztveres raksturs ir atkarīgs no tā frekvences spektra.

Trokšņiem ir nepārtraukts spektrs, t.i. tajos esošās vienkāršo sinusoidālo svārstību frekvences veido nepārtrauktu vērtību virkni, kas pilnībā aizpilda noteiktu intervālu.

Muzikālajām (tonālajām) skaņām ir lineārs frekvenču spektrs. To vienkāršo harmonisko svārstību frekvences veido diskrētu vērtību virkni.

Katru harmonisko svārstību sauc par signālu (vienkāršs tonis). Skaļums ir atkarīgs no frekvences: jo augstāka frekvence, jo augstāks tonis. Piķa sajūtu nosaka tā biežums. Gludas skaņas vibrāciju frekvences izmaiņas no 16 līdz 20 000 Hz sākotnēji tiek uztvertas kā zemas frekvences signāls, pēc tam kā svilpe, pakāpeniski pārvēršoties čīkstēšanā.

Sarežģītas mūzikas skaņas pamata tonis ir signāls, kas atbilst tā spektra zemākajai frekvencei. Toņus, kas atbilst atlikušajām spektra frekvencēm, sauc par virsskaņiem. Ja virsskaņu frekvences ir pamata signāla frekvences f reizinājums, tad virsskaņas tiek sauktas par harmoniskām, un pamata signālu ar f frekvenci sauc par pirmo harmoniku, virsskaņu ar nākamo augstāko frekvenci 2f - otro harmoniku utt.

Mūzikas skaņas ar vienādu pamata toni var atšķirties pēc tembra. Tembru nosaka virsskaņu sastāvs - to frekvences un amplitūdas, kā arī amplitūdas palielināšanās raksturs skaņas sākumā un to samazināšanās skaņas beigās.

Līdzīga informācija.

2.2 Skaņas viļņi un to īpašības

Skaņa ir mehāniskas vibrācijas, kas izplatās elastīgā vidē: gaisā, ūdenī, cietā stāvoklī utt.

Cilvēka spēja uztvert elastīgās vibrācijas, klausīties tās atspoguļojas skaņas doktrīnas nosaukumā - akustikā.

Parasti cilvēka auss dzird skaņu tikai tad, ja uz auss dzirdes aparātu iedarbojas mehāniskas vibrācijas, kuru frekvence nav zemāka par 16 Hz, bet nav augstāka par 20 000 Hz. Svārstības ar zemāku vai augstāku frekvenci nav dzirdamas cilvēka ausij.

To, ka gaiss ir skaņas diriģents, pierādīja Roberta Boila pieredze 1660. gadā. Ja skaņas korpuss, piemēram, elektriskais zvans, tiek novietots zem gaisa pumpja zvaniņa, tad, izsūknējot gaisu no tā, skaņa kļūs vājāka, un beidzot tā apstāsies.

Vibrācijas laikā ķermenis pārmaiņus saspiež gaisa slāni, kas atrodas blakus tā virsmai, vai, gluži pretēji, šajā slānī rada vakuumu. Tādējādi skaņas izplatīšanās gaisā sākas ar gaisa blīvuma svārstībām pie svārstīgā ķermeņa virsmas.

Svārstību izplatīšanās procesu telpā laika gaitā sauc par vilni. Viļņa garums ir attālums starp divām tuvākajām barotnes daļiņām tādā pašā stāvoklī.

Fizisko lielumu, kas vienāds ar viļņa garuma attiecību pret tā daļiņu svārstību periodu, sauc par viļņa ātrumu.

Barotnes, kurā vilnis izplešas, daļiņu svārstības. Tāpēc to periods ir vienāds ar patogēna viļņa svārstību periodu. Tomēr viļņu izplatīšanās ātrums dažādās vidēs ir atšķirīgs.

Skaņas ir atšķirīgas. Mēs viegli atšķiram svilpi un bungu ritējumu, vīrieša balsi (bass) no sievietes (soprāns).

Tiek teikts, ka dažas skaņas ir zemas skaņas, citas mēs saucam par augstām skaņām. Auss tos viegli atšķir. Lielā bungas radītā skaņa ir zema signāla skaņa, svilpe ir augsta signāla skaņa.

Vienkārši mērījumi (vibrācijas svārstības) parāda, ka zemi toņi ir zemas frekvences vibrācijas skaņas viļņā. Augsta skaņa atbilst lielai svārstību frekvencei. Svārstību frekvence skaņas vilnī nosaka skaņas signālu.

Ir īpaši skaņas avoti, kas izstaro vienu frekvenci, tā saukto tīro toni. Tās ir dažāda lieluma tūninga dakšas - vienkāršas ierīces, kas ir izliektas metāla stieņi uz kājām. Jo lielāka ir dakša, jo zemāku skaņu tā izstaro, kad tai sit.

Ja ņemat vairākas dažāda lieluma tūninga dakšas, nebūs grūti tās sakārtot pēc auss, lai palielinātu soli. Tādējādi tie atradīsies pēc lieluma: lielākā tuning dakša rada zemu skaņu, bet mazākā - visaugstākā.

Pat viena signāla skaņas var būt atšķirīga skaļuma. Skaņas skaļums ir saistīts ar svārstību enerģiju avotā un viļņā. Svārstību enerģiju nosaka svārstību amplitūda. Tāpēc skaļums ir atkarīgs no svārstību amplitūdas.

Tas, ka skaņas viļņu izplatīšanās nenotiek uzreiz, redzams no vienkāršākajiem novērojumiem. Ja tālumā ir pērkona negaiss, šāviens, sprādziens, tvaika lokomotīves svilpe, cirvja sitiens utt., Tad vispirms ir redzamas visas šīs parādības, un tikai tad pēc kāda laika atskan skaņa.

Tāpat kā jebkuru viļņu, arī skaņas vilni raksturo svārstību izplatīšanās ātrums tajā.

Skaņas ātrums dažādās vidēs ir atšķirīgs. Piemēram, ūdeņradī jebkura garuma skaņas viļņu izplatīšanās ātrums ir 1284 m / s, gumijā - 1800 m / s un dzelzs - 5850 m / s.

Tagad akustika kā fizikas joma ņem vērā plašāku elastīgo vibrāciju spektru - no zemākās līdz augstākajai, līdz 1012 - 1013 Hz. Skaņas viļņus ar frekvencēm zem 16 Hz, kurus cilvēks nedzird, sauc par infraskaņām, skaņas viļņus ar frekvencēm no 20 000 Hz līdz 109 Hz sauc par ultraskaņu, bet vibrācijas ar frekvencēm, kas pārsniedz 109 Hz, sauc par hiperskaņām.

Šīs nedzirdamās skaņas ir atradušas daudzus lietojumus.

Ultraskaņām un infraskaņām ir ļoti liela loma dzīvajā pasaulē. Piemēram, zivis un citi jūras dzīvnieki jutīgi uztver vētras viļņu radītos infraskaņas viļņus. Tādējādi viņi jau iepriekš izjūt vētras vai ciklona tuvošanos un peld prom uz drošāku vietu. Infraskaņas ir meža, jūras, atmosfēras skaņu sastāvdaļa.

Kad zivis pārvietojas, tiek radītas elastīgas infraskaņas vibrācijas, kas izplatās ūdenī. Šīs svārstības haizivis labi jūt daudzus kilometrus un peld pret laupījumu.

Ultraskaņas var izstarot un uztvert tādi dzīvnieki kā suņi, kaķi, delfīni, skudras, sikspārņi utt. Sikspārņi lidojuma laikā izstaro īsas, augstas skaņas skaņas. Lidojuma laikā viņi vadās no šo skaņu atstarojumiem no ceļā sastaptiem objektiem; viņi pat var noķert kukaiņus, vadoties tikai no viņu mazā laupījuma atbalss. Kaķi un suņi var dzirdēt ļoti augstas svilpes skaņas (ultraskaņas).

Atbalss ir vilnis, ko atstaro no šķēršļa un ko novērotājs saņem. Skaņas atbalsi auss uztver atsevišķi no primārā signāla. Metode, kā noteikt attālumus līdz dažādiem objektiem un noteikt to atrašanās vietas, ir balstīta uz atbalss fenomenu. Pieņemsim, ka skaņas signālu izstaro kāds skaņas avots un tiek reģistrēts tā izstarošanas brīdis. Skaņa saskārās ar šķērsli, atstarojās no tā, atgriezās un to uztvēra skaņas uztvērējs. Ja tajā pašā laikā tika mērīts laika intervāls starp emisijas un uztveršanas momentiem, tad ir viegli atrast attālumu līdz šķērslim. Izmērītajā laikā t skaņa aptvēra 2s attālumu, kur s ir attālums līdz šķēršlim, un 2s ir attālums no skaņas avota līdz šķēršlim un no šķēršļa līdz skaņas uztvērējam.

Izmantojot šo formulu, jūs varat atrast attālumu līdz signāla reflektoram. Bet jums arī jāzina, kur tas atrodas, kādā virzienā no avota signāls to saskārās. Tikmēr skaņa izplatās visos virzienos, un atstarotais signāls varētu nākt no dažādiem virzieniem. Lai izvairītos no šīm grūtībām, viņi neizmanto parasto skaņu, bet gan ultraskaņu.

Ultraskaņas viļņu galvenā iezīme ir tā, ka tos var padarīt virziena virzienus, izplatoties noteiktā virzienā no avota. Pateicoties tam, atstarojot ultraskaņu, jūs varat ne tikai atrast attālumu, bet arī uzzināt, kur atrodas objekts, kas tos atspoguļoja. Tātad jūs, piemēram, varat izmērīt jūras dziļumu zem kuģa.

Skaņas lokalizatori ļauj noteikt un lokalizēt dažādus ievainojumus izstrādājumos, piemēram, tukšumus, plaisas, svešas iespiešanās utt. Medicīnā ultraskaņu izmanto, lai noteiktu dažādas pacienta ķermeņa anomālijas - audzējus, orgānu vai to daļu formas kropļojumus utt. Jo īsāks ir ultraskaņas viļņa garums, jo mazāki ir atklāto detaļu izmēri. Ultraskaņu izmanto arī noteiktu slimību ārstēšanai.

Okeāna akustika

Otrais, mazpazīstamais lajs, jūras ūdens pārvietošanās veids ir iekšējie viļņi. Lai gan tie tika atklāti okeānā ilgu laiku, XIX un XX gadsimtu mijā. (Nansena ekspedīcija uz “Fram” un Ekmana darbs, kurš izskaidroja jūrnieku novērojumus) ...

Okeāna akustika

Tagad par virsmas viļņiem, par pašiem jūras viļņiem. Varbūt jūrā nav citas tik plaši pazīstamas parādības. Sākot ar senajiem jūrniekiem un filozofiem, beidzot ar mūsu laika māksliniekiem un dzejniekiem, no vecā vectēva ...

De Broglie viļņi un to fiziskā interpretācija

Aprēķināsim de Broglie viļņu grupas izplatīšanās ātrumu, tāpat kā visos gadījumos, fāzes un grupas ātrums, fāzes ātrums būs (6) Tā kā de Broglie viļņu fāzes ātrums ir lielāks par gaismas ātrumu tukšumā ...

Skaņas viļņu izpēte

Ir zināms, ka skaņa izplatās telpā tikai jebkura elastīga līdzekļa klātbūtnē. Vide ir nepieciešama vibrāciju pārraidīšanai no skaņas avota uz uztvērēju, piemēram, uz cilvēka ausi. Citiem vārdiem sakot...

Mehānisko viļņu izpēte sākas ar vispārēju ideju veidošanos par viļņu kustību. Svārstīgo kustību stāvoklis tiek pārraidīts no viena svārstīgā ķermeņa uz otru, ja ir savienojums starp tiem ...

Elektromagnētisko viļņu izmantošana

Vilnis attiecas uz vibrācijām, kas laika gaitā izplatās telpā. Vissvarīgākā viļņa īpašība ir tā ātrums. Jebkura rakstura viļņi kosmosā neizplatās uzreiz. Viņu ātrums ir ierobežots ...

Optikas izstrāde

Nākamo soli gaismas viļņu teorijas attīstībā veica Hjūgens. Būtībā viņš izveidoja gaismas viļņu teoriju un, pamatojoties uz to, izskaidroja visas tajā laikā zināmās parādības. Pirmoreiz ideju par gaismas viļņu raksturu Martijs izteica 1648. gadā un 1665. gadā ...

Iepriekš aprakstītie viļņi rodas elastīgo spēku ietekmē, taču ir arī tādi viļņi, kuru veidošanās notiek gravitācijas ietekmē. Viļņi, kas izplatās virs šķidruma virsmas, nav gareniski ...

Skaņas fizikālie pamati

Skaņa ir dzirdes sajūtu objekts, tāpēc cilvēks to novērtē arī subjektīvi. Uztverot toņus, cilvēks tos atšķir augstumā. Augstums ir subjektīvs raksturojums, kas galvenokārt saistīts ar pamata signāla biežumu ...

Ķermeņa kustības raksturojums

2.1. Vibrācijas kustības kinemātika Testa jautājumi 1. Svārstības ir procesi ar zināmu atkārtojamību laikā. Harmoniskās svārstības - svārstības, kas notiek saskaņā ar sinusa un kosinusa likumu ...

Elektromagnētiskie viļņi un to īpašības

Elektromagnētiskie viļņi ir elektromagnētisko lauku izplatīšanās telpā un laikā. Kā jau tika minēts iepriekš, elektromagnētisko viļņu esamību teorētiski paredzēja lielais angļu fiziķis Dž ...

Putnu dziedāšana, lietus un vēja skaņa, pērkona pealis, mūzika - viss, ko dzirdam, mēs uzskatām par skaņu.

Zinātniski skaņa ir fiziska parādība, kas pārstāv mehāniskās vibrācijas, kas izplatās cietā, šķidrā un gāzveida vidē. Viņi izraisa dzirdes sajūtas.

Kā parādās skaņas vilnis

Noklikšķiniet uz attēla

Visas skaņas izplatās elastīgo viļņu veidā. Un viļņi rodas elastīgo spēku ietekmē, kas parādās, kad ķermenis ir deformēts. Šie spēki cenšas atgriezt ķermeni sākotnējā stāvoklī. Piemēram, izstiepta aukla neskan. Bet tas ir nepieciešams tikai ņemt malā, jo elastības spēka iedarbībā tas mēdz ieņemt sākotnējo stāvokli. Vibrējot, tas kļūst par skaņas avotu.

Skaņas avots var būt jebkurš svārstīgs korpuss, piemēram, no vienas puses piestiprināta plāna tērauda plāksne, gaiss mūzikas pūšaminstrumentā, cilvēka balss auklas, zvans utt.

Kas notiek gaisā, kad notiek svārstības?

Tāpat kā jebkurai gāzei, gaisam ir elastība. Tas pretojas saspiešanai un tūlīt sāk paplašināties, kad spiediens samazinās. Viņš vienmērīgi izdara jebkādu spiedienu uz viņu dažādos virzienos.

Ja gaiss tiek strauji saspiests ar virzuļa palīdzību, spiediens šajā vietā nekavējoties palielināsies. Tas nekavējoties tiks pārnests uz blakus esošajiem gaisa slāņiem. Viņi saspiež, un spiediens tajos palielināsies, un iepriekšējā slānī tas samazināsies. Tātad ķēdē tiek nodotas mainīgas augsta un zema spiediena zonas.

Savukārt, noliekoties uz sāniem, skanoša virkne saspiež gaisu, vispirms vienā virzienā, bet pēc tam pretējā virzienā. Šajā virzienā, kur virkne atkāpās, spiediens kļūst par atmosfēras spiedienu. Pretējā pusē spiediens samazinās par tādu pašu daudzumu, jo tur esošais gaiss ir atšķaidīts. Kompresijas un reta darbība mainīsies un izplatīsies dažādos virzienos, izraisot gaisa vibrācijas. Šīs svārstības sauc skaņu vilnis . Tiek saukta atšķirība starp atmosfēras spiedienu un spiedienu gaisa saspiešanas vai izpausmes slānī akustisks vai skaņas spiediens.

Noklikšķiniet uz attēla

Skaņas vilnis izplatās ne tikai gaisā, bet arī šķidrumā un cietā vidē. Piemēram, ūdenim ir lieliska skaņa. Mēs dzirdam akmens triecienu zem ūdens. Virszemes kuģa dzenskrūvju troksni uztver zemūdenes akustika. Ja mēs koka dēļa vienā galā uzliekam mehānisku pulksteni, tad, noliekot ausi pretējā dēļa galā, mēs dzirdēsim to kutināšanu.

Vai skaņas mainīsies vakuumā? Angļu fiziķis, ķīmiķis un teologs Roberts Boils, kurš dzīvoja 17. gadsimtā, savu pulksteni ievietoja stikla traukā, no kura tika izsūknēts gaiss. Viņš nedzirdēja pulksteņa kutināšanu. Tas nozīmēja, ka skaņas viļņi neizplatījās telpā bez gaisa.

Skaņas viļņu raksturlielumi

Skaņas vibrāciju forma ir atkarīga no skaņas avota. Vienkāršākās formas ir vienveidīgas jeb harmoniskas vibrācijas. Tos var attēlot kā sinusoīdu. Šādas vibrācijas raksturo vibrāciju amplitūda, viļņa garums un izplatīšanās frekvence.

Amplitūda

Amplitūda vispārējā gadījumā sauc ķermeņa maksimālo novirzi no līdzsvara stāvokļa.

Tā kā skaņas vilnis sastāv no mainīgiem augsta un zema spiediena reģioniem, to bieži uzskata par spiediena svārstību izplatīšanās procesu. Tāpēc runājiet par gaisa spiediena amplitūda vilnī.

Skaņas skaļums ir atkarīgs no amplitūdas. Jo lielāks tas ir, jo skaļāka ir skaņa.

Katrai cilvēka runas skaņai ir tāda vibrācijas forma, kas raksturīga tikai viņam. Tātad skaņas “a” vibrācijas forma atšķiras no skaņas “b” vibrācijas formas.

Biežums un viļņu periods

Tiek izsaukts vibrāciju skaits sekundē viļņu frekvence .

f \u003d 1 / T

kur T - svārstību periods. Tas ir laika posms, kurā notiek viena pilnīga svārstības.

Jo lielāks periods, jo zemāka frekvence un otrādi.

Frekvences mērvienība starptautiskajā SI mērīšanas sistēmā ir hercs (Hz). 1 Hz ir viena svārstība sekundē.

1 Hz \u003d 1 s -1.

Piemēram, frekvence 10 Hz nozīmē 10 svārstības 1 sekundē.

1000 Hz \u003d 1 kHz

Skaļums ir atkarīgs no svārstību frekvences. Jo augstāka frekvence, jo augstāks ir skaņas tonis.

Cilvēka auss nespēj uztvert visus skaņas viļņus, bet tikai tos, kuru frekvence ir no 16 līdz 20 000 Hz. Tieši šie viļņi tiek uzskatīti par skaņu. Viļņus, kuru frekvence ir zemāka par 16 Hz, sauc par infraskaņas, bet virs 20000 Hz - par ultraskaņas.

Persona neuztver ne infraskaņas, ne ultraskaņas viļņus. Bet dzīvnieki un putni var dzirdēt ultraskaņu. Piemēram, parasts tauriņš atšķir skaņas, kuru frekvence ir no 8000 līdz 160 000 Hz. Delfīnu uztvertais diapazons ir vēl plašāks - tas svārstās no 40 līdz 200 tūkstošiem Hz.

Viļņa garums

Garais vilnis izsauciet attālumu starp diviem tuvākajiem harmoniskā viļņa punktiem vienā un tajā pašā fāzē, piemēram, starp divām grēdām. Izraudzīts kā ƛ .

Laikā, kas vienāds ar vienu periodu, vilnis pārvietojas ar attālumu, kas vienāds ar tā garumu.

Viļņa ātrums

v = ƛ / T

Kā T \u003d 1 / f,

tad v \u003d ƛ

Skaņas ātrums

Mēģinājumi noteikt skaņas ātrumu, izmantojot eksperimentus, tika veikti XVII gadsimta pirmajā pusē. Angļu filozofs Fransiss Bekons darbā “New Organon” piedāvāja savu veidu šīs problēmas risināšanai, balstoties uz gaismas un skaņas ātruma atšķirībām.

Ir zināms, ka gaismas ātrums ir daudz lielāks nekā skaņas ātrums. Tāpēc negaisa laikā vispirms mēs redzam zibspuldzi un tikai pēc tam dzirdam pērkonu. Zinot attālumu starp gaismas un skaņas avotu un novērotāju, kā arī laiku starp gaismas zibspuldzi un skaņu, var aprēķināt skaņas ātrumu.

Bekona ideju izmantoja franču zinātniece Merēna Marsena. Novērotājs, kas atradās noteiktā attālumā no personas, kas šauj no musketes, reģistrēja laiku, kas pagājis no gaismas zibspuldzes līdz šāviena skaņai. Tad attālums tika dalīts ar laiku un saņēma skaņas ātrumu. Saskaņā ar eksperimenta rezultātiem ātrums izrādījās vienāds ar 448 m / s. Tas bija aptuvens aprēķins.

19. gadsimta sākumā zinātnieku grupa no Parīzes Zinātņu akadēmijas atkārtoja šo eksperimentu. Pēc viņu aprēķiniem, gaismas ātrumam bija vērtība 350-390 m / s. Bet šis skaitlis nebija precīzs.

Teorētiski gaismas ātrumu mēģināja aprēķināt Ņūtons. Savus aprēķinus viņš balstīja uz Boile-Marriott likumu, kas apraksta gāzes uzvedību izotermiska process (nemainīgā temperatūrā). Un tas notiek, kad gāzes tilpums mainās ļoti lēni, dodot videi siltumu, kas tajā rodas.

Ņūtons ierosināja, ka starp saspiešanas un izkliedes zonām temperatūra ātri izlīdzinās. Bet šie apstākļi neatrodas skaņas vilnī. Gaiss slikti vada siltumu, un attālums starp saspiešanas un izkliedēšanas slāņiem ir liels. Siltumam no kompresijas slāņa nav laika pāriet uz retināšanas frakciju. Un starp tiem pastāv temperatūras starpība. Tāpēc Ņūtona aprēķini bija nepareizi. Viņi deva skaitli 280 m / s.

Franču zinātnieks Laplass spēja izskaidrot, ka Ņūtona kļūda ir tāda, ka gaisā izplatās skaņas vilnis adiabātisks apstākļi mainīgā temperatūrā. Pēc Laplasas aprēķiniem, skaņas ātrums gaisā 0 ° C temperatūrā ir 331,5 m / s. Turklāt tas palielinās, palielinoties temperatūrai. Un, kad temperatūra paaugstināsies līdz 20 ° C, tā būs vienāda ar 344 m / s.

Dažādās vidēs skaņas viļņi izplatās ar dažādu ātrumu.

Gāzēm un šķidrumiem skaņas ātrumu aprēķina pēc formulas:

kur no plkst - skaņas ātrums,

β - barotnes adiabātiska saspiežamība,

ρ - blīvums.

Kā redzams no formulas, ātrums ir atkarīgs no barotnes blīvuma un saspiežamības. Gaisā to ir mazāk nekā šķidrumā. Piemēram, ūdenī 20 ° C temperatūrā tas ir vienāds ar 1484 m / s. Turklāt, jo augstāks ir ūdens sāļums, jo ātrāk tajā izplatās skaņa.

Pirmo reizi skaņas ātrums ūdenī tika mērīts 1827. gadā. Šis eksperiments nedaudz atgādināja Marēnas Marsennes mērītos gaismas ātruma mērījumus. No vienas laivas sāniem tika nolaists zvans. Vairāk nekā 13 km attālumā no pirmās laivas bija otrā. Pirmajā laivā viņi atsitās pret zvanu un vienlaikus aizdedzināja šaujampulveri. Otrajā laivā tika ierakstīts zibspuldzes laiks un pēc tam skaņas ierašanās laiks no zvana. Sadalot attālumu pēc laika, mēs ieguvām skaņas viļņa ātrumu ūdenī.

Skaņai ir vislielākais ātrums stabilā vidē. Piemēram, tēraudā tas sasniedz vairāk nekā 5000 m / s.