Звукът е навсякъде около нас. Използваме усещането си за звук, за да се ориентираме в заобикалящата ни среда, да общуваме и да се наслаждаваме на музиката. Но какво е звукът? Как се прави и как се предава от едно място на друго?
Какво представляват звуковите вълни?
Звукът е вид механична вълна или трептене на материята. Вълната е смущение, което пътува от едно място до друго в среда. Ключът тук е, че точките в средата трептят на място, докато самото смущение се движи.
Например, помислете за вълна, направена от тълпа при игра с топка. Вентилаторите на техните места служат като вълнова среда. Поотделно те се изправят, вдигат ръцете си и след това седят обратно - те трептят на място. Смущението обаче обикаля целия стадион.
Трептенията в средата са склонни да идват в една от двете разновидности: Напречните вълни трептят под прав ъгъл спрямо посоката на пътуване (както при публиката на стадиона, или вълна на струна) и надлъжните вълни трептят успоредно на посоката на пътуване.
Звуковите вълни са надлъжни вълни. Когато звукова вълна се разпространява през среда, като въздух, тя прави това, като кара въздушните молекули да вибрират, което причинява промени в въздушно налягане, което води до компресии (области с високо налягане) и разреждания (области с ниско налягане) във въздуха като вълната пътува.
Помислете за пружина за играчки като Slinky, изпъната на масата с един човек, който държи двата края. Ако един човек изтръгне Slinky към себе си, той ще изпрати надлъжна вълна надолу по Slinky. Ще видите региони на намотките Slinky, които са по-близко разположени (компресии) и по-свободно раздалечени (разреждания). Всяка дадена точка в Слинки трепва напред-назад на място, докато смущението се движи от единия край до другия.
Отново, точно това се случва със звуковите вълни във въздуха или друга среда.
Как се създават звукови вълни?
Както при всяка друга вълна, звуковите вълни се създават от първоначално смущение или вибрация. Удареният камертон, например, вибрира с определена честота. Докато се движи, той се блъска във въздушните молекули около себе си, като периодично ги компресира.
Компресираните области пренасят тази енергия и към съседните им въздушни молекули и смущението се движи във въздуха, докато достигне ухото ви, в този момент то предава енергия на тъпанчето ви, което ще вибрира със същата честота - и ще бъде интерпретирано от мозъка ви като звук.
Когато говорите, вибрирате ларинкса си (малка куха тръба в горната част на дихателната тръба), която от своя страна вибрира въздуха около него, който след това разпространява звуковата енергия към слушателя. Чрез свиване и разширяване на тъканта в ларинкса, както и манипулиране на артикулаторите в устата (устните, езика и други структури на устата), можете да създавате различни звуци.
Всички обекти могат да бъдат източници на звук, които създават звук по един и същи начин - чрез вибриране и прехвърляне на тези вибрации в съседна среда, като въздуха.
Скоростта на звука
На сух въздух звукът се движи със скорост
v = 331,4 + 0,6T_c
къдетоT° Се температурата в Целзий. При стандартен 20 градуса по Целзий (68 градуса по Фаренхайт) ден звукът се движи с около 343,4 m / s. Това е около 768 мили в час!
Скоростта на звука е различна при различните носители. Например скоростта, с която звуковата вълна се движи във вода, може да бъде по-голяма от 1437 m / s; в дървото е 3 850 m / s; и в алуминий, над 6 320 m / s!
Като общо правило звукът се движи по-бързо в материали, където молекулите са по-близо една до друга. Пътува най-бързо в твърдо вещество, второ най-бързо в течности и най-бавно в газове.
Експеримент: Измерване на скоростта на звука
Можете да извършите прост експеримент за измерване на скоростта на звука. За да направите това, ще ви е необходим звукоизлъчващ източник (който може да бъде камертон, ръкопляскане или собствен глас) и отразяващ изплувайте на известно разстояние от източника (като плътна скална стена на няколко метра пред вас или затворения край на обикновен тръба).
При условие, че разполагате с оборудване (и / или достатъчно бързо рефлекси), което може да измерва интервала между времето, когато се издава звук, и когато той се връща към местоположението на източника чрез ехо от отразяващата повърхност, ще имате достатъчно информация, за да определите скорост.
Просто вземете двойното разстояние от източника до отразяващата повърхност (тъй като звукът преминава от източника към повърхността и след това отново) и го разделете на времето между звуковото излъчване и ехо.
Като пример, да предположим, че извикате в 200-метров каньон и ще получите ехо обратно за 1,14 секунди. Скоростта на звука ще бъде 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Превишаване на скоростта на звука
Може да сте запознати с явлението някои самолети да пробият звуковата бариера. Това означава, че самолетът лети по-бързо от скоростта на звука. В момента, когато надвишава тази скорост, създава звуков бум.
Самолет, пътуващ вМах 1пътува със скоростта на звука. Mach 2 е два пъти по-голяма от скоростта на звука и т.н. Най-бързият самолет в света беше северноамериканският X-15, който на 3 октомври 1967 г. достигна скорост от 6,7 маха.
На сушата скоростта на звука беше нарушена на 15 октомври 1997 г. от Анди Грийн, който премина 763.035 мили в час с реактивен автомобил ThrustSSC в пустинята Black Rock в Невада.
Честота и дължина на вълната
Честотата на вълната е броят на трептенията, които възникват в дадена точка в средата в секунда. Измерва се в единици херц (Hz), където 1 Hz = 1 / s. Дължината на вълната на звуковата вълна е разстоянието между две последователни области на максимална компресия. Обикновено се измерва в единици метри (m).
Скоростта на звукова вълна,v,е пряко свързана с честотатаедължина на вълната ламбда чрезv = λf.
Скоростта на звука в определена среда не зависи от честотата или дължината на вълната, а вместо това е константа на тази конкретна среда. Честотата на звуковата вълна винаги ще съответства на честотата на звуковия източник, така че не зависи от средата или скоростта на вълната.
Следователно, в две различни среди, честотите ще бъдат еднакви, докато скоростите ще бъдат специфични за средата и дължините на вълните ще варират съответно. (Високата честота съответства на малки дължини на вълната и обратно.)
Честотните диапазони, които обикновено се откриват от човешкото ухо, варират от 64 Hz до 23 kHz, въпреки че хората са склонни да губят способността си да чуват по-високите честоти с напредването на възрастта. За разлика от тях, кучетата могат да чуят до около 45 kHz (поради което реагират на кучешки свирки които не се чуват за хората), котките могат да чуят до 64 kHz, а морските свине да чуят до 150 kHz!
„В Космоса никой не може да Ви чуе писък“
Несъмнено сте попаднали на този цитат от филма от 1979 годинаИзвънземно, и е вярно: звукът не се движи във вакуум. Това е така, защото се нуждае от среда. Между източника на звука и вас трябва да има някакъв материал, за да може звукът да се разпространява.
И така, всички онези космически бойни сцени, които виждате във филмите със силните експлозии? Напълно невярно! Не би имало звук, защото няма среда, през която да пътува.
Интензивност на звука и звукова енергия
Интензивност на звука,Аз, е мощността на звука на единица площ. SI единицата за интензивност на звука е вата / м2 къдетоАз0 = 10-12 W / m2 се счита за праг на човешкия слух. В разговор, интензивността на звука е това, което ние считаме за „силата на звука“ на звука.
Често срещан начин за представяне на възприеманата сила на звука е използването на скала в децибели (dB), където интензивността на звука е в децибели:
Тази скала е полезна, защото хората не възприемат силата на звука линейно. Тоест, звукът с двойна интензивност може да изглежда повече от два пъти по-силен, когато е започнал тих и по-малко от два пъти по-силен, ако вече е започнал малко по-силно. Скалата с децибели предоставя числа, по-съвместими с нашите възприятия.
Звукът на лекото дишане е около 10 dB, докато разговорът в ресторант е около 60 dB. Прелитането на реактивен самолет на 1000 фута е около 100 dB. Граничен болезнен гръмотевичен удар е 120 dB, а барабанните уши се разкъсват при 150 dB.
Енергията в звукова вълна е пряко свързана с интензивността. Единиците за интензитет, W / m2, са същите като J / (sm2) или енергия в джаули в секунда на квадратен метър.
Музикални инструменти
Спомнете си, че скоростта на звука зависи само от средата, а не от честотата на вълната. Това е хубаво нещо, защото в противен случай слушането на концерт би било ужасно изживяване, с различни музикални ноти, които да стигнат до вас в неизправност.
Различните честоти на звука съответстват на различни височини или музикални ноти. Когато певец пее, те произвеждат различни честоти, като променят размера и формата на ларинкса си. Музикалните инструменти са предназначени да създават звук от чисти тонове, обикновено чрез създаване на стоящи вълни, независимо дали в тръба или тръба, или по струна.
Помислете за струнен инструмент като китара. Честотата, с която изтръгната струна вибрира, зависи от нейната плътност на масата (колко маса на единица дължина), напрежението в струната (колко плътно е задържана) и нейната дължина. Ако погледнете китара, ще видите, че всяка струна има различна дебелина. Копчетата за настройка в края на дръжката ви позволяват да регулирате опъването на струната, а перките ви дават места за поставяне на пръсти, за да променяте дължините на струните, докато играете, което ви позволява да създавате много различни бележки.
За разлика от това дървените вятъри се състоят от кухи тръби, където във въздушни колони могат да се създадат стоящи вълни (точно както в ларинкса). Различните дупки на тона на такъв инструмент ви позволяват да промените видовете стоящи вълни, които могат да се образуват, и по този начин да промените нотите, които могат да се свирят.
За инструмент като тромбон можете също да регулирате дължината на тръбата, като премествате плъзгача напред-назад, позволявайки да се възпроизвеждат различни честотни стоящи вълни и следователно различни ноти.
Ударните инструменти, като барабани, разчитат на вибрациите на мембраната (като барабанната глава). Подобно на скубането на струните на китара, когато удряте главата на барабана на различни места, на мембраната се образуват стоящи вълни, създаващи звук. Честотата и качеството на звука зависи от размера на мембраната, нейната дебелина и напрежение.