Ήχος: Ορισμός, Τύποι, Χαρακτηριστικά & Συχνότητες

Ο ήχος είναι γύρω μας. Χρησιμοποιούμε την αίσθηση του ήχου για να περιηγηθούμε στο περιβάλλον μας, να επικοινωνούμε και να απολαμβάνουμε τη μουσική. Αλλά τι είναι ήχος; Πώς φτιάχνεται και πώς μεταδίδεται από τη μία τοποθεσία στην άλλη;

Ο ήχος είναι ένας τύπος μηχανικού κύματος ή ταλάντωσης της ύλης. Ένα κύμα είναι μια διαταραχή που ταξιδεύει από τη μια τοποθεσία στην άλλη σε ένα μέσο. Το κλειδί εδώ είναι ότι τα σημεία στο μέσο ταλαντεύονται στη θέση τους ενώ η ίδια η διαταραχή ταξιδεύει.

Για παράδειγμα, σκεφτείτε ένα κύμα που έκανε ένα πλήθος σε ένα παιχνίδι μπάλα. Οι οπαδοί στα καθίσματά τους χρησιμεύουν ως κυματικό μέσο. Μεμονωμένα, σηκώνονται, σηκώνουν τα χέρια τους και στη συνέχεια κάθονται πίσω - ταλαντεύονται στη θέση τους. Ωστόσο, η ενόχληση ταξιδεύει σε όλο το στάδιο.

Οι ταλαντώσεις σε ένα μέσο τείνουν να έρχονται σε μία από τις δύο ποικιλίες: Τα εγκάρσια κύματα ταλαντεύονται σε ορθή γωνία προς την κατεύθυνση του ταξίδι (όπως με το κοινό στο γήπεδο, ή ένα κύμα σε μια χορδή) και τα διαμήκη κύματα ταλαντεύονται παράλληλα με την κατεύθυνση του ταξίδι.

Τα ηχητικά κύματα είναι διαμήκη κύματα. Όταν ένα ηχητικό κύμα διαδίδεται μέσω ενός μέσου, όπως του αέρα, το κάνει προκαλώντας τη δόνηση των μορίων του αέρα, γεγονός που προκαλεί αλλαγές στο πίεση αέρα, με αποτέλεσμα συμπίεση (περιοχές υψηλής πίεσης) και σπάνιες κρούσεις (περιοχές χαμηλής πίεσης) στον αέρα ως κύμα ταξιδεύει.

Σκεφτείτε ένα παιχνίδι άνοιξη σαν ένα Slinky απλωμένο σε ένα τραπέζι με ένα άτομο να κρατάει στα δύο άκρα. Εάν ένα άτομο μαζέψει το Slinky προς τον εαυτό του, θα στείλει ένα διαμήκες κύμα κάτω από το Slinky. Θα δείτε περιοχές των πηνίων Slinky που βρίσκονται πιο κοντά (συμπίεση) και πιο χαλαρά (σπάνιες). Οποιοδήποτε δεδομένο σημείο στο Slinky ταλαντεύεται εμπρός και πίσω στη θέση του καθώς η διαταραχή κινείται από το ένα άκρο στο άλλο.

Και πάλι, αυτό ακριβώς συμβαίνει με τα ηχητικά κύματα στον αέρα ή οποιοδήποτε άλλο μέσο, ​​για αυτό το θέμα.

Όπως και με οποιοδήποτε άλλο κύμα, τα ηχητικά κύματα δημιουργούνται από μια αρχική διαταραχή ή δόνηση. Ένα χτυπημένο πιρούνι συντονισμού, για παράδειγμα, δονείται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Καθώς κινείται, προσκρούει στα μόρια του αέρα γύρω του, συμπιέζοντας τακτικά.

Οι συμπιεσμένες περιοχές μεταφέρουν αυτήν την ενέργεια στα γειτονικά τους μόρια αέρα και η διαταραχή κινείται μέσω του αέρα μέχρι να φτάσει το αυτί σας, σε ποιο σημείο μεταφέρει ενέργεια στο τύμπανο σας, το οποίο θα δονείται στην ίδια συχνότητα - και θα ερμηνευθεί από τον εγκέφαλό σας ως ήχος.

Όταν μιλάτε, δονείτε τον λάρυγγό σας (έναν μικρό κοίλο σωλήνα στην κορυφή του σωλήνα σας), ο οποίος με τη σειρά του δονεί τον αέρα γύρω του, ο οποίος στη συνέχεια μεταδίδει την ηχητική ενέργεια στον ακροατή. Με τη σύσπαση και την επέκταση του ιστού στο λάρυγγά σας, καθώς και με το χειρισμό των αρθρωτών στο στόμα σας (τα χείλη, τη γλώσσα και άλλες δομές του στόματος), μπορείτε να δημιουργήσετε διαφορετικούς ήχους.

Όλα τα αντικείμενα μπορούν να είναι πηγές ήχου που δημιουργούν ήχο με τον ίδιο τρόπο - με δόνηση και μεταφορά αυτών των δονήσεων σε ένα παρακείμενο μέσο, ​​όπως στον αέρα.

Σε ξηρό αέρα, ο ήχος ταξιδεύει με ταχύτητα

όπουΤ_ντοείναι η θερμοκρασία σε Κελσίου. Σε μια τυπική ημέρα 20 βαθμούς Κελσίου (68 βαθμοί Φαρενάιτ), ο ήχος ταξιδεύει περίπου 343,4 m / s. Αυτό είναι περίπου 768 μίλια ανά ώρα!

Η ταχύτητα του ήχου είναι διαφορετική σε διαφορετικά μέσα. Για παράδειγμα, ο ρυθμός με τον οποίο ένα ηχητικό κύμα ταξιδεύει στο νερό μπορεί να είναι μεγαλύτερος από 1.437 m / s. σε ξύλο είναι 3.850 m / s. και σε αλουμίνιο, άνω των 6.320 m / s!

Κατά γενικό κανόνα, ο ήχος ταξιδεύει γρηγορότερα σε υλικά όπου τα μόρια είναι πιο κοντά. Ταξιδεύει με τον ταχύτερο στα στερεά, το δεύτερο ταχύτερο στα υγρά και το πιο αργό στα αέρια.

Μπορείτε να πραγματοποιήσετε ένα απλό πείραμα για τη μέτρηση της ταχύτητας του ήχου. Για να το κάνετε αυτό, θα χρειαστείτε μια πηγή εκπομπής ήχου (η οποία θα μπορούσε να είναι ένα πιρούνι συντονισμού, ένα χειροκρότημα ή η δική σας φωνή) και εμφανιστεί μια γνωστή απόσταση μακριά από την πηγή (όπως ένας συμπαγής τοίχος βράχου αρκετά μέτρα μπροστά σας ή το κλειστό άκρο ενός απλού σωλήνας).

Υπό την προϋπόθεση ότι έχετε εξοπλισμό (και / ή αντανακλαστικά αρκετά γρήγορα) που μπορεί να μετρήσει το χρονικό διάστημα μεταξύ πότε εκπέμπεται ήχος και πότε επιστρέφει στην τοποθεσία προέλευσης μέσω ηχώ από την ανακλώσα επιφάνεια, θα έχετε αρκετές πληροφορίες για να προσδιορίσετε το Ταχύτητα.

Απλά πάρτε δύο φορές την απόσταση από την πηγή στην ανακλώμενη επιφάνεια (καθώς ο ήχος ταξιδεύει από την πηγή στην επιφάνεια, και στη συνέχεια πάλι πίσω) και διαιρέστε την με το χρόνο μεταξύ εκπομπής ήχου και ηχώ.

Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι φωνάζετε σε ένα φαράγγι βάθους 200 μέτρων και λαμβάνετε ηχώ σε 1,14 δευτερόλεπτα. Η ταχύτητα του ήχου θα είναι 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.

Μπορεί να είστε εξοικειωμένοι με το φαινόμενο ορισμένων αεροσκαφών που σπάζουν το φράγμα ήχου. Αυτό σημαίνει ότι το αεροσκάφος πετά πιο γρήγορα από την ταχύτητα του ήχου. Αυτή τη στιγμή ξεπερνά αυτήν την ταχύτητα, δημιουργεί μια ηχητική έκρηξη.

Ένα αεροσκάφος που ταξιδεύει στοMach 1ταξιδεύει με την ταχύτητα του ήχου. Το Mach 2 είναι διπλάσια από την ταχύτητα του ήχου και ούτω καθεξής. Το γρηγορότερο αεροσκάφος στον κόσμο ήταν το Βόρειο Αμερική X-15, το οποίο έφτασε σε ταχύτητα 6,7 Mach στις 3 Οκτωβρίου 1967.

Στην ξηρά, η ταχύτητα του ήχου έσπασε στις 15 Οκτωβρίου 1997 από τον Andy Green, ο οποίος πήγε 763.035 μίλια την ώρα σε ένα αυτοκίνητο jet ThrustSSC στην έρημο Black Rock στη Νεβάδα.

Η συχνότητα ενός κύματος είναι ο αριθμός των ταλαντώσεων που συμβαίνουν σε ένα δεδομένο σημείο στο μέσο ανά δευτερόλεπτο. Μετράται σε μονάδες hertz (Hz) όπου 1 Hz = 1 / s. Το μήκος κύματος ενός ηχητικού κύματος είναι η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών περιοχών μέγιστης συμπίεσης. Μετράται συνήθως σε μονάδες μέτρων (m).

Η ταχύτητα ενός ηχητικού κύματος,v,σχετίζεται άμεσα με τη συχνότηταφάμήκος κύματος λάμδα μέσωv = λf​.

Η ταχύτητα του ήχου σε ένα συγκεκριμένο μέσο δεν εξαρτάται από τη συχνότητα ή το μήκος κύματος, αλλά είναι μια σταθερά αυτού του συγκεκριμένου μέσου. Η συχνότητα ενός ηχητικού κύματος θα ταιριάζει πάντα με τη συχνότητα της πηγής ήχου, επομένως δεν εξαρτάται από το μέσο ή την ταχύτητα κύματος.

Ως εκ τούτου, σε δύο διαφορετικά μέσα, οι συχνότητες θα είναι ίδιες, ενώ οι ταχύτητες θα είναι ειδικές για τα μέσα και τα μήκη κύματος θα ποικίλουν ανάλογα. (Η υψηλή συχνότητα αντιστοιχεί σε μικρά μήκη κύματος και το αντίστροφο.)

Τα εύρη συχνοτήτων που είναι συνήθως ανιχνεύσιμα από το ανθρώπινο αυτί κυμαίνονται από 64 Hz έως 23 kHz, αν και οι άνθρωποι τείνουν να χάνουν την ικανότητά τους να ακούνε τις υψηλότερες συχνότητες καθώς μεγαλώνουν. Αντίθετα, οι σκύλοι μπορούν να ακούσουν μέχρι τα 45 kHz (γι 'αυτό ανταποκρίνονται στις σφυρίχτρες των σκύλων που δεν ακούγονται στον άνθρωπο), οι γάτες μπορούν να ακούσουν έως 64 kHz και οι φώκιες μπορούν να ακούσουν έως και 150 kHz!

Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι συναντάτε αυτό το απόσπασμα από την ταινία του 1979Εξωγήινοκαι είναι αλήθεια: ο ήχος δεν ταξιδεύει σε κενό. Αυτό συμβαίνει επειδή χρειάζεται ένα μέσο. Πρέπει να υπάρχει κάποιο υλικό μεταξύ της πηγής ήχου και εσάς για να εξαπλωθεί ο ήχος.

Λοιπόν, όλες αυτές οι διαστημικές σκηνές μάχης που βλέπετε σε ταινίες με τις δυνατές εκρήξεις; Εντελώς ψευδές! Δεν θα υπήρχε ήχος γιατί δεν υπάρχει μέσο για να περάσει.

Ένταση ήχου,Εγώ, είναι η ηχητική ισχύς ανά μονάδα περιοχής. Η μονάδα SI για ένταση ήχου είναι watt / m² όπουΕγώ₀​ = 10^-12 Μ / μ² θεωρείται το κατώφλι για την ανθρώπινη ακοή. Συνήθως, η ένταση του ήχου είναι αυτό που θεωρούμε «η ένταση» ενός ήχου.

Ένας κοινός τρόπος παρουσίασης της αντιληπτής έντασης του ήχου είναι η χρήση της κλίμακας ντεσιμπέλ (dB), όπου η ένταση του ήχου είναι στα ντεσιμπέλ:

Αυτή η κλίμακα είναι χρήσιμη επειδή οι άνθρωποι δεν αντιλαμβάνονται γραμμικά την ένταση. Δηλαδή, ένας ήχος με διπλάσια ένταση μπορεί να μοιάζει περισσότερο από δύο φορές πιο δυνατός όταν ξεκίνησε αθόρυβος και λιγότερο από δύο φορές πιο δυνατός αν είχε ήδη ξεκινήσει κάπως δυνατά. Η κλίμακα ντεσιμπέλ παρέχει αριθμούς πιο συνεπούς με τις αντιλήψεις μας.

Ο ήχος του ρυθμού αναπνοής φωτός είναι περίπου 10 dB, ενώ η συνομιλία σε ένα εστιατόριο είναι περίπου 60 dB. Ένα jet flyover στα 1.000 ft είναι περίπου 100 dB. Ένα οδυνηρό κεραυνό οριακής γραμμής είναι 120 dB και τα τύμπανα του αυτιού σας σπάσουν στα 150 dB.

Η ενέργεια σε ένα ηχητικό κύμα σχετίζεται άμεσα με την ένταση. Οι μονάδες έντασης, W / m², είναι τα ίδια με το J / (sm²) ή ενέργεια σε joules ανά δευτερόλεπτο ανά τετραγωνικό μέτρο.

Θυμηθείτε ότι η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται μόνο από το μέσο και όχι από τη συχνότητα του κύματος. Αυτό είναι καλό γιατί διαφορετικά η ακρόαση μιας συναυλίας θα ήταν μια φοβερή εμπειρία, με διαφορετικές μουσικές νότες να φτάνουν εκτός λειτουργίας.

Διαφορετικές συχνότητες ήχου αντιστοιχούν σε διαφορετικά βήματα ή μουσικές νότες. Όταν ένας τραγουδιστής τραγουδά, παράγει διαφορετικές συχνότητες αλλάζοντας το μέγεθος και το σχήμα του λάρυγγά τους. Τα μουσικά όργανα έχουν σχεδιαστεί για να δημιουργούν ήχο καθαρών τόνων συνήθως δημιουργώντας όρθια κύματα, είτε σε σωλήνα είτε σε σωλήνα, ή κατά μήκος μιας χορδής.

Σκεφτείτε ένα έγχορδο όπως κιθάρα. Η συχνότητα με την οποία δονείται μια αποσπώμενη συμβολοσειρά εξαρτάται από την πυκνότητα της μάζας της (πόση μάζα ανά μονάδα μήκους), την ένταση στο νήμα (πόσο σφιχτά κρατείται) και το μήκος της. Αν κοιτάξετε μια κιθάρα, θα δείτε ότι κάθε χορδή έχει διαφορετικό πάχος. Τα κουμπιά ρύθμισης στο άκρο της λαβής σάς επιτρέπουν να ρυθμίσετε την ένταση της χορδής και τα frets σας δίνουν μέρη για να βάλετε τα δάχτυλά σας για να αλλάξετε τα μήκη των χορδών καθώς παίζετε, επιτρέποντάς σας να δημιουργήσετε πολλά διαφορετικά σημειώσεις.

Οι ξύλινες ανεμοφράχτες, σε αντίθεση, αποτελούνται από κοίλους σωλήνες όπου μπορούν να δημιουργηθούν όρθια κύματα σε στήλες αέρα (όπως ακριβώς και στο λάρυγγό σας). Οι διαφορετικές τρύπες τόνου σε ένα τέτοιο όργανο σάς επιτρέπουν να αλλάξετε τους τύπους των κυμάτων που μπορούν να σχηματιστούν και επομένως να αλλάξετε τις νότες που μπορούν να παιχτούν.

Για ένα όργανο όπως το τρομπόνι, μπορείτε επίσης να προσαρμόσετε το μήκος του σωλήνα μετακινώντας τη διαφάνεια εμπρός και πίσω, επιτρέποντας διαφορετικά κύματα όρθιας συχνότητας, και ως εκ τούτου διαφορετικές νότες.

Τα κρουστικά όργανα, όπως τα τύμπανα, βασίζονται σε δονήσεις μιας μεμβράνης (όπως μια κεφαλή τυμπάνου). Μοιάζει πολύ με το να μαζεύεις τις χορδές μιας κιθάρας, όταν χτυπάς το κεφάλι του τυμπάνου σε διαφορετικές τοποθεσίες, τα κύματα που στέκονται στη μεμβράνη δημιουργούν ήχο. Η συχνότητα και η ποιότητα του ήχου εξαρτάται από το μέγεθος της μεμβράνης, το πάχος και την ένταση.