Heli on kõikjal meie ümber. Kasutame oma helitaju keskkonnas navigeerimiseks, suhtlemiseks ja muusika nautimiseks. Aga mis on heli? Kuidas seda tehakse ja kuidas see ühest kohast teise edastab?
Mis on helilained?
Heli on teatud tüüpi mehaaniline laine või aine võnkumine. Laine on häire, mis liigub meediumis ühest kohast teise. Peamine on see, et keskkonnas olevad punktid võnkuvad paigal, kui häire ise liigub.
Mõelgem näiteks pallimängu puhul rahva tehtud lainele. Lainekeskkonnana toimivad nende istmetel asuvad fännid. Individuaalselt tõusevad nad püsti, tõstavad käed üles ja siis istuvad tagasi - kõikuvad paigal. Häire levib aga kogu staadionil.
Keskkonnas esinevad võnked kipuvad esinema ühes kahest variandist: põiklained võnkuvad täisnurga suhtes täisnurga all liikumine (nagu staadioni publikul või nööril lainel) ja pikilained võnkuvad paralleelselt reisima.
Helilained on pikilained. Kui helilaine levib läbi keskkonna, näiteks õhu, põhjustab see õhumolekulide vibreerimist, mis põhjustab muutusi õhurõhk, mille tulemuseks on lainena õhus kompressioonid (kõrgrõhkkonnad) ja haruldused (madalrõhkkonna piirkonnad) reisid.
Mõelge mänguasja vedrule nagu Slinky, mis on üle laua välja sirutatud ja kus üks inimene hoiab mõlemat otsa. Kui üks inimene kiskub Slinkyt enda poole, saadab see pikilainet Slinkyt mööda alla. Näete Slinky mähiste piirkondi, mis asuvad üksteisest tihedamalt (kompressioonid) ja vabamalt (haruldused). Slinky kõik punktid võnkuvad paigal edasi-tagasi, kui häire ühest otsast teise liigub.
Jällegi, täpselt nii juhtub helilainetega õhus või mõnes muus keskkonnas.
Kuidas helilained tekivad?
Nii nagu iga muu laine puhul, tekitavad helilained ka esialgne häire või vibratsioon. Näiteks löödud häälestushark vibreerib kindla sagedusega. Liikumisel põrutab see ümbritsevatesse õhumolekulidesse, surudes neid perioodiliselt kokku.
Kokkusurutud piirkonnad kannavad selle energia ka oma naaberõhumolekulidesse ja häire liigub läbi õhu, kuni see jõuab teie kõrv, sel hetkel kannab see teie kuulmekile energiat, mis vibreerib samal sagedusel - ja teie aju tõlgendab seda heli.
Rääkides vibreerite kõri (väike õõnes toru hingetoru ülaosas), mis omakorda vibreerib ümbritsevat õhku, mis levitab seejärel heli energiat kuulajale. Kõri kokkutõmbumisega ja laiendamisega ning suu liigenditega (huulte, keele ja teiste suu struktuuridega) manipuleerimisega saate luua erinevaid helisid.
Kõik objektid võivad olla heliallikad, mis loovad heli ühtemoodi - vibreerides ja viies need vibratsioonid külgnevasse keskkonda, näiteks õhku.
Heli kiirus
Kuivas õhus liigub heli kiirusega
v = 331,4 + 0,6T_c
kusTcon temperatuur Celsiuse järgi. Tavalisel 20-kraadisel (68 kraadi Fahrenheiti) päeval liigub heli umbes 343,4 m / s. See on umbes 768 miili tunnis!
Heli kiirus on erinevates meediumites erinev. Näiteks võib helilaine vees liikumise kiirus olla suurem kui 1437 m / s; puidus on see 3850 m / s; ja alumiiniumist, üle 6320 m / s!
Üldjuhul liigub heli kiiremini materjalides, kus molekulid on üksteisele lähemal. See liigub kõige kiiremini tahketes ainetes, kiiruselt teises vedelikes ja kõige aeglasemalt gaasides.
Katse: helikiiruse mõõtmine
Helikiiruse mõõtmiseks võite teha lihtsa katse. Selleks vajate heli kiirgavat allikat (mis võib olla häälestuskahvel, käsi plaksutamine või teie enda hääl) ja peegeldavat helkurit pinnale teadaolevast kaugusest allikast eemal (näiteks tahke kaljusein mitu meetrit teie ees või lihtsa liini suletud ots toru).
Tingimusel, et teil on seadmeid (ja / või reflekse piisavalt kiiresti), mis võimaldavad mõõta ajavahemikku heli väljastamise ja see naaseb allika asukohta peegeldava pinna kaja kaudu, on teil selle tuvastamiseks piisavalt teavet kiirus.
Lihtsalt võtke allikast peegeldava pinnani kaks korda suurem kaugus (kuna heli liigub allikas pinnale ja siis uuesti tagasi) ning jagage see ajaga heli kiirguse ja kaja.
Näiteks oletame, et hüüate 200 m sügavusele kanjonile ja saate kaja tagasi 1,14 sekundiga. Helikiirus oleks 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Helikiiruse ületamine
Teile võib olla tuttav nähtus, et teatud õhusõidukid murravad helibarjääri. See tähendab, et lennuk lendab kiiremini kui helikiirus. Praegu ületab see seda kiirust, tekitab see kõlalise buumi.
Lennuk, mis reisib aadressilMach 1sõidab helikiirusel. Mach 2 on kahekordne helikiirus jne. Maailma kiireim lennuk oli Põhja-Ameerika X-15, mis saavutas 3. oktoobril 1967 kiiruse 6,7 Machi.
Maal purustas helikiiruse 15. oktoobril 1997 Andy Green, kes sõitis Nevadas Black Rocki kõrbes ThrustSSC reaktiivautoga 763 035 miili tunnis.
Sagedus ja lainepikkus
Laine sagedus on keskmise võnkumiste arv sekundis. Seda mõõdetakse hertside (Hz) ühikutes, kus 1 Hz = 1 / s. Helilaine lainepikkus on kahe järjestikuse maksimaalse kokkusurumise piirkonna vaheline kaugus. Seda mõõdetakse tavaliselt meetri (m) ühikutes.
Helilaine kiirus,v,on otseselt seotud sagedusegaflainepikkusega lambda viav = λf.
Heli kiirus konkreetses keskkonnas ei sõltu sagedusest ega lainepikkusest, vaid on selle konkreetse keskmise konstant. Helilaine sagedus vastab alati heliallika sagedusele, seega ei sõltu see keskkonnast ega laine kiirusest.
Seega on kahes erinevas keskkonnas sagedused samad, samas kui kiirused on keskkondadele omased ja lainepikkused varieeruvad vastavalt. (Kõrgsagedus vastab väikestele lainepikkustele ja vastupidi.)
Inimkõrva poolt tavaliselt tuvastatavad sagedusvahemikud jäävad vahemikku 64 Hz kuni 23 kHz, kuigi inimesed kipuvad vananedes kaotama võimet kõrgemaid sagedusi kuulda. Seevastu koerad kuulevad kuni umbes 45 kHz (seetõttu reageerivad nad koerte viledele) inimesele kuuldamatu), kassid kuulevad kuni 64 kHz ja pringlid kuni 150 kHz kHz!
"Kosmoses ei kuule keegi teie karjumist"
Selle 1979. aasta filmi tsitaadiga olete kahtlemata kokku puutunudTulnukasja see on tõsi: heli ei liigu vaakumis. Seda seetõttu, et see vajab meediumit. Heli levimiseks peab heliallika ja teie vahel olema mõni materjal.
Nii et kõik need kosmoselahingu stseenid, mida näete filmides koos valju plahvatusega? Täiesti vale! Heli ei oleks, sest selle läbimiseks pole keskkonda.
Heli intensiivsus ja helienergia
Heli intensiivsus,Minaon helivõimsus pindalaühiku kohta. SI helitugevuse ühik on vatt / m2 kusMina0 = 10-12 W / m2 peetakse inimese kuulmise läveks. Kõnekeeles on heli intensiivsus see, mida peame heli “valjuseks”.
Tavaline viis tajutava heli tugevuse esitamiseks on detsibellide (dB) skaala kasutamine, kus heli intensiivsus on detsibellides:
See skaala on kasulik, kuna inimesed ei taju valjust lineaarselt. See tähendab, et kahekordse intensiivsusega heli võib tunduda vaikselt hakates enam kui kaks korda tugevam ja vähem kui kaks korda tugevam, kui see juba mõnevõrra valjult alustas. Detsibelli skaala annab meie arusaamadele paremini vastavad arvud.
Kerge hingamise heli on umbes 10 dB, samal ajal kui vestlus restoranis on umbes 60 dB. Reaktiivlennu kiirus 1000 jalga on umbes 100 dB. Piiripealne valus äike on 120 dB ja teie kõrvatrumlid purunevad 150 dB juures.
Helilaine energia on otseselt seotud intensiivsusega. Tugevuse ühikud, W / m2, on samad mis J / (sm2) või energiat džaulides sekundis ruutmeetri kohta.
Muusikariistad
Tuletame meelde, et helikiirus sõltus ainult keskkonnast, mitte laine sagedusest. See on hea asi, sest muidu oleks kontserdi kuulamine kohutav kogemus, kus erinevad noodid jõuaksid teieni korrast ära.
Erinevad helisagedused vastavad erinevatele kõrgustele või nootidele. Kui laulja laulab, tekitavad nad kõri suuruse ja kuju muutmisega erinevaid sagedusi. Muusikariistad on loodud puhaste toonide heli tekitamiseks, tavaliselt tekitades seistes laineid, olgu siis torus või torus või mööda nööri.
Mõelge keelpillile, näiteks kitarrile. Kitkutud nööri vibreerimise sagedus sõltub selle massi tihedusest (kui palju massi pikkuse ühiku kohta), stringi pingest (kui tihedalt seda hoitakse) ja pikkusest. Kui vaatate kitarri, näete, et igal keelel on erinev paksus. Käepideme otsas olevad häälestusnupud võimaldavad teil nööri pinget reguleerida ja frets annab teile kohad, kuhu sõrmede panemise ajal stringi pikkust muuta, võimaldades teil luua palju erinevaid märkmeid.
Puupuhurid koosnevad seevastu õõnsatest torudest, kuhu saab õhusammastesse tekitada seisvaid laineid (täpselt nagu teie kõrist). Sellise instrumendi erinevad tooniaugud võimaldavad teil muuta seisvate lainete tüüpe, mis võivad tekkida, ja seega muuta noote, mida saab mängida.
Sellise instrumendi puhul nagu tromboon, saate reguleerida ka toru pikkust, liigutades slaidi edasi-tagasi, võimaldades erineva sagedusega seisulainet ja seega erinevate nootide esitamist.
Löökriistad, näiteks trummid, sõltuvad membraani vibratsioonist (näiteks trumli pea). Täpselt nagu kitarri keelte kitkumine, kui lööte trummipead erinevates kohtades, tekivad membraanile seisvad lained, mis tekitavad heli. Heli sagedus ja kvaliteet sõltuvad membraani suurusest, selle paksusest ja pingest.