Ääni: Määritelmä, tyypit, ominaisuudet ja taajuudet

Ääni on kaikkialla ympärillämme. Käytämme äänentuntemustamme ympäristössä liikkumiseen, kommunikointiin ja musiikin nauttimiseen. Mutta mikä on ääni? Kuinka se valmistetaan ja miten se siirtyy paikasta toiseen?

Ääni on eräänlainen mekaaninen aalto tai aineen värähtely. Aalto on häiriö, joka kulkee väliaineesta paikasta toiseen. Tärkeintä on, että väliaineen pisteet heilahtavat paikalleen, kun itse häiriö kulkee.

Tarkastellaan esimerkiksi yleisön tekemää aalloa pallopelissä. Paikoillaan olevat tuulettimet toimivat aaltomediumina. Yksittäisesti he nousevat ylös, nostavat käsivartensa ja istuvat sitten alas - heilahtelevat paikalleen. Häiriö kuitenkin kulkee stadionin ympäri.

Mediumin värähtelyt ovat yleensä toisiaan kahdesta muunnoksesta: Poikittaiset aallot värähtelevät suorassa kulmassa matka (kuten stadionin yleisö tai jonossa oleva aalto) ja pitkittäiset aallot värisevät yhdensuuntaisesti matkustaa.

Ääniaallot ovat pitkittäisiä aaltoja. Kun ääniaalto etenee väliaineen, kuten ilman, läpi, se tekee sen saamalla ilmamolekyylit värisemään, mikä aiheuttaa muutoksia ilmanpaine, mikä johtaa puristuksiin (korkeapainealueet) ja harvinaisuuksiin (matalapaineiset alueet) ilmassa aallona matkustaa.

Ajattele lelujousta kuin Slinky, joka on ojennettu pöydän yli ja jossa yksi henkilö pitää kiinni kummastakin päästä. Jos yksi henkilö kouraa Slinkyn itseään kohti, se lähettää pitkittäisaalan Slinkyä pitkin. Näet Slinky-kelojen alueet, jotka ovat lähempänä (puristukset) ja löyhemmin (harvinaisuudet). Mikä tahansa Slinkyn tietty piste värähtelee edestakaisin paikoillaan häiriön liikkuessa toisesta päästä toiseen.

Jälleen näin tapahtuu juuri ääniaalloilla ilmassa tai missä tahansa muussa välineessä.

Aivan kuten minkä tahansa muun aallon kohdalla, ääniaallot syntyvät alkuhäiriöstä tai tärinästä. Esimerkiksi lyöty virityshaarukka värisee tietyllä taajuudella. Liikkuessaan se törmää ympäröiviin ilmamolekyyleihin puristamalla niitä säännöllisesti.

Puristetut alueet siirtävät tämän energian myös viereisiin ilmamolekyyleihinsä ja häiriö liikkuu ilman läpi, kunnes se saavuttaa korvasi, jolloin se siirtää energiaa tärykalvoosi, joka värisee samalla taajuudella - ja aivosi tulkitsevat sen ääni.

Puhuessasi värisät kurkunpääsi (pieni ontto putki tuuletusputken yläosassa), mikä puolestaan ​​värisee ilmaa sen ympärillä, joka levittää sitten äänienergiaa kuuntelijalle. Supistamalla ja laajentamalla kurkunpään kudosta sekä manipuloimalla suun niveltimiä (huulia, kieltä ja muita suun rakenteita), voit luoda erilaisia ​​ääniä.

Kaikki esineet voivat olla äänilähteitä, jotka luovat ääntä samalla tavalla - värisemällä ja siirtämällä nämä värähtelyt viereiseen väliaineeseen, kuten ilmaan.

Kuivassa ilmassa ääni kulkee nopeudella

missäT_con lämpötila celsiusasteina. Normaalina 20 celsiusasteena (68 astetta Fahrenheit) ääni kulkee noin 343,4 m / s. Se on noin 768 mailia tunnissa!

Äänen nopeus on erilainen eri medioissa. Esimerkiksi nopeus, jolla ääniaalto kulkee vedessä, voi olla suurempi kuin 1 437 m / s; puussa se on 3 850 m / s; ja alumiinissa, yli 6 320 m / s!

Yleensä ääni liikkuu nopeammin materiaaleissa, joissa molekyylit ovat lähempänä toisiaan. Se kulkee nopeimmin kiinteillä aineilla, toiseksi nopeimmin nesteillä ja hitaimmin kaasuilla.

Voit suorittaa yksinkertaisen kokeen äänen nopeuden mittaamiseksi. Tätä varten tarvitset ääntä lähettävän lähteen (joka voi olla virityshaarukka, käden taputus tai oma ääni) ja heijastavan pinta tunnetun etäisyyden päässä lähteestä (kuten kiinteä kallioseinä useita metrejä edessäsi tai yksinkertaisen putki).

Edellyttäen, että sinulla on laitteita (ja / tai refleksejä riittävän nopeasti), jotka voivat mitata äänenvoimakkuuden ja äänen se palaa lähdekohtaan heijastavan pinnan kaiun kautta, sinulla on tarpeeksi tietoa sen määrittämiseksi nopeus.

Ota vain kaksinkertainen etäisyys lähteestä heijastavaan pintaan (koska ääni kulkee lähde pinnalle ja sitten takaisin takaisin) ja jaa se äänipäästöjen ja kaiku.

Oletetaan esimerkiksi, että huudat 200 metrin syvään kanjoniin ja saat kaiun takaisin 1,14 sekunnissa. Äänen nopeus olisi 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.

Saatat olla perehtynyt ilmiöön, jossa tietyt ilma-alukset rikkovat ääniestettä. Tämä tarkoittaa sitä, että lentokone lentää nopeammin kuin äänen nopeus. Tällä hetkellä se ylittää tämän nopeuden, se luo äänipuomin.

Lentokone, joka matkustaaMach 1matkustaa äänen nopeudella. Mach 2 on kaksinkertainen äänen nopeuteen ja niin edelleen. Maailman nopein lentokone oli Pohjois-Amerikan X-15, jonka nopeus saavutti Machin 6,7 3. lokakuuta 1967.

Maalla äänen nopeus rikkoi 15. lokakuuta 1997 Andy Green, joka kulki 763.035 mailia tunnissa ThrustSSC-suihkuautolla Nevadan Black Rockin autiomaassa.

Aallon taajuus on niiden värähtelyjen määrä, jotka esiintyvät tietyssä väliaineen kohdassa sekunnissa. Se mitataan hertsiyksiköinä (Hz), missä 1 Hz = 1 / s. Ääniaallon aallonpituus on kahden peräkkäisen maksimipakkauksen alueen välinen etäisyys. Se mitataan tyypillisesti metriyksiköinä (m).

Ääniaallon nopeus,v,liittyy suoraan taajuuteenfaallonpituus lambda kauttav = λf​.

Äänen nopeus tietyssä väliaineessa ei riipu taajuudesta tai aallonpituudesta, vaan on sen sijaan vakio kyseisestä väliaineesta. Ääniaallon taajuus vastaa aina äänilähteen taajuutta, joten se ei riipu väliaineesta tai aallon nopeudesta.

Siksi kahdessa eri mediassa taajuudet ovat samat, kun taas nopeudet ovat spesifisiä väliaineille ja aallonpituudet vaihtelevat vastaavasti. (Korkea taajuus vastaa pieniä aallonpituuksia ja päinvastoin.)

Ihmiskorvan tyypillisesti havaittavat taajuusalueet vaihtelevat välillä 64 Hz - 23 kHz, vaikka ihmiset yleensä menettävät kykynsä kuulla korkeampia taajuuksia ikääntyessään. Sitä vastoin koirat kuulevat aina noin 45 kHz: iin saakka (minkä vuoksi he reagoivat koiran pilliin ihmisille kuulemattomat), kissat voivat kuulla jopa 64 kHz: n ja pyöriäiset jopa 150: een asti kHz!

Olet epäilemättä törmännyt tähän lainaukseen vuoden 1979 elokuvastaUlkomaalainenja se on totta: ääni ei kulje tyhjiössä. Tämä johtuu siitä, että se tarvitsee väliaineen. Äänilähteen ja sinun välillä on oltava jonkin verran materiaalia, jotta ääni levisi.

Joten kaikki nuo avaruustaistelu kohtaukset, jotka näet elokuvissa kovien räjähdysten kanssa? Täysin väärä! Ääntä ei kuuluisi, koska sille ei ole kulkuneuvoa.

Äänen voimakkuus,Minä, on ääniteho pinta-alayksikköä kohti. Äänenvoimakkuuden SI-yksikkö on wattia / m² missäMinä₀​ = 10^-12 W / m² pidetään ihmisen kuulon kynnyksenä. Äänen voimakkuus on puhekielessä sitä, mitä pidämme äänen "kovuutena".

Yleinen tapa havaitun äänen voimakkuuden esittämiseen on käyttää desibeliä (dB), jossa äänen voimakkuus on desibeleissä:

Tämä asteikko on hyödyllinen, koska ihmiset eivät havaitse äänenvoimakkuutta lineaarisesti. Toisin sanoen kaksinkertaisen voimakkuuden omaava ääni voi tuntua yli kaksi kertaa kovemmalta, kun se alkoi olla hiljainen, ja alle kaksi kertaa niin voimakas, jos se alkoi jo jonkin verran. Desibelin asteikko antaa luvut, jotka ovat yhdenmukaisempia käsityksemme kanssa.

Valohengitysääni on noin 10 dB, kun taas keskustelu ravintolassa on noin 60 dB. Suihkukoneen ylitys 1000 jalalla on noin 100 dB. Rajan tuskallinen ukkosääni on 120 dB, ja korvalumput rikkoutuvat 150 dB: llä.

Ääniaallon energia liittyy suoraan intensiteettiin. Intensiteettiyksiköt, W / m², ovat samat kuin J / (sm²) tai energiaa jouleina sekunnissa neliömetriä kohti.

Muistakaamme, että äänen nopeus riippui vain väliaineesta eikä aallon taajuudesta. Tämä on hyvä asia, koska muuten konsertin kuuntelu olisi kauhea kokemus, jossa erilaiset nuotit tavoittavat sinut epäkunnossa.

Eri äänitaajuudet vastaavat eri sävelkorkeuksia tai nuotteja. Kun laulaja laulaa, he tuottavat erilaisia ​​taajuuksia muuttamalla kurkunpään kokoa ja muotoa. Soittimet on suunniteltu luomaan puhtaan sävyn ääni tyypillisesti luomalla seisovia aaltoja, olivatpa ne sitten putkessa tai putkessa, vai narussa.

Harkitse jousisoitinta, kuten kitaraa. Kynityn kielen värähtelytaajuus riippuu sen massatiheydestä (kuinka paljon massaa pituuden yksikköä kohti), merkkijonon jännityksestä (kuinka tiukasti sitä pidetään) ja pituudesta. Jos katsot kitaraa, huomaat, että jokaisella kielellä on eri paksuus. Kahvan päässä olevat säätönupit mahdollistavat merkkijonon kireyden säätämisen, ja tuskailla paikkoja, joihin voit laittaa sormesi muuttaa merkkijonon pituutta pelatessasi, jolloin voit luoda monia erilaisia muistiinpanoja.

Puupuhaltimet muodostavat sitä vastoin onttoja putkia, joihin pysyviä aaltoja voidaan luoda ilmapilareihin (aivan kuten kurkunpäänne). Tällaisen instrumentin eri sävyreikien avulla voit muuttaa muodostuvien seisovien aaltojen tyyppejä ja siten muuttaa soitettavia nuotteja.

Pasuunan kaltaiselle soittimelle voit myös säätää putken pituutta siirtämällä liukukappaletta edestakaisin, jolloin eri taajuus seisovat aallot ja siten soitetaan erilaisia ​​nuotteja.

Lyömäsoittimet, kuten rummut, riippuvat kalvon tärinästä (kuten rumpupää). Aivan kuin kitaran kielien kitkeminen, kun lyöt rumpupäätä eri paikoissa, kalvoon muodostuu seisovia aaltoja, jotka luovat ääntä. Äänen taajuus ja laatu riippuvat kalvon koosta, sen paksuudesta ja kireydestä.