A hang körülöttünk van. A hangérzetünket a környezetünkben való eligazodáshoz, a kommunikációhoz és a zene élvezetéhez használjuk. De mi a hang? Hogyan készül és hogyan továbbít egyik helyről a másikra?
Mik azok a hanghullámok?
A hang egyfajta mechanikus hullám vagy az anyag lengése. A hullám olyan zavar, amely egy közegben egyik helyről a másikra halad. A legfontosabb itt az, hogy a közeg pontjai a helyükön rezegnek, miközben maga a zavar halad.
Például vegyük figyelembe a tömeg által a labdajáték során elkövetett hullámot. A helyükön lévő rajongók hullámközegként szolgálnak. Egyénileg felállnak, felemelik a karjukat, majd hátradőlnek - a helyükön rezegnek. A zavar azonban végig a stadion körül mozog.
A közeg oszcillációi általában kétféle változatban fordulnak elő: A keresztirányú hullámok derékszögben oszcillálnak a az utazás (akárcsak a stadion közönségénél, vagy egy húr hulláma) és a hosszanti hullámok párhuzamosan utazás.
A hanghullámok hosszanti hullámok. Amikor egy hanghullám terjed egy közegen, például a levegőn, akkor ezt úgy teszi, hogy a légmolekulákat rezegteti, ami változásokat okoz légnyomás, amely hullámként kompressziókat (nagynyomású régiókat) és ritkaságokat (alacsony nyomású régiókat) eredményez a levegőben utazik.
Gondolj egy játékrugóra, mint egy Slinky, amely kinyújtózkodik az asztalon, és egyik ember tartja mindkét végét. Ha egy ember pengeti a Slinkyt maga felé, az hosszanti hullámot küld le a Slinky-n. Látni fogja a Slinky tekercsek olyan régióit, amelyek szorosabban helyezkednek el (összenyomódások) és lazábban helyezkednek el (ritkaságok). A Slinky bármelyik pontja előre-hátra ingadozik a helyén, amikor a zavar egyik végéből a másikba mozog.
Ismét pontosan ez történik a hanghullámokkal a levegőben, vagy bármely más közegben.
Hogyan készülnek a hanghullámok?
Csakúgy, mint bármely más hullám esetében, a hanghullámokat is kezdeti zavar vagy rezgés hozza létre. Például egy elütött hangvilla meghatározott frekvencián rezeg. Mozgása közben ütközik a körülötte lévő légmolekulákba, időszakosan összenyomva őket.
A sűrített régiók ezt az energiát a szomszédos légmolekuláikra is továbbítják, és a zavar addig mozog a levegőn, amíg el nem éri a füled, ekkor energiát juttat a dobhártyádba, amely ugyanazon a frekvencián rezeg - és az agyad úgy fogja értelmezni, hang.
Amikor beszél, megrezegteti a gégéjét (egy kis üreges cső a légcső tetején), amely viszont felrázza a körülötte levő levegőt, amely aztán továbbítja a hangenergiát a hallgatónak. A gége szövetének összehúzódásával és kiterjesztésével, valamint a szájban lévő artikulátorok (az ajkak, a nyelv és más szájszerkezetek) manipulálásával különböző hangokat hozhat létre.
Minden tárgy lehet olyan hangforrás, amely ugyanúgy létrehozza a hangot - rezegve és átadva ezeket a rezgéseket egy szomszédos közegbe, például a levegőbe.
A hang sebessége
Száraz levegőn a hang sebességgel halad
v = 331,4 + 0,6T_c
holTca hőmérséklet Celsius-fokban. A szokásos 20 Celsius-fok (68 fok Fahrenheit) napon a hang körülbelül 343,4 m / s sebességgel halad. Ez körülbelül 768 mérföld per óra!
A hangsebesség a különböző médiumokban eltérő. Például a hanghullám vízben való haladásának sebessége nagyobb lehet, mint 1437 m / s; a fában 3850 m / s; alumíniumban pedig meghaladja a 6.320 m / s-ot!
Általános szabály, hogy a hang gyorsabban halad olyan anyagokban, ahol a molekulák közelebb vannak egymáshoz. A leggyorsabban szilárd anyagokban, a második leggyorsabban folyadékokban és leglassabban gázokban halad.
Kísérlet: A hangsebesség mérése
A hangsebesség mérésére egyszerű kísérletet hajthat végre. Ehhez szüksége lesz egy hangkibocsátó forrásra (amely lehet hangvilla, kézi taps vagy saját hangja), és egy visszaverő a forrástól ismert távolságra (például egy szilárd sziklafal, amely néhány méterre van előtted, vagy egy egyszerű cső).
Feltéve, hogy rendelkezik olyan felszereléssel (és / vagy reflexekkel, amelyek elég gyorsan), amelyek mérni tudják a hangkibocsátás és a a fényvisszaverő felület visszhangján keresztül visszatér a forrás helyére, elegendő információ áll rendelkezésére a sebesség.
Egyszerűen vegye fel a forrás és a fényvisszaverő felület közötti távolság kétszeresét (mivel a hang onnan halad a forrást a felszínre, majd vissza vissza), és osszuk el az idővel a hangkibocsátás és visszhang.
Példaként tegyük fel, hogy bekiabálsz egy 200 m mély kanyonba, és visszhangot kapsz 1,14 másodperc alatt. A hangsebesség 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s lenne.
A hangsebesség túllépése
Lehet, hogy ismeri azt a jelenséget, amikor bizonyos repülőgépek megtörik a hangkorlátot. Ez azt jelenti, hogy a repülőgép gyorsabban repül, mint a hangsebesség. Abban a pillanatban, hogy meghaladja ezt a sebességet, szonikus boomot hoz létre.
A repülőgép a következő címen utazik:Mach 1hangsebességgel halad. A Mach 2 kétszerese a hangsebességnek és így tovább. A világ leggyorsabb repülőgépe az észak-amerikai X-15 volt, amely 1967. október 3-án 6,7 Mach sebességet ért el.
A szárazföldön a hangsebességet 1997. október 15-én törte meg Andy Green, aki a nevadai Black Rock sivatagban egy ThrustSSC sugárhajtású gépkocsival 763.035 mérföldet tett meg óránként.
Frekvencia és hullámhossz
A hullám frekvenciája az a rezgésszám, amely másodpercenként a közeg adott pontján jelentkezik. Hertz (Hz) egységekben mérik, ahol 1 Hz = 1 / s. A hanghullám hullámhossza a maximális tömörítés két egymást követő régiója közötti távolság. Tipikusan méteregységekben (m) mérik.
A hanghullám sebessége,v,közvetlenül kapcsolódik a frekvenciáhozfhullámhosszú lambda keresztülv = λf.
A hangsebesség egy adott közegben nem függ a frekvenciától vagy a hullámhossztól, ehelyett az adott közeg állandója. A hanghullám frekvenciája mindig megegyezik a hangforrás frekvenciájával, tehát nem függ a közegtől vagy a hullámsebességtől.
Ezért két különböző közegben a frekvenciák azonosak lesznek, míg a sebességek a közegre jellemzőek, és a hullámhosszak ennek megfelelően változnak. (A nagy frekvencia megfelel a kis hullámhosszaknak, és fordítva.)
Az emberi fül által tipikusan detektálható frekvenciatartomány 64 Hz és 23 kHz között mozog, bár az emberek időskor elveszítik képességüket a magasabb frekvenciák meghallására. Ezzel szemben a kutyák egészen 45 kHz-ig hallanak (ezért reagálnak a kutyák sípjaira az emberek számára nem hallható), a macskák 64 kHz-ig, a delfinek pedig 150-ig kHz!
„Az űrben senki sem hallja, hogy sikoltozol”
Kétségtelenül találkozott ezzel az 1979-es film idézetévelIdegen, és igaz: a hang nem vákuumban halad. Ennek oka, hogy közegre van szüksége. A hang terjedése és a hangforrás között kell lennie valamilyen anyagnak.
Tehát mindazok az űrharci jelenetek, amelyeket a filmekben látni a hangos robbanásokkal? Teljesen hamis! Nem lenne hang, mert nincs olyan közeg, amelyen keresztül lehetne utazni.
Hang intenzitása és hangenergiája
Hangintenzitás,én, a területegységre eső hangteljesítmény. A hangintenzitás SI mértékegysége watt / m2 holén0 = 10-12 W / m2 az emberi hallás küszöbének számít. Köznyelven a hang intenzitását tekintjük egy hang „hangosságának”.
A hang észlelt hangosságának bemutatásának általános módja a decibel (dB) skála használata, ahol a hang intenzitása decibelben van:
Ez a skála azért hasznos, mert az emberek nem érzékelik lineárisan a hangerőt. Vagyis egy kétszeres intenzitású hang több mint kétszer olyan hangosnak tűnhet, amikor halkan kezdődött, és kevesebb, mint kétszer olyan erős, ha már valamennyire hangosnak indult. A decibel skála olyan számokat ad, amelyek jobban megfelelnek a felfogásunknak.
A könnyű légzés hangja kb. 10 dB, míg az éttermi beszélgetés kb. 60 dB. A sugárhajtómű felülete 1000 lábon körülbelül 100 dB. A határfájdalmas mennydörgés 120 dB, és a dobja 150 dB-nél szakad fel.
A hanghullámban lévő energia közvetlenül kapcsolódik az intenzitáshoz. Az intenzitás mértékegységei, W / m2, megegyeznek J / -vel (sm2), vagy energia joule / másodperc / négyzetméter.
Hangszerek
Emlékezzünk vissza arra, hogy a hangsebesség csak a közegtől függ, és nem a hullám frekvenciájától. Ez jó dolog, mert különben egy koncert meghallgatása szörnyű élmény lenne, a különböző hangjegyek rendezetlenül elérnének.
A különböző hangfrekvenciák különböző hangmagasságoknak vagy zenei hangoknak felelnek meg. Amikor egy énekes énekel, különböző frekvenciákat produkálnak a gége méretének és alakjának megváltoztatásával. A hangszereket úgy tervezték, hogy tiszta hangok hangját hozzák létre, általában állóhullámok létrehozásával, akár csőben vagy csőben, akár egy húr mentén.
Vegyünk egy vonós hangszert, például egy gitárt. A pengetős húr rezgésének gyakorisága függ a tömegsűrűségétől (egységnyi hosszúságú tömeg), a húr feszültségétől (mennyire szorosan tartva) és hosszától. Ha megnéz egy gitárt, látni fogja, hogy minden húr más és más vastagságú. A fogantyú végén lévő hangológombok lehetővé teszik a húr feszességének beállítását, és a bosszúságok adják olyan helyek, ahová az ujjait teheti, hogy megváltoztassa a karakterlánc hosszát játék közben, lehetővé téve sokféle alkotását jegyzetek.
A fafúvók ezzel szemben üreges csövekből állnak, ahol állóhullámok keletkezhetnek a levegő oszlopaiban (akárcsak a gégében). Az ilyen hangszer különböző hanglyukai lehetővé teszik a kialakuló állóhullámok típusának megváltoztatását, és ezáltal a lejátszható hangok megváltoztatását.
Olyan hangszerhez, mint egy harsona, a cső hosszát úgy is beállíthatja, hogy a csúszkát előre-hátra mozgatja, lehetővé téve a különböző frekvenciájú állóhullámokat, és így különböző hangokat.
Az ütőhangszerek, például a dobok, a membrán rezgéseire támaszkodnak (például egy dobfej). Ugyanúgy, mint a gitár húrjainak pengetése, amikor a dobfejet különböző helyeken ütik meg, a membránon álló hullámok képződnek, amelyek hangot hoznak létre. A hang frekvenciája és minősége a membrán méretétől, vastagságától és feszültségétől függ.
