A hullámok fizikája sokféle jelenséget ölel fel, a mindennapi hullámoktól, mint például a víz, a fényig, szubatomi szinten, ahol a hullámok leírják a részecskék viselkedését elektronok. Mindezek a hullámok hasonló tulajdonságokkal bírnak és ugyanazokkal a főbb jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek leírják formáikat és viselkedésüket.
A hullám egyik legérdekesebb tulajdonsága az „állóhullám” kialakításának képessége. Ez a koncepció a hanghullámok megszokott módon történő megismerése segít megérteni számos hangszer működését, valamint megalapozni néhány fontos alapot, amikor megismeri az elektronok kvantum pályáját mechanika.
Hang hullámok
A hang hosszirányú hullám, ami azt jelenti, hogy a hullám ugyanabban az irányban változik, ahogy halad. A hang szempontjából ez a variáció kompressziósorozat formájában (megnövekedett sűrűségű régiók) és ritkítások (csökkent sűrűségű régiók) abban a közegben, amelyen keresztül halad, például levegő vagy szilárd anyag tárgy.
Az a tény, hogy a hanghullám hosszirányú, azt jelenti, hogy a tömörítések és a ritkaságszámok egymás után ütik meg a dobhártyát, nem pedig többszörös „hullámhosszúságok” ütik meg egyszerre. A fény ezzel ellentétben keresztirányú hullám, tehát a hullámforma derékszöget zár be a haladási irányhoz képest.
A hanghullámokat rezgések hozzák létre, függetlenül attól, hogy a hangszálatokból származnak-e, az a rezgő húrja gitár (vagy a hangszerek egyéb rezgő részei), hangvilla vagy egy halom edény összeomlik padló. Mindezek a források kompressziókat és megfelelő ritkaságokat okoznak az őket körülvevő levegőben, és ez hangként halad (a nyomáshullámok intenzitásától függően).
Ezeknek a rezgéseknek valamilyen közegen keresztül kell haladniuk, mert különben semmi nem hozhatja létre a tömörítési és ritkaságrégiókat, ezért a hang csak véges sebességgel halad. A hangsebesség a levegőben (20 Celsius foknál) 344 m / s körül van, de valójában egy gyorsabb folyadékokban és szilárd anyagokban, sebessége vízben 1 483 m / s (20 C-on) és 4,512 m / s vízben acél.
Mi a rezonancia?
A rezgéseknek és rezgéseknek általában természetes frekvenciája lehet, ill rezonáns frekvencia. A mechanikus rendszerekben a rezonancia a hang vagy más rezgések megerősítésének a neve, amely akkor következik be, amikor periodikus erőt fejt ki az objektum rezonancia frekvenciájára.
Lényegében azáltal, hogy időben megteszi az erőt annak a természetes frekvenciának, amelyen egy tárgy rezeg vagy leng, akkor megteheti erősítse vagy meghosszabbítsa a mozgást - gondoljon arra, hogy egy gyereket toljon egy hintára, és időzítse a lökéseit a hinta.
A hang rezonáns frekvenciái alapvetően azonosak. A hangvillákkal ellátott klasszikus bemutató világosan mutatja a koncepciót: Két azonos hangvilla van rögzítve a hangdobozokhoz (amelyek lényegében a hang ugyanúgy, ahogy az akusztikus gitár hangdoboza teszi a gitárhúr rezgését), és az egyiket gumival ütik kalapács. Ez vibrálni kezdi a körülötte levő levegőt, és hallja a villa természetes frekvenciája által előidézett hangmagasságot.
De ha megállítja az eltalált villa rezgését, akkor is ugyanazt a hangot fogja hallani a másik villából jön. Mivel a két villának ugyanaz a rezonancia frekvenciája, az első villa által okozott levegő rezgése által okozott levegő mozgása a másodikat is vibrálni kezdte.
Az adott objektumra jellemző rezonáns frekvencia tulajdonságaitól függ - például egy húr esetében feszültségétől, tömegétől és hosszától függ.
Állandó hanghullámok
A álló hullám minta amikor hullám leng, de úgy tűnik, hogy nem mozog. Ezt tulajdonképpen a szuperpozíció két vagy több hullám, amelyek különböző irányokban haladnak, de mindegyiknek ugyanaz a frekvenciája.
Mivel a frekvencia azonos, a hullámok címerei tökéletesen felsorakoznak, és konstruktívak is vannak interferencia - más szavakkal, a két hullám összeadódva nagyobb zavarokat okoz, mint bármelyik magában. Ez a konstruktív interferencia váltakozik a destruktív interferenciával - ahol a két hullám kioltja egymást - az állandó hullámminta előállításához.
Ha egy bizonyos frekvenciájú hang keletkezik egy levegővel töltött cső közelében, akkor álló hanghullám keletkezhet a csőben. Ez rezonanciát eredményez, amely felerősíti az eredeti hullám által keltett hangot. Ez a jelenség számos hangszer működését támasztja alá.
Hanghullámok nyitott csőben
Egy nyitott csőnél (vagyis olyan csőnél, amelynek mindkét végén nyitott vége van) állóhullám alakulhat ki, ha a hang hullámhossza lehetővé teszi, hogy antinód mindkét végén. A csomópont az állóhullám olyan pontja, ahol nem történik mozgás, tehát nyugalmi helyzetében marad, míg az antinód az a pont, ahol a legtöbb mozgás van (egy csomópont ellentéte).
A legalacsonyabb frekvenciájú állóhullám-minta egy antinóddal rendelkezik a cső mindkét nyitott végén, egy csomópont a közepén. A frekvenciát, ahol ez történik, alapvető frekvenciának vagy első harmonikusnak nevezzük.
Az ehhez az alapfrekvenciához tartozó hullámhossz 2_L_, ahol a hossz, L, a cső hosszára utal. Az állóhullámok az alapfrekvenciánál magasabb frekvenciákon hozhatók létre, és mindegyik egy extra csomópontot ad a mozgáshoz. Például a második harmonikus egy álló hullám, két csomóval, a harmadik harmonikus három csomóval és így tovább.
Ahol az alapvető frekvencia van f1, a gyakorisága Az n_ harmadikat _f adja megn = nf1, és hullámhossza 2_L_ / n, hol L ismét a cső hosszára utal.
Hanghullámok zárt csőben
A zárt cső olyan, ahol az egyik vége nyitva van, a másik pedig zárva van, és mint a nyitott csövek, ezek is megfelelő frekvenciájú hangot képesek állóhullámot képezni. Ebben az esetben lehet állandó hullám, amikor a hullámhossz lehetővé teszi egy antinódát a cső nyitott végén és egy csomópontot a zárt végén.
Zárt cső esetén a legalacsonyabb frekvenciájú állóhullám-mintának (az alapfrekvencia vagy az első harmonikus) csak egy csomópont és egy antinód lesz. Hosszúságú zárt csőhöz L, az alapvető állóhullám akkor keletkezik, amikor a hullámhossz 4_L_.
Ismét lehetnek olyan állóhullámok, amelyek az alapfrekvenciánál magasabb frekvenciákon keletkeznek, és ezeket harmonikusoknak nevezzük. Egy zárt csővel azonban csak páratlan harmonikusok lehetségesek, de mindegyikük továbbra is azonos számú csomópontot és antinódot produkál. A frekvencia n_ harmadikat _fn = nf1, hol f1 az alapvető frekvencia és n csak furcsa lehet. A hullámhossz a Az n_ harmonikus 4_L / n, megint arra emlékezve n páratlan egész számnak kell lennie.
A nyitott és zárt csőrezonancia alkalmazásai
A fogalmak legismertebb alkalmazásai a hangszerek, különösen a fafúvós hangszerek, például a klarinét, a fuvola és a szaxofon. A furulya egy nyitott csőszerkezet példája, ezért állóhullámokat és rezonanciát produkál, ha mindkét végén van egy antinód.
A klarinétok és a szaxofonok példák a zárt csöves hangszerekre, amelyek rezonanciát keltenek, ha a zárt végén van csomópont (bár a szájrész miatt nincs teljesen bezárva, a hanghullámok mégis úgy tükröződnek, mintha az lenne) és egy nyitott antinód vége.
Természetesen a valós eszközök hangszórói kissé bonyolítják a helyzetet. A helyzet enyhén egyszerűsítése érdekében azonban a cső „tényleges hossza” kiszámítható az első nyitott furat vagy kulcs helyzete alapján. Végül a kezdeti rezgést, amely a rezonanciához vezet, vagy rezgő nád, vagy a zenész ajkai hozzák létre a szócsövön.
