파도의 물리학은 물과 같은 일상적인 파도에서 빛에 이르기까지 다양한 현상을 다룹니다. 파동이 입자의 행동을 묘사하는 아 원자 수준에서 전자. 이 모든 파도는 유사한 속성을 나타내며 형태와 동작을 설명하는 동일한 주요 특성을 가지고 있습니다.
파동의 가장 흥미로운 특성 중 하나는 "정재파"를 형성하는 능력입니다. 익숙한 음파 용어로 그 개념에 대해 배우면 많은 악기의 작동을 이해하고 양자의 전자 궤도에 대해 배울 때 중요한 토대를 마련합니다. 역학.
음파
소리는 종파이며, 이는 파동이 이동하는 것과 같은 방향으로 변한다는 것을 의미합니다. 사운드의 경우 이러한 변형은 일련의 압축 (밀도가 증가 된 영역)의 형태로 제공됩니다. 공기 또는 고체와 같이 통과하는 매체의 희박 (밀도가 감소 된 영역) 목적.
음파가 세로라는 사실은 동시에 여러 "파장"을 치는 것이 아니라 압박과 희박이 차례로 고막을 강타한다는 것을 의미합니다. 대조적으로 빛은 횡파이므로 파형은 이동하는 방향에 직각을 이룹니다.
음파는 성대에서 나오는 진동에 의해 생성됩니다. 기타 (또는 악기의 기타 진동하는 부분), 소리굽쇠 또는 접시에 부딪 치는 접시 더미 바닥. 이러한 모든 소스는 주변 공기에서 압축 및 해당 희소성을 생성하며, 이는 소리로 이동합니다 (압력 파의 강도에 따라 다름).
이러한 진동은 일종의 매체를 통해 이동해야합니다. 그렇지 않으면 압축 및 희박 영역을 생성 할 것이 없기 때문에 사운드는 유한 한 속도로만 이동합니다. 공기 중의 음속 (섭씨 20도)은 약 344m / s이지만 실제로는 물 (20 ° C)에서 1,483m / s 및 4,512m / s의 속도로 액체 및 고체에서 더 빠른 속도 강철.
공명이란?
진동 및 진동은 고유 주파수로 생각할 수있는 경향이 있습니다. 공진 주파수. 기계 시스템에서 공명은 물체의 공진 주파수에주기적인 힘을 가할 때 발생하는 소리 또는 기타 진동의 강화를 나타내는 이름입니다.
기본적으로 물체가 진동하거나 진동하는 고유 진동수에 맞춰 힘을 적용하여 다음을 수행 할 수 있습니다. 동작을 확대하거나 연장하십시오 – 아이를 스윙으로 밀고 기존 동작으로 밀기 시간을 그네.
소리의 공진 주파수는 기본적으로 동일합니다. 음차를 사용한 클래식 데모는 개념을 명확하게 보여줍니다. 두 개의 동일한 음차가 사운드 박스에 부착되어 있습니다 (기본적으로 어쿠스틱 기타의 사운드 박스가 기타 현의 진동을 위해하는 것과 같은 방식으로 소리), 그중 하나는 고무로 두드립니다. 망치. 이것은 주위의 공기가 진동하기 시작하고 포크의 고유 주파수에 의해 생성되는 피치를들을 수 있습니다.
하지만 두드리는 포크의 진동을 멈춰도 여전히 같은 소리가 들립니다. 다른 포크에서 오는. 두 포크의 공진 주파수가 같기 때문에 첫 번째 포크에서 발생하는 공기의 진동으로 인한 공기의 움직임이 실제로 두 번째 포크도 진동하게했습니다.
특정 물체에 대한 특정 공진 주파수는 그 속성에 따라 달라집니다. 예를 들어 스트링의 경우 장력, 질량 및 길이에 따라 다릅니다.
서있는 음파
ㅏ 정재 웨이브 패턴 파도가 진동하지만 움직이지 않는 것입니다. 이것은 실제로 위에 놓기 서로 다른 방향으로 이동하지만 각각 동일한 주파수를 갖는 두 개 이상의 파동.
주파수가 동일하기 때문에 파도의 볏이 완벽하게 정렬되고 건설적인 즉, 두 파동이 더해져 어느 쪽보다 더 큰 방해를 생성합니다. 그 자체로. 이 건설적인 간섭은 두 파동이 서로 상쇄되는 파괴적인 간섭과 번갈아 가며 정상파 패턴을 생성합니다.
공기가 채워진 파이프 근처에서 특정 주파수의 소리가 발생하면 파이프에 정재 음파가 발생할 수 있습니다. 이것은 원래의 파동에서 생성 된 소리를 증폭시키는 공명을 생성합니다. 이 현상은 많은 악기의 작동을 뒷받침합니다.
열린 파이프의 음파
열린 파이프 (즉, 양쪽에 열린 끝이있는 파이프)의 경우, 소리의 파장에 따라 정상파가 형성 될 수 있습니다. 안티 노드 양쪽 끝에. ㅏ 마디 는 움직임이 발생하지 않는 정상파의 한 지점이므로 휴지 위치에 남아있는 반면, 안티 노드는 가장 많은 움직임이있는 지점 (노드의 반대)입니다.
가장 낮은 주파수의 정재파 패턴은 파이프의 개방 된 각 끝에 안티 노드가 있고 중간에 하나의 노드가 있습니다. 이것이 발생하는 주파수를 기본 주파수 또는 1 차 고조파라고합니다.
이 기본 주파수와 관련된 파장은 2_L_입니다. 여기서 길이, 엘, 파이프의 길이를 나타냅니다. 정재파는 기본 주파수보다 더 높은 주파수에서 생성 될 수 있으며 각각은 모션에 추가 노드를 추가합니다. 예를 들어, 두 번째 고조파는 두 개의 노드가있는 정상파이고 세 번째 고조파는 세 개의 노드가있는 식입니다.
기본 주파수가있는 곳 에프1, 주파수 n_ 차 고조파는 _f로 주어집니다.엔 = nf1, 파장은 2_L_ / 엔, 어디 엘 다시 파이프의 길이를 나타냅니다.
닫힌 파이프의 음파
닫힌 파이프는 한쪽 끝이 열려 있고 다른 쪽이 닫힌 파이프로, 열린 파이프처럼 적절한 주파수의 소리와 함께 정상파를 형성 할 수 있습니다. 이 경우 파장이 파이프의 열린 끝에서 안티 노드를 허용하고 닫힌 끝에서 노드를 허용 할 때마다 정재파가있을 수 있습니다.
폐쇄 된 파이프의 경우 최저 주파수 정재파 패턴 (기본 주파수 또는 1 차 고조파)은 단 하나의 노드와 하나의 안티 노드를 갖습니다. 길이가있는 닫힌 파이프의 경우 엘, 기본 정재파는 파장이 4_L_ 일 때 생성됩니다.
다시 말하지만, 기본 주파수보다 더 높은 주파수에서 생성되는 정상파가있을 수 있으며이를 고조파라고합니다. 그러나 닫힌 파이프에서는 홀수 고조파 만 가능하지만 각 고조파는 여전히 동일한 수의 노드와 안티 노드를 생성합니다. 주파수 n_ 차 고조파는 _f엔 = nf1, 어디 에프1 기본 주파수이고 엔 이상 할 수 있습니다. 의 파장 n_ 차 고조파는 4_L입니다. / 엔, 다시 기억 엔 홀수 여야합니다.
개방 및 폐쇄 파이프 공진의 응용
배운 개념의 가장 잘 알려진 응용 프로그램은 악기, 특히 클라리넷, 플루트 및 색소폰과 같은 목관 악기입니다. 플루트는 열린 파이프 악기의 예이므로 양쪽 끝에 안티 노드가있을 때 정상파와 공명을 생성합니다.
클라리넷과 색소폰은 폐쇄 형 파이프 악기의 예이며, 폐쇄 단에 노드가있을 때 공명을 생성합니다. (마우스 피스로 인해 완전히 닫혀 있지는 않지만 음파는 여전히있는 것처럼 반사됩니다.) 개방시 안티 노드 종료.
물론 실제 악기의 구멍은 문제를 약간 복잡하게 만듭니다. 그러나 상황을 약간 단순화하기 위해 첫 번째 열린 구멍 또는 키의 위치를 기반으로 파이프의 "유효 길이"를 계산할 수 있습니다. 마지막으로, 공명으로 이어지는 초기 진동은 진동하는 갈대 또는 마우스 피스에 대한 음악가의 입술에 의해 생성됩니다.