Garsas: apibrėžimas, tipai, charakteristikos ir dažniai

Garsas yra aplink mus. Garso pojūtį naudojame norėdami naršyti aplinkoje, bendrauti ir mėgautis muzika. Bet kas yra garsas? Kaip jis gaminamas ir kaip jis perduodamas iš vienos vietos į kitą?

Garsas yra mechaninės bangos rūšis arba materijos svyravimas. Banga yra sutrikimas, kuris terpėje keliauja iš vienos vietos į kitą. Svarbiausia yra tai, kad terpės taškai svyruoja savo vietoje, o pats sutrikimas keliauja.

Pavyzdžiui, apsvarstykite minios padarytą bangą žaidžiant kamuolį. Ventiliatoriai savo vietose tarnauja kaip bangų terpė. Atskirai jie atsistoja, pakelia rankas ir tada atsisėda - svyruoja vietoje. Tačiau trikdžiai keliauja visą stadioną.

Terpėje svyravimai būna vienas iš dviejų variantų: skersinės bangos svyruoja stačiu kampu į kelionės (kaip ir žiūrovų stadione ar bangos ant stygos) ir išilginės bangos svyruoja lygiagrečiai kelionė.

Garso bangos yra išilginės bangos. Kai garso banga sklinda per terpę, pvz., Orą, ji tai daro, sukeldama oro molekulių vibraciją, dėl kurios pasikeičia oro slėgis, dėl kurio ore kaip banga susidaro suspaudimai (aukšto slėgio regionai) ir retės (žemo slėgio regionai). keliauja.

Pagalvokite apie žaislų spyruoklę, pavyzdžiui, „Slinky“, ištiestą per stalą, kurio vienas galas laikomas. Jei vienas asmuo pluša „Slinky“ link savęs, tai „Slinky“ nuleis išilginę bangą. Pamatysite „Slinky“ ritinių regionus, kurie yra arčiau vienas kito (suspaudimai) ir laisvesni (retenybės). Bet koks „Slinky“ taškas svyruoja pirmyn ir atgal vietoje, kai sutrikimas juda iš vieno galo į kitą.

Vėlgi, būtent taip atsitinka su garso bangomis ore ar bet kurioje kitoje terpėje.

Kaip ir naudojant bet kurią kitą bangą, garso bangas sukuria pradinis sutrikimas ar vibracija. Pavyzdžiui, sumušta kamertonas vibruoja tam tikru dažniu. Judėdamas jis atsitrenkia į aplink esančias oro molekules, periodiškai jas suspausdamas.

Suspausti regionai perduoda šią energiją ir savo kaimyninėms oro molekulėms, o sutrikimas juda oru, kol jis pasiekia jūsų ausis, tuo metu ji perduoda energiją jūsų būgnui, kuris vibruos tuo pačiu dažniu - ir jūsų smegenys tai interpretuos kaip garsas.

Kai kalbate, vibruojate gerklas (mažą tuščiavidurį vamzdelį vamzdžio viršuje), kuris savo ruožtu vibruoja aplink jį esantį orą, kuris paskui skleidžia klausytojui garso energiją. Susitraukdami ir išplėsdami gerklų audinį, taip pat manipuliuodami burnos artikuliatoriais (lūpomis, liežuviu ir kitomis burnos struktūromis), galite sukurti skirtingus garsus.

Visi objektai gali būti garso šaltiniai, kurie sukuria garsą tuo pačiu būdu - vibruojant ir perduodant tas vibracijas į gretimą terpę, pavyzdžiui, orą.

Sausame ore garsas sklinda greičiu

kurT_cyra temperatūra Celsijaus laipsniais. Standartinę 20 laipsnių Celsijaus (68 laipsnių Fahrenheito) dieną garsas sklinda apie 343,4 m / s. Tai maždaug 768 mylios per valandą!

Skirtingose ​​laikmenose garso greitis skiriasi. Pavyzdžiui, garso bangos sklidimo vandenyje greitis gali būti didesnis nei 1437 m / s; medienoje jis yra 3 850 m / s; ir aliuminio, viršijantis 6320 m / s!

Paprastai garsas sklinda greičiau medžiagose, kur molekulės yra arčiau vienas kito. Greičiausiai jis keliauja kietosiomis dalimis, antras greičiausiai skysčiais ir lėčiausiai dujomis.

Norėdami atlikti garso greitį, galite atlikti paprastą eksperimentą. Norėdami tai padaryti, jums reikės garsą skleidžiančio šaltinio (kuris gali būti kamertonas, rankos plojimas ar jūsų paties balsas) ir atspindinčio paversti žinomu atstumu nuo šaltinio (pvz., tvirta skardžio siena kelis metrus priešais tave, arba uždaras paprasto vamzdis).

Jei turite įrangą (ir (arba) refleksus pakankamai greitai), galinčią išmatuoti laiko tarpą tarp garso skleidimo ir jis grįžta į šaltinio vietą per atspindinčio paviršiaus aidą, turėsite pakankamai informacijos, kad galėtumėte nustatyti greičiu.

Tiesiog imkite dvigubą atstumą nuo šaltinio iki atspindinčio paviršiaus (nes garsas sklinda iš šaltinį į paviršių, o tada vėl atgal) ir padalykite jį iš laiko tarp garso emisijos ir aidas.

Tarkime, kad jūs šaukiatės į 200 m gylio kanjoną, o aidą sulauksite per 1,14 sekundės. Garso greitis būtų 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.

Jums gali būti žinomas reiškinys, kai tam tikri orlaiviai laužo garso barjerą. Tai reiškia, kad orlaivis skrenda greičiau nei garso greitis. Šiuo metu jis viršija šį greitį ir sukuria garsinį bumą.

Orlaivis, keliaujantisMachas 1keliauja garso greičiu. Machas 2 kartus viršija garso greitį ir pan. Greičiausias lėktuvas pasaulyje buvo Šiaurės Amerikos „X-15“, kuris 1967 m. Spalio 3 d. Pasiekė 6,7 Macho greitį.

Sausumoje garso greitį 1997 m. Spalio 15 d. Sulaužė Andy Greenas, Nevadoje, Juodosios Roko dykumoje, „ThrustSSC“ reaktyviniu automobiliu įveikęs 763 035 mylių per valandą.

Bangos dažnis yra svyravimų, kurie įvyksta tam tikroje terpės vietoje per sekundę, skaičius. Jis matuojamas hercų (Hz) vienetais, kur 1 Hz = 1 / s. Garso bangos ilgis yra atstumas tarp dviejų vienas po kito einančių maksimalaus suspaudimo regionų. Paprastai jis matuojamas metrų (m) vienetais.

Garso bangos greitis,v,yra tiesiogiai susijęs su dažniufbangos ilgio lambda viav = λf​.

Garso greitis tam tikroje terpėje nepriklauso nuo dažnio ar bangos ilgio, bet yra tos konkrečios terpės konstanta. Garso bangos dažnis visada atitiks garso šaltinio dažnį, todėl jis nepriklauso nuo terpės ar bangos greičio.

Taigi dviejose skirtingose ​​terpėse dažniai bus vienodi, tuo tarpu greitis bus būdingas terpėms, o bangos ilgiai priklausys. (Aukštas dažnis atitinka mažus bangos ilgius ir atvirkščiai.)

Dažnio diapazonai, kuriuos paprastai gali nustatyti žmogaus ausis, svyruoja nuo 64 Hz iki 23 kHz, nors senstant žmonės paprastai praranda galimybę girdėti aukštesnius dažnius. Priešingai, šunys gali girdėti iki maždaug 45 kHz dažnio (todėl jie reaguoja į šunų švilpukus žmonėms negirdimi), katės gali girdėti iki 64 kHz, o kiaulės - iki 150 kHz kHz!

Be abejo, susidūrėte su šia citata iš 1979 m. FilmoSvetimasir tai tiesa: garsas nekeliauja vakuume. Taip yra todėl, kad jam reikia terpės. Tarp garso šaltinio ir jūsų turi būti tam tikra medžiaga, kad garsas sklistų.

Taigi visos tos kosmoso mūšio scenos, kurias matote filmuose, su garsiais sprogimais? Visiškai melaginga! Nebūtų garso, nes nėra terpės, per kurią jis galėtų keliauti.

Garso intensyvumas,Ašyra garso galia ploto vienetui. SI garso stiprumo vienetas yra vatai / m² kurAš₀​ = 10^-12 W / m² yra laikomas žmogaus klausos slenksčiu. Šnekamojoje kalboje garso intensyvumas yra tai, ką mes laikome garso „garsumu“.

Paprastas suvokiamo garso garsumo pateikimo būdas yra decibelų (dB) skalės naudojimas, kai garso intensyvumas yra decibelais:

Ši skalė yra naudinga, nes žmonės garsumo nesuvokia tiesiškai. Tai reiškia, kad dvigubai intensyvesnis garsas gali atrodyti daugiau nei dvigubai stipresnis, kai jis prasideda tylus, ir mažiau nei dvigubai didesnis, jei jis jau šiek tiek garsus. Decibelų skalėje pateikiami skaičiai, labiau atitinkantys mūsų suvokimą.

Lengvo kvėpavimo garsas yra maždaug 10 dB, o pokalbis restorane - apie 60 dB. Reaktyvinis pravažiavimas, esant 1000 pėdų, yra apie 100 dB. Ribinis skausmingas griaustinis yra 120 dB, o ausies būgnai plyšta esant 150 dB.

Garso bangos energija yra tiesiogiai susijusi su intensyvumu. Intensyvumo vienetai, W / m², yra tokie patys kaip J / (sm²) arba energija džauliais per sekundę vienam kvadratiniam metrui.

Prisiminkime, kad garso greitis priklausė tik nuo terpės, o ne nuo bangos dažnio. Tai yra geras dalykas, nes kitu atveju klausytis koncerto būtų baisi patirtis, nes skirtingos muzikinės natos jus pasiektų iš eilės.

Skirtingi garso dažniai atitinka skirtingus garsus arba muzikines natas. Kai dainininkas dainuoja, jie gamina skirtingus dažnius, keisdami gerklų dydį ir formą. Muzikos instrumentai yra skirti grynųjų tonų garsui sukurti, paprastai kuriant stovinčias bangas vamzdyje ar vamzdyje, ar išilgai stygų.

Apsvarstykite styginių instrumentą, pvz., Gitarą. Nuplėštos stygos vibravimo dažnis priklauso nuo jos masės tankio (kiek masės ilgio vienetui), virvelės įtempimo (kiek ji tvirtai laikoma) ir ilgio. Pažvelgę ​​į gitarą pamatysite, kad kiekviena styga yra skirtingo storio. Rankenos gale esančios derinimo rankenėlės leidžia jums sureguliuoti stygų įtempimą, o jums suteikia jaudulys vietų, kur kišti pirštus, kad pakeistumėte stygų ilgį žaisdami, kad galėtumėte sukurti daug skirtingų Pastabos.

Mediniai pučiamieji, priešingai, susideda iš tuščiavidurių vamzdžių, kur oro kolonose gali būti sukurtos stovinčios bangos (kaip ir jūsų gerklose). Skirtingos tokio instrumento tono skylės leidžia keisti stovinčių bangų tipus, kurie gali susidaryti, taigi ir natas, kurias galima groti.

Tokiam instrumentui, kaip trombonas, taip pat galite reguliuoti vamzdžio ilgį, judindami skaidrią pirmyn ir atgal, leisdami skirtingas dažnio stovėjimo bangas, taigi ir skirtingas natas.

Perkusiniai instrumentai, tokie kaip būgnai, priklauso nuo membranos (pvz., Būgno galvutės) vibracijos. Panašiai kaip nuskinti gitaros stygas, kai smūgiuoji būgno galvą skirtingose ​​vietose, ant membranos susidaro stovinčios bangos, sukuriančios garsą. Garso dažnis ir kokybė priklauso nuo membranos dydžio, jos storio ir įtempimo.