Skaņa ir visapkārt mums. Mēs izmantojam skaņas izjūtu, lai orientētos vidē, sazinātos un baudītu mūziku. Bet kas ir skaņa? Kā tas tiek izgatavots un kā tas pārraida no vienas vietas uz otru?
Kas ir skaņas viļņi?
Skaņa ir mehānisko viļņu vai vielas svārstību veids. Vilnis ir traucējums, kas vidē pārvietojas no vienas vietas uz otru. Šeit galvenais ir tas, ka barotnes punkti svārstās savā vietā, kamēr pats traucējums pārvietojas.
Piemēram, ņemiet vērā vilni, ko bumbas spēlē izdarīja pūlis. Fani savās vietās kalpo kā viļņu vide. Atsevišķi viņi pieceļas, paceļ rokas un tad apsēžas - viņi svārstās vietā. Traucējumi tomēr pārvietojas visā stadionā.
Svārstības vidē mēdz būt vienā no divām šķirnēm: šķērsvirziena viļņi svārstās taisnā leņķī pret ceļojums (tāpat kā skatītājiem stadionā vai vilnis uz virknes) un gareniskie viļņi svārstās paralēli kustības virzienam ceļot.
Skaņas viļņi ir gareniski viļņi. Kad skaņas vilnis izplatās caur barotni, piemēram, gaisu, tas tiek darīts, liekot gaisa molekulām vibrēt, kas izraisa izmaiņas gaisa spiediens, kā rezultātā viļņa gaisā rodas kompresijas (augsta spiediena reģioni) un retināšanas (zema spiediena reģioni). ceļojumi.
Padomājiet par rotaļlietu atsperi, piemēram, Slinky, kas izstiepts pāri galdam, un viena persona tur abus galus. Ja viens cilvēks plūc Slinky pret sevi, tas raidīs garenisko vilni pa Slinky. Jūs redzēsiet Slinky ruļļu reģionus, kas atrodas tuvāk (kompresijas) un brīvāk (retināšanas). Jebkurš noteiktais Slinky punkts svārstās uz priekšu un atpakaļ vietā, kad traucējumi pārvietojas no viena gala uz otru.
Arī šajā gadījumā tieši tas notiek ar skaņas viļņiem gaisā vai kādā citā vidē.
Kā tiek radīti skaņas viļņi?
Tāpat kā ar jebkuru citu viļņu, arī skaņas viļņus rada sākotnējie traucējumi vai vibrācija. Piemēram, sasista tūninga dakša vibrē noteiktā frekvencē. Pārvietojoties, tas atsitās apkārt esošajām gaisa molekulām, periodiski saspiežot tās.
Saspiestie reģioni pārnes šo enerģiju arī uz kaimiņu gaisa molekulām, un traucējumi pārvietojas pa gaisu, līdz tie sasniedz jūsu auss, kurā brīdī tā pārnes enerģiju uz jūsu bungādiņu, kas vibrēs ar tādu pašu frekvenci - un jūsu smadzenes to interpretēs kā skaņu.
Runājot, jūs vibrējat balseni (nelielu dobu caurulīti elpceļa augšpusē), kas savukārt vibrē apkārt esošo gaisu, kas pēc tam izplatās skaņas enerģiju klausītājam. Sasprindzinot un paplašinot balsenes audus, kā arī manipulējot ar mutē esošajiem artikulatoriem (lūpām, mēli un citām mutes struktūrām), jūs varat radīt dažādas skaņas.
Visi objekti var būt skaņas avoti, kas skaņu rada vienādi - vibrējot un pārnesot šīs vibrācijas uz blakus esošo vidi, piemēram, gaisu.
Skaņas ātrums
Sausā gaisā skaņa pārvietojas ar ātrumu
v = 331,4 + 0,6T_c
kurTcir temperatūra pēc Celsija. Standarta 20 grādu pēc Celsija (68 grādi pēc Fārenheita) dienā skaņa pārvietojas ar ātrumu aptuveni 343,4 m / s. Tas ir apmēram 768 jūdzes stundā!
Skaņas ātrums dažādos plašsaziņas līdzekļos ir atšķirīgs. Piemēram, skaņas viļņa pārvietošanās ātrums ūdenī var būt lielāks par 1437 m / s; kokā tas ir 3850 m / s; un alumīnijā, kas pārsniedz 6320 m / s!
Parasti skaņa pārvietojas ātrāk materiālos, kur molekulas atrodas tuvāk viena otrai. Tas pārvietojas visātrāk cietās daļās, otrs ātrākais šķidrumos un lēnākais gāzēs.
Eksperiments: skaņas ātruma mērīšana
Lai izmērītu skaņas ātrumu, varat veikt vienkāršu eksperimentu. Lai to izdarītu, jums būs nepieciešams skaņu izstarojošs avots (kas varētu būt kamertonis, plaukstas plaukstas vai jūsu pašu balss) un atstarojošs virsmu zināmā attālumā no avota (piemēram, cieta klints siena, kas atrodas vairākus metrus priekšā no jums, vai vienkārša caurule).
Ar nosacījumu, ka jums ir aprīkojums (un / vai refleksi pietiekami ātri), kas var izmērīt laika intervālu starp skaņas izstarošanu un tas atgriežas avota vietā, izmantojot atstarojošās virsmas atbalss, jums būs pietiekami daudz informācijas, lai noteiktu ātrums.
Vienkārši veiciet divreiz lielāku attālumu no avota līdz atstarojošajai virsmai (jo skaņa pārvietojas no avotu uz virsmu un tad atkal atpakaļ) un daliet to ar laiku starp skaņas emisiju un atbalss.
Pieņemsim, ka jūs iekliedzaties 200 m dziļā kanjonā un saņemat atbalss pēc 1,14 sekundēm. Skaņas ātrums būtu 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Skaņas ātruma pārsniegšana
Jums var būt pazīstama parādība, ka daži gaisa kuģi pārrauj skaņas barjeru. Tas nozīmē, ka lidmašīna lido ātrāk nekā skaņas ātrums. Pašlaik tas pārsniedz šo ātrumu, tas rada skaņas uzplaukumu.
Lidmašīna, kas ceļo plkstMach 1brauc ar skaņas ātrumu. Mach 2 ir divreiz lielāks par skaņas ātrumu utt. Ātrākā lidmašīna pasaulē bija Ziemeļamerikas X-15, kas 1967. gada 3. oktobrī sasniedza ātrumu 6,7 Mach.
Uz zemes skaņas ātrumu 1997. gada 15. oktobrī pārtrauca Endijs Grīns, kurš Nevadas štatā Black Rock tuksnesī ar reaktīvo automašīnu ThrustSSC ar ātrumu 763.035 jūdzes stundā devās.
Frekvence un viļņa garums
Viļņa frekvence ir svārstību skaits, kas notiek noteiktā barotnes punktā sekundē. To mēra hercu (Hz) vienībās, kur 1 Hz = 1 / s. Skaņas viļņa viļņa garums ir attālums starp diviem secīgiem maksimālās saspiešanas reģioniem. To parasti mēra metru vienībās (m).
Skaņas viļņa ātrums,v,ir tieši saistīts ar frekvencifviļņa garuma lambda viav = λf.
Skaņas ātrums noteiktā vidē nav atkarīgs no frekvences vai viļņa garuma, bet tā vietā ir šīs konkrētās vides konstante. Skaņas viļņa frekvence vienmēr sakritīs ar skaņas avota frekvenci, tāpēc tā nav atkarīga no barotnes vai viļņa ātruma.
Tādējādi divos dažādos nesējos frekvences būs vienādas, savukārt ātrumi būs specifiski vidējiem, un viļņu garumi attiecīgi mainīsies. (Augsta frekvence atbilst maziem viļņu garumiem un otrādi.)
Frekvenču diapazoni, kurus parasti nosaka cilvēka auss, svārstās no 64 Hz līdz 23 kHz, lai gan vecumā cilvēki mēdz zaudēt spēju dzirdēt augstākas frekvences. Turpretī suņi var dzirdēt līdz pat 45 kHz (tieši tāpēc viņi reaģē uz suņu svilpes kas nedzirdami cilvēkiem), kaķi var dzirdēt līdz 64 kHz, bet cūkdelfīni - līdz 150 kHz!
"Kosmosā neviens nevar dzirdēt, kā tu kliedz"
Jūs, bez šaubām, esat saskāries ar šo 1979. gada filmas citātuCitplanētietis, un tā ir taisnība: skaņa nepārsniedz vakuumu. Tas ir tāpēc, ka tam ir nepieciešams nesējs. Lai skaņa izplatītos, starp skaņas avotu un jums ir jābūt kādam materiālam.
Tātad visas šīs kosmosa kaujas ainas, kuras redzat filmās, ar skaļiem sprādzieniem? Pilnīgi melīgs! Nebūtu skaņas, jo nav vidēja, no kuras tā varētu pārvietoties.
Skaņas intensitāte un skaņas enerģija
Skaņas intensitāte,Es, ir skaņas jauda uz laukuma vienību. SI skaņas intensitātes vienība ir vati / m2 kurEs0 = 10-12 W / m2 tiek uzskatīts par slieksni cilvēka dzirdei. Sarunvalodā skaņas intensitāte ir tā, ko mēs uzskatām par skaņas “skaļumu”.
Izplatīts uztvertās skaņas skaļuma parādīšanas veids ir decibelu (dB) skalas izmantošana, kur skaņas intensitāte ir decibelos:
Šī skala ir noderīga, jo cilvēki skaņu neuztver lineāri. Tas ir, skaņa ar divkāršu intensitāti var šķist vairāk nekā divreiz skaļāka, kad tā sākās klusa, un mazāk nekā divreiz skaļāka, ja tā jau sākās nedaudz skaļa. Decibelu skala nodrošina skaitļus, kas vairāk atbilst mūsu uztverei.
Gaismas elpošanas skaņa ir aptuveni 10 dB, savukārt saruna restorānā ir aptuveni 60 dB. Reaktīvais lidojums pie 1000 pēdām ir aptuveni 100 dB. Robeža sāpīga pērkona dūša ir 120 dB, un ausu bungas plīst pie 150 dB.
Skaņas viļņa enerģija ir tieši saistīta ar intensitāti. Intensitātes mērvienības, W / m2, ir tādi paši kā J / (sm2) vai enerģija džoulos sekundē uz kvadrātmetru.
Mūzikas instrumenti
Atgādināsim, ka skaņas ātrums bija atkarīgs tikai no barotnes, nevis no viļņa biežuma. Tā ir laba lieta, jo citādi koncerta klausīšanās būtu šausmīga pieredze, kad dažādas mūzikas notis jūs sasniegtu ārpus ierindas.
Dažādas skaņas frekvences atbilst dažādiem augstumiem vai mūzikas notīm. Kad dziedātājs dzied, viņi rada dažādas frekvences, mainot balsenes lielumu un formu. Mūzikas instrumenti ir paredzēti, lai radītu tīru toņu skaņu, parasti radot stāvošus viļņus, vai nu caurulē, vai caurulē, vai pa stīgu.
Apsveriet stīgu instrumentu, piemēram, ģitāru. Noplūktās auklas vibrācijas biežums ir atkarīgs no tā masas blīvuma (cik masas uz garuma vienību), auklas sprieguma (cik cieši tas tiek turēts) un garuma. Apskatot ģitāru, jūs redzēsiet, ka katrai stīgai ir atšķirīgs biezums. Noregulēšanas pogas roktura galā ļauj pielāgot virknes spriegojumu, un jums dod frets vietas, kur likt pirkstus, lai mainītu virknes garumu, spēlējot, ļaujot izveidot daudz dažādu piezīmes.
Savukārt pūtēji sastāv no dobām caurulēm, kur gaisa kolonnās var izveidot stāvošus viļņus (tāpat kā jūsu balsenē). Šāda instrumenta dažādu toņu caurumi ļauj mainīt stāvošo viļņu veidus, kas var veidoties, un līdz ar to mainīt piezīmes, kuras var atskaņot.
Tādam instrumentam kā trombons, jūs varat arī pielāgot caurules garumu, pārvietojot slaidu uz priekšu un atpakaļ, ļaujot spēlēt dažādus frekvences stāvošus viļņus un tādējādi atskaņot dažādas piezīmes.
Sitamie instrumenti, piemēram, bungas, balstās uz membrānas vibrācijām (piemēram, bungu galvu). Līdzīgi kā plosot ģitāras stīgas, sitot bungas galvu dažādās vietās, uz membrānas veidojas stāvoši viļņi, radot skaņu. Skaņas biežums un kvalitāte ir atkarīga no membrānas lieluma, tās biezuma un sprieguma.
