Sunetul este în jurul nostru. Ne folosim simțul sunetului pentru a naviga în mediul nostru, pentru a comunica și pentru a ne bucura de muzică. Dar ce este sunetul? Cum este realizat și cum se transmite dintr-o locație în alta?
Ce sunt undele sonore?
Sunetul este un tip de undă mecanică sau o oscilație a materiei. Un val este o perturbare care se deplasează dintr-o locație în alta într-un mediu. Cheia aici este că punctele din mediu oscilează pe loc în timp ce perturbarea însăși se deplasează.
De exemplu, ia în considerare un val făcut de o mulțime la un joc de minge. Fanii de pe scaunele lor servesc drept mediu val. În mod individual, se ridică, ridică brațele și apoi se așează înapoi - oscilează la locul lor. Tulburarea, totuși, parcurge tot drumul în jurul stadionului.
Oscilațiile dintr-un mediu tind să apară într-una din cele două varietăți: Undele transversale oscilează în unghi drept față de direcția călătoria (ca și la publicul de pe stadion sau o undă pe o coardă) și undele longitudinale oscilează paralel cu direcția de voiaj.
Undele sonore sunt unde longitudinale. Când o undă sonoră se propagă printr-un mediu, cum ar fi aerul, o face provocând vibrația moleculelor de aer, ceea ce determină modificări în presiunea aerului, rezultând compresiuni (regiuni de presiune ridicată) și rarefacții (regiuni de presiune scăzută) în aer ca undă călătorii.
Gândiți-vă la un arc de jucărie ca un Slinky întins peste o masă cu o persoană care ține ambele capete. Dacă o persoană își îndreaptă Slinky către sine, va trimite o undă longitudinală pe Slinky. Veți vedea regiuni ale bobinelor Slinky care sunt mai strâns distanțate (compresiuni) și mai slab distanțate (rarefacții). Orice punct dat din Slinky oscilează înainte și înapoi în loc pe măsură ce perturbarea se deplasează de la un capăt la altul.
Din nou, exact asta se întâmplă cu undele sonore din aer sau cu orice alt mediu, de altfel.
Cum sunt create valurile sonore?
La fel ca în cazul oricărei alte unde, undele sonore sunt create de o perturbare sau vibrație inițială. Un diapazon lovit, de exemplu, vibrează la o anumită frecvență. Pe măsură ce se mișcă, se lovește de moleculele de aer din jurul ei, comprimându-le periodic.
Regiunile comprimate transferă această energie și moleculelor de aer învecinate, iar perturbarea se deplasează prin aer până ajunge urechea ta, moment în care transferă energie timpanului tău, care va vibra la aceeași frecvență - și va fi interpretat de creier ca sunet.
Când vorbiți, vă vibrați laringele (un mic tub gol din partea superioară a traheei), care la rândul său vibrează aerul din jurul său, care apoi propagă energia sonoră către ascultător. Prin contractarea și extinderea țesutului din laringe, precum și prin manipularea articulatoarelor din gură (buzele, limba și alte structuri ale gurii), puteți crea sunete diferite.
Toate obiectele pot fi surse de sunet care creează sunet în același mod - prin vibrarea și transferarea acelor vibrații pe un mediu adiacent, cum ar fi aerul.
Viteza sunetului
În aer uscat, sunetul se deplasează cu o viteză de
v = 331,4 + 0,6T_c
UndeTceste temperatura în grade Celsius. Într-o zi standard de 20 grade Celsius (68 grade Fahrenheit), sunetul se deplasează cu aproximativ 343,4 m / s. Este vorba de aproximativ 768 de mile pe oră!
Viteza sunetului este diferită în diferite medii. De exemplu, viteza cu care o undă sonoră se deplasează în apă poate fi mai mare de 1.437 m / s; în lemn este de 3.850 m / s; iar în aluminiu, peste 6.320 m / s!
De regulă, sunetul se deplasează mai repede în materialele în care moleculele sunt mai apropiate. Călătorește cel mai rapid în solide, al doilea cel mai rapid în lichide și cel mai lent în gaze.
Experiment: Măsurarea vitezei sunetului
Puteți efectua un experiment simplu pentru a măsura viteza sunetului. Pentru a face acest lucru, veți avea nevoie de o sursă care emite sunet (care ar putea fi un diapazon, o palme de mână sau propria voce) și o suprafață la o distanță cunoscută distanță de sursă (cum ar fi un zid solid de stâncă la câțiva metri în fața dvs. sau capătul închis al unui tub).
Cu condiția să aveți echipamente (și / sau reflexe suficient de rapide) care să poată măsura intervalul de timp dintre emiterea sunetului și revine la locația sursă printr-un ecou de pe suprafața reflectantă, veți avea suficiente informații pentru a determina viteză.
Pur și simplu luați de două ori distanța de la sursă la suprafața reflectantă (deoarece sunetul călătorește de la sursa la suprafață și apoi înapoi) și împărțiți-o la timpul dintre emisia de sunet și ecou.
De exemplu, să presupunem că strigi într-un canion adânc de 200 m și primești un ecou înapoi în 1,14 secunde. Viteza sunetului ar fi de 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Depășind viteza sunetului
Este posibil să fiți familiarizați cu fenomenul anumitor aeronave care sparg bariera sonoră. Ceea ce înseamnă acest lucru este că avionul zboară mai repede decât viteza sunetului. În momentul în care depășește această viteză, creează un boom sonor.
Un avion care călătorește laMach 1călătorește cu viteza sunetului. Mach 2 este de două ori viteza sunetului și așa mai departe. Cel mai rapid avion din lume a fost nord-americanul X-15, care a atins o viteză de Mach 6,7 pe 3 octombrie 1967.
Pe uscat, viteza sunetului a fost spartă pe 15 octombrie 1997 de Andy Green, care a mers 763.035 mile pe oră într-o mașină cu jet ThrustSSC din deșertul Black Rock din Nevada.
Frecvența și lungimea de undă
Frecvența unei unde este numărul de oscilații care apar într-un punct dat al mediului pe secundă. Se măsoară în unități de hertz (Hz) unde 1 Hz = 1 / s. Lungimea de undă a unei unde sonore este distanța dintre două regiuni consecutive de compresie maximă. Se măsoară de obicei în unități de metri (m).
Viteza unei unde sonore,v,este direct legată de frecvențăflungime de undă lambda viav = λf.
Viteza sunetului într-un anumit mediu nu depinde de frecvență sau de lungimea de undă, ci este în schimb o constantă a acelui mediu. Frecvența unei unde sonore se va potrivi întotdeauna cu frecvența sursei sonore, deci nu depinde de mediu sau de viteza de undă.
Prin urmare, în două medii diferite, frecvențele vor fi aceleași, în timp ce vitezele vor fi specifice mediilor și lungimile de undă vor varia în consecință. (Frecvența ridicată corespunde lungimilor de undă mici și invers.)
Intervalele de frecvență care sunt de obicei detectabile de urechea umană merg de la 64 Hz la 23 kHz, deși oamenii tind să-și piardă capacitatea de a auzi frecvențele mai mari pe măsură ce îmbătrânesc. În schimb, câinii pot auzi până la 45 kHz (motiv pentru care răspund la fluierele câinilor care sunt inaudibile oamenilor), pisicile pot auzi până la 64 kHz, iar focașii pot auzi până la 150 kHz!
„În spațiu, nimeni nu te poate auzi țipând”
Fără îndoială că ați dat peste acest citat din filmul din 1979Străinși este adevărat: sunetul nu călătorește în vid. Acest lucru se datorează faptului că are nevoie de un mediu. Trebuie să existe ceva material între sursa de sunet și dvs. pentru ca sunetul să se propage.
Deci, toate acele scene de luptă spațială pe care le vedeți în filme cu explozii puternice? Complet fals! Nu ar exista sunet, deoarece nu există un mediu prin care să circule.
Intensitatea sunetului și energia sonoră
Intensitatea sunetului,Eu, este puterea sonoră pe unitate de suprafață. Unitatea SI pentru intensitatea sunetului este de wați / m2 UndeEu0 = 10-12 L / m2 este considerat pragul auzului uman. În mod colocvial, intensitatea sunetului este ceea ce considerăm a fi „intensitatea” unui sunet.
Un mod obișnuit de a prezenta intensitatea sunetului perceput este prin utilizarea scalei de decibeli (dB), unde intensitatea sunetului este în decibeli:
Această scară este utilă deoarece oamenii nu percep volumul liniar. Adică, un sunet cu intensitatea de două ori mai mare poate părea de două ori mai puternic când a început liniștit și mai puțin de două ori mai puternic dacă a început deja destul de tare. Scara de decibeli oferă cifre mai compatibile cu percepțiile noastre.
Sunetul respirației ușoare este de aproximativ 10 dB, în timp ce conversația într-un restaurant este de aproximativ 60 dB. Un zbor de zbor la 1000 ft este de aproximativ 100 dB. Un tunet dureros la limită este de 120 dB, iar tobele tale se rup la 150 dB.
Energia dintr-o undă sonoră este direct legată de intensitate. Unitățile de intensitate, W / m2, sunt la fel ca J / (sm2) sau energie în jouli pe secundă pe metru pătrat.
Instrumente muzicale
Amintiți-vă că viteza sunetului depindea doar de mediu și nu de frecvența undei. Acesta este un lucru bun, pentru că altfel ascultarea unui concert ar fi o experiență teribilă, cu diferite note muzicale care vă vor ajunge în neregulă.
Diferite frecvențe ale sunetului corespund unor tonuri sau note muzicale diferite. Când un cântăreț cântă, acestea produc frecvențe diferite prin schimbarea dimensiunii și formei laringelui. Instrumentele muzicale sunt concepute pentru a crea sunete de tonuri pure, de obicei prin crearea de valuri staționare, fie într-un tub sau țeavă, fie de-a lungul unei coarde.
Luați în considerare un instrument cu coarde, cum ar fi o chitară. Frecvența la care vibrează un șir pliat depinde de densitatea sa de masă (câtă masă pe unitatea de lungime), de tensiunea în șir (cât de strâns este ținut) și de lungimea acesteia. Dacă te uiți la o chitară, vei vedea că fiecare coardă are o grosime diferită. Butoanele de reglare de la capătul mânerului vă permit să reglați tensiunea șirului, iar tastele vă oferă locuri pentru a pune degetele pentru a modifica lungimea coardelor în timp ce jucați, permițându-vă să creați multe diferite note.
Vânturile lemnoase, în schimb, constau din tuburi goale în care valurile staționare pot fi create în coloane de aer (la fel ca în laringele dvs.). Diferitele găuri de ton de pe un astfel de instrument vă permit să schimbați tipurile de unde staționare care se pot forma și, prin urmare, să modificați notele care pot fi redate.
Pentru un instrument precum un trombon, puteți regla și lungimea tubului mișcând glisorul înainte și înapoi, permițând undelor staționare de frecvență diferite și, prin urmare, să fie redate diferite note.
Instrumentele de percuție, cum ar fi tobe, se bazează pe vibrațiile unei membrane (cum ar fi un cap de tambur). La fel ca smulgerea corzilor unei chitare, atunci când lovești capul tobei în diferite locații, se formează unde permanente pe membrană, creând sunet. Frecvența și calitatea sunetului depind de dimensiunea membranei, grosimea și tensiunea acesteia.