Звук повсюду вокруг нас. Мы используем свое чувство звука, чтобы ориентироваться в окружающей среде, общаться и наслаждаться музыкой. Но что такое звук? Как это делается и как передается из одного места в другое?
Что такое звуковые волны?
Звук - это разновидность механической волны или колебания материи. Волна - это возмущение, которое перемещается из одного места в другое в среде. Ключевым моментом здесь является то, что точки в среде колеблются на месте во время движения самого возмущения.
Например, представьте себе волну, сделанную толпой во время игры с мячом. Поклонники на своих местах служат волновой средой. По отдельности они встают, поднимают руки, а затем снова садятся - они колеблются на месте. Однако беспорядки распространяются по всему стадиону.
Колебания в среде, как правило, бывают одной из двух разновидностей: поперечные волны колеблются под прямым углом к направлению путешествия (как публика на стадионе или волна на струне) и продольные волны колеблются параллельно направлению путешествовать.
Звуковые волны - это продольные волны. Когда звуковая волна распространяется через среду, такую как воздух, она заставляет молекулы воздуха вибрировать, что вызывает изменения в давление воздуха, что приводит к сжатию (области высокого давления) и разрежению (области низкого давления) в воздухе как волна путешествия.
Представьте игрушечную пружину, как обтягивающую пружину, растянутую поперек стола, за каждый конец которой держится человек. Если один человек потянет Slinky к себе, он отправит продольную волну вниз по Slinky. Вы увидите области спиралей Slinky, которые расположены более близко (сжатие) и более свободно (разрежения). Любая заданная точка в Slinky колеблется взад и вперед на месте, когда возмущение перемещается от одного конца к другому.
Опять же, это именно то, что происходит со звуковыми волнами в воздухе или любой другой среде, если на то пошло.
Как создаются звуковые волны?
Как и в случае с любой другой волной, звуковые волны создаются первоначальным возмущением или вибрацией. Например, ударенный камертон вибрирует с определенной частотой. При движении он натыкается на молекулы воздуха вокруг себя, периодически сжимая их.
Сжатые области также передают эту энергию своим соседним молекулам воздуха, и возмущение перемещается по воздуху, пока не достигает ваше ухо, и в этот момент оно передает энергию вашей барабанной перепонке, которая будет вибрировать с той же частотой - и будет интерпретироваться вашим мозгом как звук.
Когда вы говорите, вы вибрируете своей гортань (небольшая полая трубка в верхней части дыхательного горла), которая, в свою очередь, вызывает вибрацию воздуха вокруг себя, который затем передает звуковую энергию слушателю. Сжимая и расширяя ткань гортани, а также манипулируя артикуляторами во рту (губами, языком и другими структурами рта), вы можете создавать различные звуки.
Все объекты могут быть источниками звука, которые создают звук одинаково - путем вибрации и передачи этих вибраций в прилегающую среду, например, воздух.
Скорость звука
В сухом воздухе звук распространяется со скоростью
v = 331,4 + 0,6T_c
гдеТcэто температура в градусах Цельсия. В стандартный день в 20 градусов по Цельсию (68 градусов по Фаренгейту) звук распространяется со скоростью около 343,4 м / с. Это примерно 768 миль в час!
Скорость звука у разных носителей разная. Например, скорость распространения звуковой волны в воде может превышать 1437 м / с; в древесине - 3850 м / с; а в алюминии - более 6320 м / с!
Как правило, звук распространяется быстрее в материалах, где молекулы расположены ближе друг к другу. Он быстрее всех движется по твердым телам, второй по скорости по жидкостям и медленнее по газам.
Эксперимент: измерение скорости звука
Вы можете провести простой эксперимент, чтобы измерить скорость звука. Для этого вам понадобится источник звука (которым может быть камертон, хлопок в ладоши или ваш собственный голос) и отражающий поверхность на известном расстоянии от источника (например, сплошная стена обрыва в нескольких метрах перед вами или закрытый конец простой трубка).
При условии, что у вас есть оборудование (и / или достаточно быстрые рефлексы), которое может измерять промежуток времени между изданием звука и моментом он возвращается к месту источника через эхо от отражающей поверхности, у вас будет достаточно информации, чтобы определить скорость.
Просто увеличьте вдвое расстояние от источника до отражающей поверхности (так как звук распространяется от источника на поверхность, а затем обратно) и разделите его на время между излучением звука и эхо.
В качестве примера предположим, что вы кричите в каньон глубиной 200 м и получаете эхо через 1,14 секунды. Скорость звука будет 2 × 200 / 1,14 = 351 м / с.
Превышение скорости звука
Возможно, вы знакомы с явлением, когда некоторые самолеты преодолевают звуковой барьер. Это означает, что самолет летит быстрее скорости звука. В тот момент, когда он превышает эту скорость, он создает звуковой удар.
Самолет, летящий вМах 1движется со скоростью звука. 2 Маха - это в два раза больше скорости звука и так далее. Самым быстрым самолетом в мире был North American X-15, который 3 октября 1967 года достиг скорости 6,7 Маха.
На суше скорость звука была нарушена 15 октября 1997 года Энди Грином, который проехал 763,035 миль в час на реактивном автомобиле ThrustSSC в пустыне Блэк-Рок в Неваде.
Частота и длина волны
Частота волны - это количество колебаний, которые происходят в данной точке среды за секунду. Он измеряется в герцах (Гц), где 1 Гц = 1 / с. Длина звуковой волны - это расстояние между двумя последовательными областями максимального сжатия. Обычно он измеряется в метрах (м).
Скорость звуковой волны,v,напрямую связано с частотойждлина волны лямбда черезv = λf.
Скорость звука в конкретной среде не зависит от частоты или длины волны, а является константой этой конкретной среды. Частота звуковой волны всегда будет соответствовать частоте источника звука, поэтому она не зависит от среды или скорости волны.
Следовательно, в двух разных средах частоты будут одинаковыми, а скорости будут зависеть от среды, и длины волн будут соответственно меняться. (Высокая частота соответствует малым длинам волн и наоборот.)
Частотные диапазоны, которые обычно распознаются человеческим ухом, составляют от 64 Гц до 23 кГц, хотя люди, как правило, теряют способность слышать более высокие частоты с возрастом. Напротив, собаки могут слышать почти до 45 кГц (вот почему они реагируют на собачьи свистки). которые не слышны для человека), кошки могут слышать до 64 кГц, а морские свиньи могут слышать до 150 кГц!
«В космосе никто не услышит, как ты кричишь»
Вы, несомненно, слышали эту цитату из фильма 1979 года.Чужак, и это правда: звук не путешествует в вакууме. Это потому, что ему нужна среда. Для распространения звука между источником звука и вами должен быть какой-то материал.
Итак, все те сцены космических сражений, которые вы видите в фильмах, с громкими взрывами? Совершенно неверно! Не было бы звука, потому что для него нет среды.
Интенсивность звука и звуковая энергия
Интенсивность звука,я, - мощность звука на единицу площади. Единица СИ для интенсивности звука - ватт / м.2 гдея0 = 10-12 Вт / м2 считается порогом человеческого слуха. В разговорной речи интенсивность звука - это то, что мы считаем «громкостью» звука.
Обычный способ представления воспринимаемой громкости звука - использование шкалы децибел (дБ), где интенсивность звука выражается в децибелах:
Эта шкала полезна, потому что люди не воспринимают громкость линейно. То есть звук с удвоенной интенсивностью может казаться более чем в два раза громче, когда он начинался тихо, и менее чем в два раза громче, если он уже начался несколько громко. Шкала децибел дает числа, более соответствующие нашему восприятию.
Звук легкого дыхания составляет около 10 дБ, при разговоре в ресторане около 60 дБ. Пролет реактивного самолета на высоте 1000 футов составляет около 100 дБ. Пограничный болезненный удар грома составляет 120 дБ, а разрыв барабанной перепонки - 150 дБ.
Энергия звуковой волны напрямую связана с ее интенсивностью. Единицы интенсивности, Вт / м2, такие же, как J / (sm2) или энергия в джоулях в секунду на квадратный метр.
Музыкальные инструменты
Напомним, что скорость звука зависит только от среды, а не от частоты волны. Это хорошо, потому что в противном случае прослушивание концерта было бы ужасным опытом, поскольку разные музыкальные ноты доходили бы до вас не по порядку.
Разные частоты звука соответствуют разным тонам или музыкальным нотам. Когда певец поет, он воспроизводит разные частоты, изменяя размер и форму своей гортани. Музыкальные инструменты предназначены для создания звука чистых тонов, как правило, путем создания стоячих волн, будь то в трубе или трубе, или вдоль струны.
Рассмотрим струнный инструмент, например гитару. Частота, с которой вибрирует натянутая струна, зависит от ее плотности массы (сколько массы на единицу длины), натяжения струны (насколько туго она удерживается) и ее длины. Если вы посмотрите на гитару, вы увидите, что каждая струна имеет разную толщину. Ручки настройки на конце ручки позволяют регулировать натяжение струны, а лады дают вам места, куда можно положить пальцы, чтобы изменять длину струн во время игры, что позволяет создавать множество различных заметки.
Деревянные духовые инструменты, напротив, состоят из полых трубок, в которых стоячие волны могут образовываться в столбах воздуха (как в вашей гортани). Различные отверстия для звука на таком инструменте позволяют вам изменять типы стоячих волн, которые могут образовываться, и, следовательно, изменять ноты, которые можно играть.
Для такого инструмента, как тромбон, вы также можете отрегулировать длину трубки, перемещая ползунок вперед и назад, позволяя использовать стоячие волны разной частоты и, следовательно, играть разные ноты.
Перкуссионные инструменты, такие как барабаны, зависят от вибрации мембраны (например, пластика барабана). Подобно перерыву на струнах гитары, когда вы ударяете по пластине барабана в разных местах, на мембране формируются стоячие волны, создавая звук. Частота и качество звука зависят от размера мембраны, ее толщины и натяжения.
