Звук навколо нас. Ми використовуємо своє відчуття звуку, щоб орієнтуватися в навколишньому середовищі, спілкуватися та насолоджуватися музикою. Але що таке звук? Як це робиться і як передається з одного місця в інше?
Що таке звукові хвилі?
Звук - це тип механічної хвилі або коливання речовини. Хвиля - це збурення, яке рухається з одного місця в інше в середовищі. Ключовим тут є те, що точки в середовищі коливаються на місці під час руху самого збурення.
Наприклад, розглянемо хвилю, яку робить натовп під час гри в м’яч. Вентилятори на своїх місцях служать хвильовим середовищем. Поодинці вони встають, піднімають руки, а потім сідають назад - коливаються на місці. Порушення, однак, об'їжджає весь стадіон.
Коливання в середовищі, як правило, бувають однієї з двох різновидів: Поперечні хвилі коливаються під прямим кутом до напрямку подорожі (як з аудиторією на стадіоні, або хвилею на струні), а поздовжні хвилі коливаються паралельно напрямку подорожі.
Звукові хвилі - це поздовжні хвилі. Коли звукова хвиля поширюється через середовище, таке як повітря, це робиться, викликаючи вібрації молекул повітря, що спричинює зміни в тиск повітря, що призводить до стиснення (області високого тиску) та розріджень (області низького тиску) у повітрі як хвиля подорожі.
Подумайте про таку пружинку-іграшку, як Слінкі, витягнута через стіл, причому одна людина тримає її за кінець. Якщо одна людина зірве Слінкі до себе, це призведе до поздовжньої хвилі по Слінки. Ви побачите області котушок Слінкі, які розташовані більш близько (стиснення) і більш вільно (розрідження). Будь-яка дана точка в Слінкі коливається вперед-назад на місці, коли збурення рухається з одного кінця в інший.
Знову ж, це саме те, що відбувається зі звуковими хвилями в повітрі чи будь-якому іншому середовищі.
Як створюються звукові хвилі?
Як і будь-яка інша хвиля, звукові хвилі створюються початковим збуренням або вібрацією. Наприклад, ударена камертон вібрує з певною частотою. Рухаючись, він натикається на молекули повітря навколо себе, періодично стискаючи їх.
Стиснуті області передають цю енергію також сусіднім молекулам повітря, і збурення рухається по повітрю, поки воно не досягне вухо, в цей момент воно передає енергію барабанної перетинки, яка буде вібрувати з однаковою частотою - і ваш мозок інтерпретує як звук.
Коли ви говорите, ви вібруєте гортань (невелика порожниста трубка у верхній частині дихальної труби), яка, у свою чергу, вібрує повітря навколо неї, яка потім поширює звукову енергію до слухача. Скорочуючи та розширюючи тканину гортані, а також маніпулюючи артикуляторами у роті (губами, язиком та іншими структурами рота), ви можете створювати різні звуки.
Усі об'єкти можуть бути джерелами звуку, які створюють звук однаково - вібруючи та передаючи ці вібрації на сусіднє середовище, таке як повітря.
Швидкість звуку
На сухому повітрі звук рухається зі швидкістю
v = 331,4 + 0,6T_c
деТc- температура за Цельсієм. У стандартний 20-градусний день за Цельсієм (68 градусів за Фаренгейтом) день звук рухається приблизно 343,4 м / с. Це приблизно 768 миль на годину!
Швидкість звуку різна в різних носіях. Наприклад, швидкість, з якою звукова хвиля рухається у воді, може бути більше 1437 м / с; у деревині - 3 850 м / с; а в алюмінію - понад 6 320 м / с!
Як правило, звук рухається швидше в матеріалах, де молекули знаходяться ближче. Він рухається найшвидше у твердих речовинах, другий за швидкістю у рідинах і найповільніше у газах.
Експеримент: Вимірювання швидкості звуку
Можна провести простий експеримент для вимірювання швидкості звуку. Для цього вам знадобиться джерело звуку, що випромінює (це може бути камертон, хлопок долоні або ваш власний голос), і відображає виведіть на відому відстань від джерела (наприклад, суцільну скельну стіну, що знаходиться в декількох метрах перед вами, або закритий кінець простого трубка).
За умови наявності обладнання (та / або достатньо швидких рефлексів), яке може вимірювати проміжок часу між тим, коли видається звук, і коли він повертається до місця розташування джерела через відлуння відбивної поверхні, у вас буде достатньо інформації для визначення швидкість.
Просто візьміть вдвічі більшу відстань від джерела до поверхні, що відбиває (оскільки звук проходить від джерело на поверхню, а потім знову) і розділіть його на час між випромінюванням звуку та відлуння.
Як приклад, припустимо, ви кричите в 200-метровий каньйон і отримуєте відлуння за 1,14 секунди. Швидкість звуку буде 2 × 200 / 1,14 = 351 м / с.
Перевищення швидкості звуку
Можливо, вам було знайоме явище того, як деякі літаки порушують звуковий бар’єр. Це означає, що літак літає швидше, ніж швидкість звуку. На даний момент, коли вона перевищує цю швидкість, це створює звуковий бум.
Літак, що летить вМах 1подорожує зі швидкістю звуку. Мах 2 вдвічі перевищує швидкість звуку тощо. Найшвидшим літаком у світі був північноамериканський X-15, який 3 жовтня 1967 року досяг швидкості 6,7 маха.
На суші швидкість звуку порушив 15 жовтня 1997 року Енді Грін, який пройшов 763,035 миль на годину на реактивному автомобілі ThrustSSC у пустелі Блек-Рок у штаті Невада.
Частота та довжина хвилі
Частота хвилі - це кількість коливань, що виникають у даній точці середовища за секунду. Вимірюється в одиницях герц (Гц), де 1 Гц = 1 / с. Довжина хвилі звукової хвилі - це відстань між двома послідовними областями максимального стиснення. Зазвичай вона вимірюється в одиницях метрів (м).
Швидкість звукової хвилі,v,безпосередньо пов'язана з частотоюfдовжина хвилі лямбда черезv = λf.
Швидкість звуку в певному середовищі не залежить від частоти чи довжини хвилі, а є натомість константою цього конкретного середовища. Частота звукової хвилі завжди буде відповідати частоті джерела звуку, тому вона не залежить від середовища та швидкості хвилі.
Отже, у двох різних середовищах частоти будуть однаковими, тоді як швидкості будуть специфічними для середовищ, а довжини хвиль будуть відповідно змінюватися. (Висока частота відповідає малим довжинам хвиль, і навпаки.)
Діапазони частот, які зазвичай виявляються людським вухом, коливаються від 64 Гц до 23 кГц, хоча люди, як вік, втрачають здатність чути більш високі частоти. На відміну від цього, собаки можуть чути приблизно до 45 кГц (саме тому вони реагують на собачі свистки які не чутні для людини), коти чують до 64 кГц, а свинячі чують аж до 150 кГц!
"У космосі ніхто не чує крику"
Ви, без сумніву, натрапили на цю цитату з фільму 1979 рокуЧужий, і це правда: звук не рухається у вакуумі. Це тому, що йому потрібен засіб. Для того, щоб звук поширювався, між джерелом звуку та вами повинен бути якийсь матеріал.
Тож усі ті космічні бойові сцени, які ви бачите у фільмах із сильними вибухами? Зовсім неправда! Не було б звуку, тому що для нього немає середовища для подорожі.
Інтенсивність звуку та звукова енергія
Інтенсивність звуку,Я, - потужність звуку на одиницю площі. Одиницею SI для інтенсивності звуку є вата / м2 деЯ0 = 10-12 Вт / м2 вважається порогом для людського слуху. Розмовно кажучи, інтенсивність звуку - це те, що ми вважаємо «гучністю» звуку.
Поширеним способом подання сприйнятої гучності звуку є використання шкали в децибелах (дБ), де інтенсивність звуку в децибелах:
Ця шкала корисна, оскільки люди не сприймають гучність лінійно. Тобто, звук із подвійною інтенсивністю може здатися більш ніж удвічі голоснішим, коли він почав тихо, і менш ніж удвічі голоснішим, якщо він уже починав звучати дещо голосно. Шкала децибел забезпечує цифри, які більш відповідають нашому сприйняттю.
Звук легкого дихання становить приблизно 10 дБ, тоді як розмова в ресторані становить близько 60 дБ. Наліт реактивного літака на висоті 1000 футів становить близько 100 дБ. Прикордонний болісний удар грому становить 120 дБ, а вушні барабани розриваються на рівні 150 дБ.
Енергія звукової хвилі безпосередньо пов’язана з інтенсивністю. Одиниці інтенсивності, Вт / м2, те саме, що J / (sm2) або енергія в джоулях на секунду на квадратний метр.
Музичних інструментів
Нагадаємо, що швидкість звуку залежала лише від середовища, а не від частоти хвилі. Це добре, бо інакше прослуховування концерту було б жахливим досвідом, коли різні музичні ноти доходили до вас не в порядку.
Різні частоти звуку відповідають різним висотам звуку або музичним нотам. Коли співак співає, вони виробляють різні частоти, змінюючи розмір і форму гортані. Музичні інструменти покликані створювати звук чистих тонів, як правило, створюючи стоячі хвилі, будь то в трубці чи трубі, або вздовж струни.
Розглянемо струнний інструмент, такий як гітара. Частота, з якою зірвана струна вібрує, залежить від її масової щільності (скільки маси на одиницю довжини), натягу в струні (наскільки міцно вона утримується) та її довжини. Якщо ви подивитесь на гітару, то побачите, що кожна струна має різну товщину. Ручки налаштування на кінці рукоятки дозволяють регулювати натяг струни, а лади дають вам місця для розміщення пальців, щоб змінювати довжину струн під час гри, дозволяючи створювати безліч різних нотатки.
На відміну від цього, дерев'яні духові апарати складаються з порожнистих трубок, де стоячі хвилі можуть створюватися у повітряних стовпах (як у вашій гортані). Різні тональні отвори на такому інструменті дозволяють змінювати типи стоячих хвиль, які можуть утворюватися, а отже, і ноти, які можна відтворити.
Для такого інструменту, як тромбон, ви також можете відрегулювати довжину трубки, рухаючи слайд вперед-назад, дозволяючи відтворювати стоячі хвилі різної частоти, а отже, і різні ноти.
Ударні інструменти, такі як барабани, покладаються на коливання мембрани (наприклад, головки барабана). Так само, як виривання струн гітари, коли ви б'єтесь по голові барабана в різних місцях, стоячі хвилі утворюються на мембрані, створюючи звук. Частота і якість звуку залежить від розміру мембрани, її товщини та натягу.