En ljudvåg är en mekanisk longitudinell våg med en viss frekvens. I artikeln kommer vi att förstå vad longitudinella och tvärgående vågor är, varför inte varje mekanisk våg är ljud. Ta reda på vågens hastighet och vid vilka frekvenser ljud uppstår. Låt oss ta reda på om ljudet är detsamma i olika miljöer och lära oss hur man hittar dess hastighet med hjälp av formeln.
Wave visas
Låt oss föreställa oss en vattenyta, till exempel en damm i lugnt väder. Om du kastar en sten kommer vi på vattenytan att se cirklar som divergerar från mitten. Och vad kommer att hända om vi inte tar en sten, utan en boll och för den i oscillerande rörelse? Cirklarna kommer ständigt att genereras av bollens vibrationer. Vi kommer att se ungefär samma som visas i datoranimeringen.
Om vi sänker flottören på något avstånd från bollen kommer den också att svänga. När fluktuationer avviker i rymden över tid kallas denna process en våg.
För att studera ljudets egenskaper (våglängd, våghastighet, etc.), är den berömda Rainbow-leksaken, eller Happy Rainbow, lämplig.
Låt oss sträcka fjädern, låt den lugna ner sig och skaka den kraftigt upp och ner. Vi kommer att se att en våg dök upp, som löpte längs våren och sedan återvände. Det betyder att det reflekteras från hindret. Vi observerade hur vågen fortplantade sig längs våren över tiden. Vårens partiklar rörde sig upp och ner i förhållande till deras jämvikt, och vågen löpte åt vänster och höger. En sådan våg kallas en tvärvåg. I den är riktningen för dess utbredning vinkelrät mot partiklarnas oscillationsriktning. I vårt fall var vågutbredningsmediet en fjäder.
Låt oss nu sträcka fjädern, låt den lugna ner sig och dra fram och tillbaka. Vi kommer att se att fjäderns spolar komprimeras längs den. Vågen går åt samma håll. På ett ställe är fjädern mer hoptryckt, på ett annat är den mer sträckt. En sådan våg kallas longitudinell. Svängningsriktningen för dess partiklar sammanfaller med utbredningsriktningen.
Låt oss föreställa oss ett tätt medium, till exempel en stel kropp. Om vi deformerar den genom skjuvning kommer en våg att uppstå. Det kommer att visas på grund av de elastiska krafterna som endast verkar i fasta ämnen. Dessa krafter spelar rollen som återställande och genererar en elastisk våg.
Du kan inte deformera en vätska genom skjuvning. En tvärvåg kan inte fortplanta sig i gaser och vätskor. En annan sak är longitudinell: den sprider sig i alla miljöer där elastiska krafter verkar. I en longitudinell våg närmar sig partiklarna varandra och rör sig sedan bort, och själva mediet komprimeras och försållas.
Många tror att vätskorinkompressibel, men så är inte fallet. Om du trycker på sprutans kolv med vatten kommer den att krympa lite. I gaser är deformation av kompressionsdrag också möjlig. Genom att trycka på kolven på en tom spruta komprimeras luften.
Hastighet och våglängd
Låt oss återgå till animationen som vi övervägde i början av artikeln. Vi väljer en godtycklig punkt på en av cirklarna som avviker från den villkorliga bollen och följer den. Punkten rör sig bort från mitten. Hastigheten med vilken den rör sig är hastigheten på vågtoppen. Vi kan dra slutsatsen: en av vågens egenskaper är vågens hastighet.
Animeringen visar att vågtopparna är placerade på samma avstånd. Detta är våglängden - en annan av dess egenskaper. Ju oftare vågorna är, desto kortare är de.
Varför är inte alla mekaniska vågor ljud
Ta en linjal av aluminium.
Det är studsande, så det är bra för upplevelsen. Vi lägger linjalen på bordets kant och trycker på den med handen så att den sticker ut kraftigt. Vi trycker på kanten och släpper den skarpt - den fria delen börjar vibrera, men det kommer inget ljud. Om du förlänger linjalen bara en liten bit kommer vibrationen från kortkanten att skapa ett ljud.
Vad visar den här upplevelsen? Det visar att ljud bara uppstår när en kropp rör sig tillräckligt snabbt när våghastigheten i mediet är hög. Låt oss introducera ytterligare en egenskap hos vågen - frekvensen. Detta värde visar hur många vibrationer per sekund kroppen gör. När vi skapar en våg i luften uppstår ljud under vissa förhållanden – när det räckerhög frekvens.
Det är viktigt att förstå att ljud inte är en våg, även om det är relaterat till mekaniska vågor. Ljud är den känsla som uppstår när ljudvågor (akustiska) kommer in i örat.
Låt oss gå tillbaka till linjalen. När den större delen sträcks ut svänger linjalen och ger inget ljud. Skapar detta en våg? Visst, men det är en mekanisk våg, inte en ljudvåg. Nu kan vi definiera en ljudvåg. Detta är en mekanisk longitudinell våg, vars frekvens ligger i intervallet från 20 Hz till 20 tusen Hz. Om frekvensen är mindre än 20 Hz eller mer än 20 kHz kommer vi inte att höra den, även om vibrationer kommer att uppstå.
Ljudkälla
Varje oscillerande kropp kan vara en källa till akustiska vågor, den behöver bara ett elastiskt medium, till exempel luft. Inte bara en fast kropp kan vibrera, utan också en vätska och en gas. Luft som en blandning av flera gaser kan inte bara vara ett fortplantningsmedium - den är i sig själv kapabel att generera en akustisk våg. Det är hans vibrationer som ligger till grund för ljudet av blåsinstrument. Flöjten eller trumpeten vibrerar inte. Det är luften som försållas och komprimeras, ger en viss hastighet till vågen, som ett resultat av vilken vi hör ljudet.
Ljudspridning i olika miljöer
Vi fick reda på att olika ämnen låter: flytande, fasta, gasformiga. Detsamma gäller förmågan att leda en akustisk våg. Ljud fortplantar sig i vilket elastiskt medium som helst (flytande, fast, gasformigt), med undantag för vakuum. I ett tomt utrymme, säg på månen, kommer vi inte att höra ljudet av en vibrerande kropp.
De flesta ljud som uppfattas av människor är luftburna. Fiskar, maneter hör en akustisk våg divergera genom vattnet. Vi, om vi dyker under vattnet, kommer också att höra bruset från en motorbåt som passerar. Dessutom kommer våglängden och våghastigheten att vara högre än i luft. Det betyder att motorns ljud blir det första som hörs av en person som dyker under vattnet. Fiskaren, som sitter i sin båt på samma plats, kommer att höra ljudet senare.
I fasta ämnen färdas ljudet ännu bättre och våghastigheten är högre. Om du sätter ett hårt föremål, särskilt metall, mot örat och knackar på det, kommer du att höra mycket bra. Ett annat exempel är din egen röst. När vi först hör vårt tal, tidigare inspelat på en röstinspelare eller från en video, verkar rösten främmande. Varför händer det här? För i livet hör vi inte så mycket ljudvibrationer från vår mun som vibrationer av vågor som passerar genom skallbenen. Ljudet som reflekteras från dessa hinder förändras något.
Ljudhastighet
Hastigheten på en ljudvåg, om vi betraktar samma ljud, kommer att vara olika i olika miljöer. Ju tätare mediet är, desto snabbare når ljudet vårt öra. Tåget kan gå så långt ifrån oss att ljudet från hjulen inte hörs ännu. Men om du lägger örat mot rälsen kan vi tydligt höra mullret.
Detta tyder på att ljudvågor färdas snabbare i fasta ämnen än i luft. Figuren visar ljudets hastighet i olika miljöer.
vågekvation
Hastighet, frekvens och våglängd är sammankopplade. För kroppar som vibrerar med en hög frekvens är vågen kortare. Lågfrekventa ljud kan höras på större avstånd eftersom de har en längre våglängd. Det finns två vågekvationer. De illustrerar det ömsesidiga beroendet av vågegenskaper från varandra. Genom att känna till två valfria storheter från ekvationerna kan du beräkna den tredje:
с=ν × λ, där c är hastigheten, ν är frekvensen, λ är våglängden.
Andra akustiska vågekvationen:
s=λ / T, där T är perioden, d.v.s. den tid som kroppen gör en svängning.
