En ljudvåg är en vågprocess som sker i gasformiga, flytande och fasta medier, som, när den når de mänskliga hörselorganen, uppfattas av dem som ljud. Frekvensen för dessa vågor ligger i intervallet från 20 till 20 000 svängningar per sekund. Vi ger formler för en ljudvåg och överväger dess egenskaper mer i detalj.
Varför finns det en ljudvåg?
Många undrar vad en ljudvåg är. Ljudets natur ligger i förekomsten av störningar i ett elastiskt medium. Till exempel, när en tryckstörning i form av kompression inträffar i en viss luftvolym, tenderar detta område att spridas i rymden. Denna process leder till komprimering av luft i områden intill källan, som också tenderar att expandera. Denna process täcker mer och mer av utrymmet tills den når någon mottagare, till exempel det mänskliga örat.
Allmänna egenskaper hos ljudvågor
Låt oss överväga vad en ljudvåg är och hur den uppfattas av det mänskliga örat. Ljudvågär longitudinell, orsakar den, när den kommer in i öronskalet, vibrationer i trumhinnan med en viss frekvens och amplitud. Du kan också representera dessa fluktuationer som periodiska tryckförändringar i mikrovolymen luft som gränsar till membranet. Först ökar det i förhållande till norm alt atmosfärstryck och minskar sedan, i enlighet med de matematiska lagarna för harmonisk rörelse. Amplituden för förändringar i luftkompression, det vill säga skillnaden mellan det maximala eller lägsta trycket som skapas av en ljudvåg, med atmosfärstryck är proportionell mot amplituden för själva ljudvågen.
Många fysiska experiment har visat att det maximala trycket som det mänskliga örat kan uppfatta utan att skada det är 2800 µN/cm2. För jämförelse, låt oss säga att atmosfärstrycket nära jordens yta är 10 miljoner µN/cm2. Med tanke på proportionaliteten mellan tryck och oscillationsamplitud kan vi säga att det senare värdet är obetydligt även för de starkaste vågorna. Om vi pratar om längden på en ljudvåg, då för en frekvens på 1000 vibrationer per sekund, blir det en tusendels centimeter.
De svagaste ljuden skapar tryckfluktuationer i storleksordningen 0,001µN/cm2, motsvarande vågoscillationsamplitud för en frekvens på 1000 Hz är 10- 9cm, medan medeldiametern för luftmolekyler är 10-8 cm, det vill säga det mänskliga örat är ett extremt känsligt organ.
Konceptet med ljudvågornas intensitet
Med geometriskUr en ljudvågs synvinkel är det en vibration av en viss form, ur fysisk synvinkel är ljudvågornas huvudsakliga egenskap deras förmåga att överföra energi. Det viktigaste exemplet på vågenergiöverföring är solen, vars utstrålade elektromagnetiska vågor ger energi till hela vår planet.
Intensiteten hos en ljudvåg i fysiken definieras som mängden energi som bärs av en våg genom en enhetsyta, som är vinkelrät mot vågens utbredning, och per tidsenhet. Kort sagt, intensiteten hos en våg är dess kraft som överförs genom en enhetsarea.
Ljudvågornas styrka mäts vanligtvis i decibel, som är baserade på en logaritmisk skala, bekvämt för praktisk analys av resultaten.
Intensitet för olika ljud
Följande decibelskala ger en uppfattning om innebörden av olika ljudintensiteter och de förnimmelser den orsakar:
- tröskel för obehagliga och obekväma förnimmelser börjar vid 120 decibel (dB);
- nitande hammare genererar 95 dB brus;
- höghastighetståg - 90 dB;
- trafikgata - 70 dB;
- volymen för en normal konversation mellan människor är 65 dB;
- Modern bil som rör sig i måttliga hastigheter genererar 50 dB brus;
- genomsnittlig radiovolym - 40 dB;
- tyst konversation - 20 dB;
- brus från trädets lövverk - 10 dB;
- Minsta mänskliga ljudkänslighetströskel är nära 0 dB.
Känsligheten hos det mänskliga örat beror påljudfrekvens och är maxvärdet för ljudvågor med en frekvens på 2000-3000 Hz. För ett ljud i detta frekvensområde är den nedre tröskeln för mänsklig känslighet 10-5 dB. Högre och lägre frekvenser än det angivna intervallet leder till en ökning av den lägre känslighetströskeln på ett sådant sätt att en person hör frekvenser nära 20 Hz och 20 000 Hz endast vid deras intensitet på flera tiotals dB.
När det gäller den övre tröskeln för intensitet, varefter ljudet börjar orsaka besvär för en person och till och med smärta, bör det sägas att det praktiskt taget inte beror på frekvensen och ligger i intervallet 110-130 dB.
Geometriska egenskaper hos en ljudvåg
En riktig ljudvåg är ett komplext oscillerande paket av longitudinella vågor, som kan brytas ned till enkla harmoniska vibrationer. Varje sådan oscillation beskrivs ur en geometrisk synvinkel med följande egenskaper:
- Amplitud - den maximala avvikelsen för varje sektion av vågen från jämvikt. För detta värde, beteckningen A.
- Period. Detta är den tid det tar för en enkel våg att slutföra sin fullständiga svängning. Efter denna tid börjar varje punkt i vågen att upprepa sin oscillerande process. Perioden betecknas vanligtvis med bokstaven T och mäts i sekunder i SI-systemet.
- Frekvens. Detta är en fysisk storhet som visar hur många svängningar en given våg gör per sekund. Det vill säga i sin mening är det ett värde omvänt till perioden. Det betecknas med den latinska bokstaven f. För frekvensen för en ljudvåg är formeln för att bestämma den genom en period följande: f=1/T.
- Längden på en våg är sträckan den färdas under en svängningsperiod. Geometriskt är våglängden avståndet mellan två närmaste maxima eller två närmaste minima på en sinusformad kurva. Svängningslängden för en ljudvåg är avståndet mellan de närmaste områdena för luftkompression eller de närmaste platserna för dess sällsynthet i det utrymme där vågen rör sig. Det betecknas vanligtvis med den grekiska bokstaven λ.
- Hastigheten för ljudvågsutbredning är det avstånd över vilket kompressionsområdet eller området för sällsynt utbredning av vågen utbreder sig per tidsenhet. Detta värde betecknas med bokstaven v. För hastigheten på en ljudvåg är formeln: v=λf.
Geometrin hos en ren ljudvåg, det vill säga en våg av konstant renhet, lyder en sinusformad lag. I det allmänna fallet är formeln för en ljudvåg: y=Asin(ωt), där y är värdet på koordinaten för en given punkt på vågen, t är tid, ω=2pif är den cykliska oscillationsfrekvensen.
Aperiodiskt ljud
Många ljudkällor kan betraktas som periodiska, till exempel ljudet från musikinstrument som gitarr, piano, flöjt, men det finns också ett stort antal ljud i naturen som är aperiodiska, det vill säga ljudvibrationer förändras deras frekvens och form i rymden. Tekniskt sett kallas den här typen av ljud brus. ljusexempel på aperiodiskt ljud är stadsbrus, havets ljud, ljud från slaginstrument, som en trumma, och andra.
Ljudspridningsmedium
Till skillnad från elektromagnetisk strålning, vars fotoner inte behöver något materiellt medium för sin utbredning, är ljudets natur sådan att ett visst medium behövs för dess utbredning, det vill säga enligt fysikens lagar kan ljudvågor inte fortplanta sig i vakuum.
Ljud kan passera genom gaser, vätskor och fasta ämnen. De huvudsakliga egenskaperna hos en ljudvåg som utbreder sig i ett medium är följande:
- våg sprider sig linjärt;
- det sprider sig lika i alla riktningar i ett homogent medium, det vill säga ljud divergerar från källan och bildar en perfekt sfärisk yta.
- oavsett ljudets amplitud och frekvens, fortplantas dess vågor med samma hastighet i ett givet medium.
Ljudvågornas hastighet i olika medier
Hastigheten för ljudutbredning beror på två huvudfaktorer: mediet som vågen rör sig i och temperaturen. I allmänhet gäller följande regel: ju tätare mediet är och ju högre temperaturen är, desto snabbare rör sig ljudet i det.
Till exempel är utbredningshastigheten för en ljudvåg i luften nära jordytan vid en temperatur på 20 ℃ och en luftfuktighet på 50 % 1235 km/h eller 343 m/s. I vatten vid en given temperatur färdas ljudet 4,5 gånger snabbaredet är ca 5735 km/h eller 1600 m/s. När det gäller ljudhastighetens beroende av temperaturen i luften, ökar den med 0,6 m/s med en ökning av temperaturen för varje grad Celsius.
Timbre och ton
Om en sträng eller metallplatta tillåts vibrera fritt kommer den att producera ljud med olika frekvenser. Det är mycket sällsynt att hitta en kropp som skulle avge ett ljud med en viss frekvens, vanligtvis har ljudet från ett föremål en uppsättning frekvenser i ett visst intervall.
Ljudets klangfärg bestäms av antalet övertoner som finns i det och deras respektive intensiteter. Timbre är ett subjektivt värde, det vill säga det är uppfattningen av ett klingande föremål av en specifik person. Timbre kännetecknas vanligtvis av följande adjektiv: hög, briljant, klangfull, melodisk och så vidare.
Tone är en ljudsensation som gör att den kan klassificeras som hög eller låg. Detta värde är också subjektivt och kan inte mätas med något instrument. Ton är associerad med en objektiv kvantitet - frekvensen av en ljudvåg, men det finns inget entydigt förhållande mellan dem. Till exempel, för ett enfrekvent ljud med konstant intensitet, stiger tonen när frekvensen ökar. Om ljudets frekvens förblir konstant, men dess intensitet ökar, blir tonen lägre.
Ljudkällors form
Beroende på kroppens form som vibrerar mekaniskt och därigenom genererar ljud, finns det tre huvudtyper av ljudvågor:
- Punktkälla. Den producerar ljudvågor som är sfäriska till formen och avtar snabbt med avståndet från källan (ungefär 6dB om avståndet från källan fördubblas).
- Linjekälla. Den skapar cylindriska vågor vars intensitet minskar långsammare än från en punktkälla (för varje fördubbling av avståndet från källan minskar intensiteten med 3 dB).
- En platt eller tvådimensionell källa. Det genererar vågor endast i en viss riktning. Ett exempel på en sådan källa skulle vara en kolv som rör sig i en cylinder.
Elektroniska ljudkällor
För att skapa en ljudvåg använder elektroniska källor ett speciellt membran (högtalare), som utför mekaniska vibrationer på grund av fenomenet elektromagnetisk induktion. Dessa källor inkluderar följande:
- spelare för olika skivor (CD, DVD och andra);
- kassettbandspelare;
- radios;
- TV-apparater och några andra.
