Fala dźwiękowa to mechaniczna fala podłużna o określonej częstotliwości. W artykule zrozumiemy, czym są fale podłużne i poprzeczne, dlaczego nie każda fala mechaniczna jest dźwiękiem. Dowiedz się, jaka jest prędkość fali i częstotliwości, przy których pojawia się dźwięk. Sprawdźmy, czy dźwięk jest taki sam w różnych środowiskach i dowiedzmy się, jak znaleźć jego prędkość za pomocą wzoru.
Pojawia się fala
Wyobraźmy sobie powierzchnię wody, na przykład staw przy bezwietrznej pogodzie. Jeśli rzucisz kamieniem, to na powierzchni wody zobaczymy kręgi odbiegające od środka. A co się stanie, jeśli nie weźmiemy kamienia, ale kulę i wprowadzimy ją w ruch oscylacyjny? Kręgi będą stale generowane przez drgania kuli. Zobaczymy w przybliżeniu to samo, co pokazano w animacji komputerowej.
Jeśli opuścimy pływak w pewnej odległości od piłki, będzie on również oscylował. Kiedy fluktuacje rozchodzą się w przestrzeni w czasie, proces ten nazywa się falą.
Do badania właściwości dźwięku (długość fali, prędkość fali itp.) odpowiednia jest słynna zabawka Rainbow, czyli Happy Rainbow.
Rozciągnijmy sprężynę, pozwólmy jej się uspokoić i mocno nią potrząśnij. Zobaczymy, że pojawiła się fala, która przebiegła wzdłuż źródła, a potem wróciła. Oznacza to, że odbija się od przeszkody. Zaobserwowaliśmy, jak z biegiem czasu fala rozchodziła się wzdłuż wiosny. Cząsteczki sprężyny poruszały się w górę iw dół względem swojej równowagi, a fala biegła w lewo iw prawo. Taka fala nazywana jest falą poprzeczną. W nim kierunek jego propagacji jest prostopadły do kierunku oscylacji cząstek. W naszym przypadku ośrodkiem propagacji fal była sprężyna.
Teraz naciągnijmy sprężynę, niech się uspokoi i pociągnijmy w przód iw tył. Zobaczymy, że zwoje sprężyny są na niej ściśnięte. Fala biegnie w tym samym kierunku. W jednym miejscu sprężyna jest bardziej ściśnięta, w innym bardziej rozciągnięta. Taka fala nazywa się podłużną. Kierunek oscylacji jego cząstek pokrywa się z kierunkiem propagacji.
Wyobraźmy sobie gęsty ośrodek, na przykład ciało sztywne. Jeśli zdeformujemy go przez ścinanie, powstanie fala. Pojawi się z powodu sił sprężystych działających tylko w ciałach stałych. Siły te pełnią rolę przywracania i generowania fali sprężystej.
Nie możesz zdeformować cieczy przez ścinanie. Fala poprzeczna nie może się rozchodzić w gazach i cieczach. Inna sprawa ma charakter podłużny: rozprzestrzenia się we wszystkich środowiskach, w których działają siły sprężyste. W fali podłużnej cząstki zbliżają się do siebie, a następnie oddalają się, a sam ośrodek jest sprężony i rozrzedzony.
Wiele osób uważa, że płynynieściśliwe, ale tak nie jest. Jeśli naciśniesz tłok strzykawki wodą, trochę się skurczy. W gazach możliwe jest również odkształcenie ściskająco-rozciągające. Naciśnięcie tłoka pustej strzykawki powoduje kompresję powietrza.
Prędkość i długość fali
Wróćmy do animacji, którą rozważaliśmy na początku artykułu. Wybieramy dowolny punkt na jednym z okręgów odbiegających od kuli warunkowej i podążamy za nim. Punkt oddala się od środka. Prędkość, z jaką się porusza, to prędkość grzbietu fali. Możemy stwierdzić: jedną z cech fali jest jej prędkość.
Animacja pokazuje, że grzbiety fali znajdują się w tej samej odległości. To jest długość fali - kolejna jej cecha. Im częstsze fale, tym krótsza ich długość.
Dlaczego nie każda mechaniczna fala jest dźwiękiem
Weź aluminiową linijkę.
Jest sprężysty, więc jest dobry dla doświadczenia. Linijkę kładziemy na krawędzi stołu i dociskamy ręką tak, aby mocno wystawała. Naciskamy na jego krawędź i mocno puszczamy – wolna część zacznie wibrować, ale nie będzie dźwięku. Jeśli lekko wysuniesz linijkę, wibracje krótkiej krawędzi wytworzą dźwięk.
Co pokazuje to doświadczenie? Pokazuje, że dźwięk pojawia się tylko wtedy, gdy ciało porusza się wystarczająco szybko, gdy prędkość fali w ośrodku jest duża. Wprowadźmy jeszcze jedną cechę fali - częstotliwość. Ta wartość pokazuje, ile drgań na sekundę wytwarza ciało. Kiedy tworzymy falę w powietrzu, dźwięk pojawia się pod pewnymi warunkami - kiedy jest wystarczającywysoka częstotliwość.
Ważne jest, aby zrozumieć, że dźwięk nie jest falą, chociaż jest powiązany z falami mechanicznymi. Dźwięk to wrażenie, które pojawia się, gdy fale dźwiękowe (akustyczne) docierają do ucha.
Wróćmy do władcy. Kiedy większa część jest wysunięta, linijka oscyluje i nie wydaje dźwięku. Czy to tworzy falę? Jasne, ale to fala mechaniczna, a nie dźwiękowa. Teraz możemy zdefiniować falę dźwiękową. Jest to mechaniczna fala podłużna, której częstotliwość mieści się w zakresie od 20 Hz do 20 tys. Hz. Jeśli częstotliwość jest mniejsza niż 20 Hz lub większa niż 20 kHz, to jej nie usłyszymy, chociaż pojawią się wibracje.
Źródło dźwięku
Każde oscylujące ciało może być źródłem fal akustycznych, potrzebuje jedynie elastycznego ośrodka, na przykład powietrza. Wibrować może nie tylko ciało stałe, ale także ciecz i gaz. Powietrze jako mieszanina kilku gazów może być nie tylko ośrodkiem propagacji - samo jest w stanie generować falę akustyczną. To jego wibracje leżą u podstaw brzmienia instrumentów dętych. Flet ani trąbka nie wibrują. To właśnie powietrze jest rozrzedzone i skompresowane, nadaje określoną prędkość fali, w wyniku czego słyszymy dźwięk.
Rozprowadzanie dźwięku w różnych środowiskach
Odkryliśmy, że brzmią różne substancje: płynne, stałe, gazowe. To samo dotyczy zdolności do przewodzenia fali akustycznej. Dźwięk rozchodzi się w dowolnym ośrodku elastycznym (ciekłym, stałym, gazowym), z wyjątkiem próżni. W pustej przestrzeni, powiedzmy na Księżycu, nie usłyszymy dźwięku wibrującego ciała.
Większość dźwięków odbieranych przez ludzi unosi się w powietrzu. Ryby, meduzy słyszą falę akustyczną rozchodzącą się w wodzie. My, nurkując pod wodą, usłyszymy również szum przejeżdżającej obok motorówki. Ponadto długość fali i prędkość fali będą większe niż w powietrzu. Oznacza to, że osoba nurkująca pod wodą jako pierwsza usłyszy dźwięk silnika. Rybak, który siedzi w swojej łodzi w tym samym miejscu, usłyszy później hałas.
W ciałach stałych dźwięk rozchodzi się jeszcze lepiej, a prędkość fali jest większa. Jeśli przyłożysz do ucha twardy przedmiot, zwłaszcza metalowy, i stukniesz go, usłyszysz bardzo dobrze. Innym przykładem jest Twój własny głos. Kiedy po raz pierwszy słyszymy naszą mowę, nagraną wcześniej na dyktafonie lub z wideo, głos wydaje się obcy. Dlaczego to się dzieje? Ponieważ w życiu słyszymy nie tyle wibracje dźwiękowe z naszych ust, co wibracje fal przechodzących przez kości naszej czaszki. Dźwięk odbity od tych przeszkód nieco się zmienia.
Prędkość dźwięku
Prędkość fali dźwiękowej, jeśli weźmiemy pod uwagę ten sam dźwięk, będzie różna w różnych środowiskach. Im gęstsze medium, tym szybciej dźwięk dociera do naszego ucha. Pociąg może jechać tak daleko od nas, że odgłos kół nie będzie jeszcze słyszalny. Jeśli jednak przyłożysz ucho do szyn, wyraźnie usłyszymy dudnienie.
Sugeruje to, że fale dźwiękowe przemieszczają się szybciej w ciałach stałych niż w powietrzu. Rysunek pokazuje prędkość dźwięku w różnych środowiskach.
Równanie fali
Prędkość, częstotliwość i długość fali są ze sobą powiązane. W przypadku ciał wibrujących z dużą częstotliwością fala jest krótsza. Dźwięki o niskiej częstotliwości można słyszeć z większej odległości, ponieważ mają dłuższą długość fali. Istnieją dwa równania falowe. Ilustrują one współzależność charakterystyk fal od siebie. Znając dowolne dwie wielkości z równań, możesz obliczyć trzecią:
с=ν × λ, gdzie c to prędkość, ν to częstotliwość, λ to długość fali.
Drugie równanie fali akustycznej:
s=λ / T, gdzie T to okres, czyli czas, w którym ciało wykonuje jedną oscylację.
