Dźwięki odbieramy z pewnej odległości od ich źródeł. Zwykle dźwięk dociera do nas poprzez powietrze. Powietrze jest ośrodkiem elastycznym, który przenosi dźwięk.
Jeśli pomiędzy źródłem a odbiornikiem zostanie usunięty nośnik dźwięku, dźwięk nie będzie się rozchodził, w związku z czym odbiornik go nie odbierze. Zademonstrujmy to eksperymentalnie.
Umieśćmy budzik pod dzwonkiem pompki powietrza (ryc. 80). Dopóki w dzwonku jest powietrze, dźwięk dzwonka jest wyraźnie słyszalny. W miarę wypompowywania powietrza spod dzwonu dźwięk stopniowo słabnie, aż w końcu staje się niesłyszalny. Bez medium transmisyjnego drgania płyty dzwonkowej nie mogą się przemieszczać, a dźwięk nie dociera do naszego ucha. Wpuśćmy powietrze pod dzwonek i usłyszmy jeszcze raz bicie.
Ryż. 80. Eksperyment wykazujący, że dźwięk nie rozchodzi się w przestrzeni, w której nie ma ośrodka materialnego
Substancje elastyczne dobrze przewodzą dźwięki, takie jak metale, drewno, ciecze i gazy.
Połóżmy zegarek kieszonkowy na jednym końcu drewnianej deski i przejdźmy na drugi koniec. Przykładając ucho do tablicy, słychać tykanie zegara.
Przywiąż sznurek do metalowej łyżki. Przyłóż koniec sznurka do ucha. Kiedy uderzysz łyżką, usłyszysz mocny dźwięk. Jeszcze mocniejszy dźwięk usłyszymy, jeśli zastąpimy strunę drutem.
Ciała miękkie i porowate są słabymi przewodnikami dźwięku. Aby chronić każde pomieszczenie przed przenikaniem obcych dźwięków, ściany, podłoga i sufit są ułożone warstwami materiałów dźwiękochłonnych. Jako międzywarstwy stosuje się filc, prasowany korek, porowate kamienie i różne materiały syntetyczne (na przykład styropian) wykonane ze spienionych polimerów. Dźwięk w takich warstwach szybko zanika.
Ciecze dobrze przewodzą dźwięk. Na przykład ryby dobrze słyszą kroki i głosy na brzegu, co wiedzą doświadczeni rybacy.
Zatem dźwięk rozchodzi się w dowolnym ośrodku elastycznym - stałym, ciekłym i gazowym, ale nie może rozchodzić się w przestrzeni, w której nie ma substancji.
Oscylacje źródła tworzą w jego otoczeniu falę sprężystą częstotliwość dźwięku. Fala docierając do ucha oddziałuje na błonę bębenkową powodując jej drganie z częstotliwością odpowiadającą częstotliwości źródła dźwięku. Drżenie błony bębenkowej przekazywane jest poprzez układ kosteczek słuchowych na zakończenia nerw słuchowy podrażniać je i powodować w ten sposób wrażenie dźwięku.
Przypomnijmy, że w gazach i cieczach mogą istnieć tylko podłużne fale sprężyste. Na przykład dźwięk w powietrzu przenoszony jest przez fale podłużne, czyli naprzemienne kondensacje i rozrzedzenia powietrza pochodzące ze źródła dźwięku.
Fala dźwiękowa, jak każda inna fala mechaniczna, nie rozchodzi się w przestrzeni natychmiast, ale z określoną prędkością. Możesz to sprawdzić np. obserwując strzały z daleka. Najpierw widzimy ogień i dym, a po chwili słychać strzał. Dym pojawia się w tym samym momencie, w którym pojawia się pierwsza wibracja dźwiękowa. Mierząc odstęp czasu t pomiędzy momentem pojawienia się dźwięku (momentem pojawienia się dymu) a momentem dotarcia dźwięku do ucha, możemy wyznaczyć prędkość rozchodzenia się dźwięku:
Pomiary pokazują, że prędkość dźwięku w powietrzu w temperaturze 0°C i normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 332 m/s.
Im wyższa temperatura, tym większa prędkość dźwięku w gazach. Na przykład w temperaturze 20°C prędkość dźwięku w powietrzu wynosi 343 m/s, w temperaturze 60°C – 366 m/s, w temperaturze 100°C – 387 m/s. Wyjaśnia to fakt, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta elastyczność gazów, a im większe siły sprężyste powstają w ośrodku podczas jego odkształcania, tym większa jest ruchliwość cząstek i szybsze przenoszenie drgań z jednego punktu do drugiego.
Prędkość dźwięku zależy również od właściwości ośrodka, w którym dźwięk się rozchodzi. Na przykład w temperaturze 0°C prędkość dźwięku w wodorze wynosi 1284 m/s, a prędkość dźwięku w wodorze wynosi 1284 m/s dwutlenek węgla- 259 m/s, ponieważ cząsteczki wodoru są mniej masywne i mniej obojętne.
Obecnie prędkość dźwięku można mierzyć w dowolnym środowisku.
Cząsteczki w cieczach i ciała stałe znajdują się bliżej siebie i oddziałują silniej niż cząsteczki gazu. Dlatego prędkość dźwięku w ośrodkach ciekłych i stałych jest większa niż w ośrodkach gazowych.
Ponieważ dźwięk jest falą, do wyznaczenia prędkości dźwięku, oprócz wzoru V = s/t, można skorzystać ze znanych nam wzorów: V = λ/T i V = vλ. Przy rozwiązywaniu problemów przyjmuje się, że prędkość dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/s.
pytania
- Jaki jest cel eksperymentu przedstawionego na rycinie 80? Opisz, jak przeprowadzono to doświadczenie i jakie wnioski z niego wynikają.
- Czy dźwięk może rozprzestrzeniać się w gazach, cieczach i ciałach stałych? Poprzyj swoje odpowiedzi przykładami.
- Które korpusy lepiej przewodzą dźwięk – elastyczne czy porowate? Podaj przykłady ciał sprężystych i porowatych.
- Jaki rodzaj fali – podłużna czy poprzeczna – rozchodzi się w powietrzu? w wodzie?
- Podaj przykład pokazujący, że fala dźwiękowa nie rozchodzi się natychmiast, ale z określoną prędkością.
Ćwiczenie 30
- Czy dźwięk ogromnej eksplozji na Księżycu będzie słyszalny na Ziemi? Uzasadnij swoją odpowiedź.
- Jeśli do obu końców nitki przywiążemy połówki mydelniczki, to za pomocą takiego telefonu będzie można nawet rozmawiać szeptem będąc w różnych pokojach. Wyjaśnij zjawisko.
- Wyznacz prędkość dźwięku w wodzie, jeżeli źródło drgające z okresem 0,002 s wzbudza w wodzie falę o długości 2,9 m.
- Wyznacz długość fali dźwiękowej o częstotliwości 725 Hz w powietrzu, wodzie i szkle.
- Jeden koniec długiej metalowej rury został raz uderzony młotkiem. Czy dźwięk uderzenia rozprzestrzeni się na drugi koniec rury przez metal; przez powietrze wewnątrz rury? Ile ciosów usłyszy osoba stojąca po drugiej stronie rury?
- Obserwator stojący w pobliżu linii prostej kolej żelazna, zobaczyłem parę ponad gwizdkiem jadącej w oddali lokomotywy parowej. Po 2 sekundach od pojawienia się pary usłyszał dźwięk gwizdka, a po 34 sekundach lokomotywa minęła obserwatora. Wyznacz prędkość lokomotywy.
łowiectwo podwodne
Rozchodzenie się dźwięku w wodzie .
Dźwięk rozchodzi się pięć razy szybciej w wodzie niż w powietrzu. Średnia prędkość wynosi 1400 - 1500 m/s (prędkość dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/s). Wydawać by się mogło, że poprawia się także słyszalność w wodzie. W rzeczywistości jest to dalekie od przypadku. Przecież siła dźwięku nie zależy od prędkości rozchodzenia się dźwięku, ale od amplitudy wibracji dźwięku i zdolności percepcyjnej narządu słuchu. W ślimaku Ucho wewnętrzne Narząd Cortiego znajduje się i składa się z komórek słuchowych. Fale dźwiękowe wprawiają w drgania błonę bębenkową, kosteczki słuchowe i błonę narządu Cortiego. Z komórek rzęsatych tego ostatniego, które postrzegają wibracje dźwiękowe, pobudzenie nerwowe trafia do ośrodka słuchowego znajdującego się w płat skroniowy mózg.
Fala dźwiękowa może przedostać się do ucha wewnętrznego człowieka na dwa sposoby: poprzez przewodzenie powietrza przez przewód słuchowy zewnętrzny, błonę bębenkową i kosteczki słuchowe ucha środkowego oraz poprzez przewodnictwo kostne – drgania kości czaszki. Na powierzchni dominuje przewodnictwo powietrzne, pod wodą dominuje przewodnictwo kostne. Utwierdza nas w tym proste doświadczenie. Zakryj oba uszy dłońmi. Na powierzchni słyszalność gwałtownie się pogorszy, ale pod wodą nie jest to obserwowane.
Zatem pod wodą dźwięki odbierane są przede wszystkim poprzez przewodzenie kostne. Teoretycznie tłumaczy się to tym, że opór akustyczny wody zbliża się do oporu akustycznego tkanki ludzkiej. Dlatego straty energii podczas przejścia fale dźwiękowe wody w kościach głowy człowieka jest mniej niż w powietrzu. Przewodnictwo powietrzne prawie zanika pod wodą, ponieważ zewnętrzny kanał słuchowy jest wypełniony wodą, a niewielka warstwa powietrza w pobliżu błony bębenkowej słabo przenosi wibracje dźwiękowe.
Eksperymenty wykazały, że przewodność kostna jest o 40% niższa niż przewodność powietrza. Dlatego słyszalność pod wodą generalnie się pogarsza. Zakres słyszalności przy przewodnictwie kostnym dźwięku zależy nie tyle od siły, co od tonacji: im wyższy ton, tym dalej dźwięk jest słyszalny.
Podwodny świat dla człowieka to świat ciszy, w którym nie ma obcych dźwięków. Dlatego najprostsze sygnały dźwiękowe można dostrzec pod wodą ze znacznych odległości. Osoba słyszy uderzenie w metalowy pojemnik zanurzony w wodzie z odległości 150-200 m, dźwięk grzechotki z odległości 100 m, a dzwonek z 60 m.
Dźwięki wydawane pod wodą są zwykle niesłyszalne na powierzchni, podobnie jak dźwięki dochodzące z zewnątrz są niesłyszalne pod wodą. Aby usłyszeć podwodne dźwięki, musisz być przynajmniej częściowo zanurzony. Jeśli wejdziesz do wody po kolana, zaczniesz słyszeć dźwięk, którego wcześniej nie słyszałeś. W miarę nurkowania głośność wzrasta. Jest to szczególnie słyszalne, gdy głowa jest zanurzona.
Aby wysłać sygnały dźwiękowe z powierzchni, należy opuścić źródło dźwięku do wody przynajmniej do połowy, a siła dźwięku ulegnie zmianie. Orientacja pod wodą na słuch jest niezwykle trudna. W powietrzu dźwięk dociera do jednego ucha o 0,00003 sekundy wcześniej niż do drugiego. Pozwala to określić lokalizację źródła dźwięku z błędem zaledwie 1-3°. Pod wodą dźwięk jest odbierany jednocześnie przez obydwa uszy, dlatego nie występuje wyraźna percepcja kierunkowa. Błąd orientacji może wynosić 180°.
W specjalnie zainscenizowanym eksperymencie tylko indywidualni płetwonurkowie po długich wędrówkach i... poszukiwania dotyczyły lokalizacji źródła dźwięku, które znajdowało się od nich w odległości 100-150 m. Stwierdzono, że systematyczne szkolenie prowadzone przez długi czas pozwala wykształcić umiejętność dość dokładnego poruszania się po dźwięku pod wodą. Jednak gdy tylko trening się zakończy, jego rezultaty zostają unieważnione.
Na duże odległości energia dźwiękowa przemieszcza się jedynie wzdłuż delikatnych promieni, które na całej swojej drodze nie dotykają dna oceanu. W tym przypadku ograniczeniem narzuconym przez ośrodek na zasięg propagacji dźwięku jest jego pochłanianie woda morska. Główny mechanizm absorpcji związany jest z procesami relaksacji towarzyszącymi zakłóceniu przez falę akustyczną równowagi termodynamicznej pomiędzy jonami i cząsteczkami soli rozpuszczonych w wodzie. Należy zaznaczyć, że główną rolę w absorpcji w szerokim zakresie częstotliwości dźwięku pełni siarkowo-magnezowa sól MgSO4, choć procentowo jej zawartość w wodzie morskiej jest bardzo mała – prawie 10 razy mniejsza niż np. soli kamiennej NaCl , który jednak nie odgrywa żadnej znaczącej roli w pochłanianiu dźwięku.
Ogólnie rzecz biorąc, absorpcja w wodzie morskiej jest tym większa, im wyższa jest częstotliwość dźwięku. Przy częstotliwościach od 3-5 do co najmniej 100 kHz, gdzie dominuje powyższy mechanizm, absorpcja jest proporcjonalna do częstotliwości do potęgi około 3/2. Przy niższych częstotliwościach aktywowany jest nowy mechanizm absorpcji (prawdopodobnie ze względu na obecność soli boru w wodzie), co staje się szczególnie zauważalne w zakresie setek herców; tutaj poziom absorpcji jest nienormalnie wysoki i spada znacznie wolniej wraz ze zmniejszającą się częstotliwością.
Aby lepiej wyobrazić sobie ilościowe cechy absorpcji w wodzie morskiej, zauważamy, że z powodu tego efektu dźwięk o częstotliwości 100 Hz jest tłumiony 10 razy na drodze 10 tysięcy km, a przy częstotliwości 10 kHz - przy odległość zaledwie 10 km (ryc. 2). Zatem do komunikacji podwodnej na duże odległości, wykrywania podwodnych przeszkód na duże odległości itp. można wykorzystywać wyłącznie fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości.
Rysunek 2 – Odległości, przy których dźwięki o różnych częstotliwościach rozchodzące się w wodzie morskiej tłumią się 10-krotnie.
W obszarze dźwięków słyszalnych dla zakresu częstotliwości 20-2000 Hz zasięg propagacji dźwięków o średnim natężeniu pod wodą sięga 15-20 km, a w obszarze ultradźwięków - 3-5 km.
Bazując na wartościach tłumienia dźwięku zaobserwowanych w warunkach laboratoryjnych w małych objętościach wody, można by oczekiwać znacznie większych zasięgów. Jednak w warunkach naturalnych, oprócz tłumienia spowodowanego właściwościami samej wody (tzw. tłumienie wiskotyczne), wpływa na nią również jej rozpraszanie i wchłanianie przez różne niejednorodności ośrodka.
Załamanie dźwięku, czyli krzywizna ścieżki wiązki dźwięku, spowodowane jest niejednorodnością właściwości wody, głównie pionową, z trzech głównych powodów: zmian ciśnienia hydrostatycznego wraz z głębokością, zmian zasolenia i zmian temperatury na skutek nierównomierności ogrzewanie masy wody pod wpływem promieni słonecznych. W wyniku łącznego działania tych przyczyn prędkość rozchodzenia się dźwięku, która wynosi około 1450 m/s dla wody słodkiej i około 1500 m/s dla wody morskiej, zmienia się wraz z głębokością, a prawo zmian zależy od czasu roku, pory dnia, głębokości zbiornika i szeregu innych powodów. Promienie dźwięku wychodzące ze źródła pod pewnym kątem do horyzontu są załamywane, a kierunek załamania zależy od rozkładu prędkości dźwięku w ośrodku. Latem, gdy górne warstwy są cieplejsze od dolnych, promienie załamują się w dół i odbijają się głównie od dna, tracąc znaczną część swojej energii. I odwrotnie, zimą, kiedy dolne warstwy wody utrzymują swoją temperaturę, natomiast górne warstwy się ochładzają, promienie załamują się do góry i ulegają wielokrotnemu odbiciu od powierzchni wody, podczas czego traci się znacznie mniej energii. Dlatego zimą zasięg propagacji dźwięku jest większy niż latem. W wyniku załamania, tzw martwe strefy, czyli obszary zlokalizowane blisko źródła, w których nie ma słyszalności.
Obecność załamania może jednak prowadzić do zwiększenia zasięgu propagacji dźwięku – zjawiska ultradługiego zasięgu propagacji dźwięków pod wodą. Na pewnej głębokości pod powierzchnią wody znajduje się warstwa, w której dźwięk rozchodzi się z najniższą prędkością; Powyżej tej głębokości prędkość dźwięku wzrasta na skutek wzrostu temperatury, a poniżej tej głębokości na skutek wzrostu ciśnienia hydrostatycznego wraz z głębokością. Warstwa ta jest rodzajem podwodnego kanału dźwiękowego. Wiązka, która na skutek załamania odchyliła się od osi kanału w górę lub w dół, zawsze ma tendencję do ponownego wpadnięcia w nią. Jeśli umieścisz w tej warstwie źródło i odbiornik dźwięku, to nawet dźwięki o średnim natężeniu (na przykład eksplozje małych ładunków o masie 1-2 kg) można zarejestrować w odległościach setek i tysięcy km. Znaczące zwiększenie zasięgu propagacji dźwięku w obecności podwodnego kanału dźwiękowego można zaobserwować, gdy źródło dźwięku i odbiornik znajdują się niekoniecznie w pobliżu osi kanału, ale np. blisko powierzchni. W tym przypadku promienie załamujące się w dół przedostają się do warstw głębinowych, gdzie są odchylane w górę i ponownie wychodzą na powierzchnię w odległości kilkudziesięciu kilometrów od źródła. Następnie powtarza się wzór propagacji promieni, w wyniku czego powstaje ciąg tzw. promieni. wtórne strefy oświetlone, które zwykle są wyznaczane w odległościach kilkuset km.
Na rozprzestrzenianie się dźwięków o wysokiej częstotliwości, w szczególności ultradźwięków, gdy długości fal są bardzo małe, wpływają małe niejednorodności zwykle występujące w naturalnych zbiornikach wodnych: mikroorganizmy, pęcherzyki gazu itp. Te niejednorodności działają dwojako: pochłaniają i rozpraszają energię fal dźwiękowych. W rezultacie wraz ze wzrostem częstotliwości drgań dźwięku maleje zasięg ich propagacji. Efekt ten jest szczególnie widoczny w powierzchniowej warstwie wody, gdzie występuje najwięcej niejednorodności. Rozpraszanie dźwięku przez niejednorodności, a także nierówne powierzchnie wody i dna powoduje zjawisko pogłosu podwodnego, które towarzyszy przesłaniu impulsu dźwiękowego: fale dźwiękowe odbijając się od układu niejednorodności i łącząc się, tworzą wydłużenie impulsu dźwiękowego, które trwa po jego zakończeniu, podobne do pogłosu obserwowanego w zamkniętych pomieszczeniach. Pogłos podwodny jest dość istotną ingerencją dla szeregu praktycznych zastosowań hydroakustyki, w szczególności dla sonaru.
Zasięg rozprzestrzeniania się dźwięków podwodnych ogranicza także tzw. szumy morza, które mają podwójne pochodzenie. Część hałasu pochodzi z uderzenia fal o powierzchnię wody, z fal morskich, z szumu toczących się kamyków itp. Druga część związana jest z fauną morską; Obejmuje to dźwięki wydawane przez ryby i inne zwierzęta morskie.
Dźwięk jest jednym z elementów naszego życia i ludzie słyszą go wszędzie. Aby rozważyć to zjawisko bardziej szczegółowo, musimy najpierw zrozumieć samo pojęcie. Aby to zrobić, należy zwrócić się do encyklopedii, w której napisano, że „dźwięk to fale sprężyste rozchodzące się w jakimś ośrodku sprężystym i tworzące w nim wibracje mechaniczne”. Mówiąc więcej w prostym języku- Są to wibracje słyszalne w każdym środowisku. Główne cechy dźwięku zależą od tego, czym on jest. Przede wszystkim prędkość propagacji np. w wodzie różni się od innych środowisk.
Każdy analog dźwięku ma pewne właściwości ( Cechy fizyczne) i cechy (odbicie tych znaków w ludzkich odczuciach). Na przykład czas trwania, częstotliwość – wysokość, kompozycja – barwa i tak dalej.
Prędkość dźwięku w wodzie jest znacznie większa niż, powiedzmy, w powietrzu. W rezultacie rozprzestrzenia się szybciej i jest słyszalny znacznie dalej. Dzieje się tak ze względu na dużą gęstość molekularną środowisko wodne. Jest 800 razy gęstszy od powietrza i stali. Wynika z tego, że rozchodzenie się dźwięku w dużej mierze zależy od ośrodka. Spójrzmy na konkretne liczby. Zatem prędkość dźwięku w wodzie wynosi 1430 m/s, w powietrzu - 331,5 m/s.
Dźwięki o niskiej częstotliwości, na przykład hałas wytwarzany przez pracujący silnik statku, są zawsze słyszalne nieco wcześniej, niż statek pojawia się w zasięgu wzroku. Jego prędkość zależy od kilku rzeczy. Jeśli temperatura wody wzrasta, wówczas naturalnie wzrasta prędkość dźwięku w wodzie. To samo dzieje się ze wzrostem zasolenia i ciśnienia wody, które wzrasta wraz ze wzrostem głębokości wody. Takie zjawiska jak termokliny mogą mieć szczególny wpływ na prędkość. Są to miejsca, w których występują warstwy wody o różnej temperaturze.
Również w takich miejscach jest inaczej (ze względu na różnicę w warunki temperaturowe). A kiedy fale dźwiękowe przechodzą przez takie warstwy o różnej gęstości, tracą bardzo swojej siły. Kiedy fala dźwiękowa uderza w termoklinę, ulega częściowemu lub czasami całkowitemu odbiciu (stopień odbicia zależy od kąta, pod jakim dźwięk pada), po czym po drugiej stronie tego miejsca tworzy się strefa cienia. Jeśli weźmiemy pod uwagę przykład, w którym źródło dźwięku znajduje się w przestrzeni wodnej powyżej termokliny, wówczas usłyszenie czegokolwiek poniżej będzie nie tylko trudne, ale prawie niemożliwe.
Które są emitowane nad powierzchnią, nigdy nie są słyszalne w samej wodzie. A odwrotnie dzieje się pod warstwą wody: nad nią nie słychać. Uderzającym tego przykładem są współcześni nurkowie. Ich słuch jest znacznie osłabiony ze względu na działanie wody, a duża prędkość dźwięku w wodzie pogarsza jakość określenia kierunku, z którego się porusza. To osłabia stereofoniczną zdolność odbierania dźwięku.
Pod warstwą wody przedostaje się do ucha człowieka przede wszystkim przez kości czaszki głowy, a nie jak w atmosferze przez błony bębenkowe. Efektem tego procesu jest jego percepcja przez obydwa uszy jednocześnie. W tym momencie ludzki mózg nie jest w stanie rozróżnić miejsc, z których pochodzą sygnały i z jaką intensywnością. Efektem jest pojawienie się świadomości, że dźwięk zdaje się napływać ze wszystkich stron jednocześnie, choć jest to dalekie od przypadku.
Oprócz tego, co opisano powyżej, fale dźwiękowe w wodzie mają takie właściwości, jak absorpcja, rozbieżność i dyspersja. Po pierwsze, siła dźwięku w słonej wodzie stopniowo zanika z powodu tarcia środowiska wodnego i znajdujących się w nim soli. Rozbieżność objawia się w odległości dźwięku od jego źródła. Wydaje się, że rozpuszcza się w przestrzeni jak światło, przez co jego intensywność znacznie spada. Oscylacje znikają całkowicie z powodu rozproszenia przez różnego rodzaju przeszkody i niejednorodności środowiska.
Ta lekcja obejmuje temat „Fale dźwiękowe”. Na tej lekcji będziemy kontynuować naukę akustyki. Najpierw powtórzmy definicję fal dźwiękowych, następnie rozważmy ich zakresy częstotliwości i zapoznajmy się z pojęciem fal ultradźwiękowych i infradźwiękowych. Omówimy także właściwości fal dźwiękowych w różnych ośrodkach i poznamy ich charakterystykę. .
Fale dźwiękowe - są to drgania mechaniczne, które rozprzestrzeniając się i oddziałując z narządem słuchu, są odbierane przez człowieka (ryc. 1).
Ryż. 1. Fala dźwiękowa
Dział fizyki zajmujący się tymi falami nazywa się akustyką. Zawód osób popularnie zwanych „słuchaczami” to akustycy. Fala dźwiękowa to fala rozchodząca się w ośrodku sprężystym, jest to fala podłużna, a gdy rozchodzi się w ośrodku sprężystym, następuje naprzemienne ściskanie i wyładowanie. Przenoszony jest w czasie na odległość (ryc. 2).
Ryż. 2. Propagacja fali dźwiękowej
Fale dźwiękowe obejmują wibracje występujące z częstotliwością od 20 do 20 000 Hz. Dla tych częstotliwości odpowiednie długości fal wynoszą 17 m (dla 20 Hz) i 17 mm (dla 20 000 Hz). Zakres ten będzie nazywany dźwiękiem słyszalnym. Te długości fal podano dla powietrza, którego prędkość dźwięku jest równa .
Istnieją również zakresy, którymi zajmują się akustycy – infradźwiękowe i ultradźwiękowe. Infradźwięki to te, które mają częstotliwość mniejszą niż 20 Hz. Natomiast ultradźwiękowe to te, które mają częstotliwość większą niż 20 000 Hz (ryc. 3).
Ryż. 3. Zasięgi fal dźwiękowych
Każdy wykształcona osoba musi poruszać się po zakresie częstotliwości fal dźwiękowych i wiedzieć, że jeśli pójdzie na USG, obraz na ekranie komputera będzie skonstruowany z częstotliwością ponad 20 000 Hz.
USG – Są to fale mechaniczne podobne do fal dźwiękowych, ale o częstotliwości od 20 kHz do miliarda herców.
Nazywa się fale o częstotliwości większej niż miliard herców hiperdźwięk.
Do wykrywania wad części odlewanych wykorzystuje się ultradźwięki. Na badaną część kierowany jest strumień krótkich sygnałów ultradźwiękowych. W miejscach, w których nie ma defektów, sygnały przechodzą przez część bez rejestracji przez odbiornik.
Jeśli w części występuje pęknięcie, wnęka powietrzna lub inna niejednorodność, wówczas sygnał ultradźwiękowy odbija się od niej i po powrocie wchodzi do odbiornika. Ta metoda nazywa się ultradźwiękowe wykrywanie wad.
Innymi przykładami zastosowań ultradźwiękowych są maszyny badanie USG, aparaty ultradźwiękowe, terapia ultradźwiękowa.
Infradźwięki – fale mechaniczne podobne do fal dźwiękowych, ale o częstotliwości mniejszej niż 20 Hz. Nie są one odbierane przez ludzkie ucho.
Naturalnymi źródłami fal infradźwiękowych są burze, tsunami, trzęsienia ziemi, huragany, erupcje wulkanów i burze.
Infradźwięki to także ważna fala wykorzystywana do wibrowania powierzchni (na przykład do niszczenia dużych obiektów). Wypuszczamy infradźwięki do gleby - i gleba się rozpada. Gdzie się to stosuje? Na przykład w kopalniach diamentów, gdzie pobiera się rudę zawierającą składniki diamentu i rozdrabnia ją na małe cząstki, aby znaleźć wtrącenia diamentu (ryc. 4).
Ryż. 4. Zastosowanie infradźwięków
Prędkość dźwięku zależy od warunków otoczenia i temperatury (rys. 5).
Ryż. 5. Prędkość propagacji fali dźwiękowej w różnych ośrodkach
Uwaga: w powietrzu prędkość dźwięku w jest równa , a w , prędkość wzrasta o . Jeśli jesteś badaczem, ta wiedza może Ci się przydać. Można nawet wymyślić jakiś czujnik temperatury, który będzie rejestrował różnice temperatur poprzez zmianę prędkości dźwięku w ośrodku. Wiemy już, że im gęstszy ośrodek, tym poważniejsze oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami ośrodka, tym szybciej rozchodzi się fala. W ostatnim akapicie omówiliśmy to na przykładzie suchego i powietrznego wilgotne powietrze. Dla wody prędkość rozchodzenia się dźwięku wynosi . Jeśli utworzysz falę dźwiękową (uderz w kamerton), wówczas prędkość jej propagacji w wodzie będzie 4 razy większa niż w powietrzu. Wodą informacja dotrze 4 razy szybciej niż drogą powietrzną. A w stali jest jeszcze szybciej: 
(ryc. 6).
Ryż. 6. Prędkość propagacji fali dźwiękowej
Wiesz z eposów, których używał Ilja Muromiec (i wszyscy bohaterowie i zwykli Rosjanie, i chłopcy z RVS Gajdara), używali bardzo dużo w ciekawy sposób wykrycie obiektu, który się zbliża, ale jest jeszcze daleko. Dźwięk wydawany podczas ruchu nie jest jeszcze słyszalny. Ilja Muromiec z uchem przy ziemi ją słyszy. Dlaczego? Ponieważ dźwięk jest przesyłany po stałym podłożu z większą prędkością, co oznacza, że szybciej dotrze do ucha Ilyi Murometsa, a on będzie mógł przygotować się na spotkanie z wrogiem.
Najciekawszymi falami dźwiękowymi są dźwięki i dźwięki muzyczne. Jakie obiekty mogą wytwarzać fale dźwiękowe? Jeśli weźmiemy źródło fali i ośrodek sprężysty, jeśli sprawimy, że źródło dźwięku wibruje harmonijnie, wówczas otrzymamy cudowną falę dźwiękową, którą nazwiemy dźwiękiem muzycznym. Źródłami fal dźwiękowych mogą być na przykład struny gitary lub fortepianu. Może to być fala dźwiękowa powstająca w szczelinie powietrznej piszczałki (organów lub piszczałki). Z lekcji muzyki znasz nuty: do, re, mi, fa, sol, la, si. W akustyce nazywane są tonami (ryc. 7).
Ryż. 7. Dźwięki muzyczne
Wszystkie obiekty, które mogą wytwarzać dźwięki, będą miały pewne funkcje. Czym się różnią? Różnią się długością fali i częstotliwością. Jeżeli te fale dźwiękowe nie są tworzone przez harmonijnie brzmiące ciała lub nie są połączone w jakiś wspólny utwór orkiestrowy, wówczas taka ilość dźwięków będzie nazywana hałasem.
Hałas– losowe oscylacje o różnej naturze fizycznej, charakteryzujące się złożonością ich struktury czasowej i widmowej. Pojęcie hałasu jest zarówno domowe, jak i fizyczne, są bardzo podobne, dlatego wprowadzamy je jako osobny ważny przedmiot rozważań.
Przejdźmy dalej szacunki ilościowe fale dźwiękowe. Jakie są cechy muzycznych fal dźwiękowych? Charakterystyki te dotyczą wyłącznie harmonicznych drgań dźwięku. Więc, głośność dźwięku. Jak określa się głośność dźwięku? Rozważmy rozchodzenie się fali dźwiękowej w czasie lub oscylacje źródła fali dźwiękowej (rys. 8).
Ryż. 8. Głośność dźwięku
Jednocześnie, jeśli nie dodaliśmy do systemu zbyt wiele dźwięku (np. cicho uderzymy w klawisz fortepianu), to dźwięk będzie cichy. Jeżeli głośno podniesiemy rękę wysoko, to poprzez uderzenie w klawisz wywołamy ten dźwięk, otrzymamy głośny dźwięk. Od czego to zależy? Cichy dźwięk ma mniejszą amplitudę wibracji niż głośny dźwięk.
Następna ważna cecha dźwięk muzyczny i inne - wysokość. Od czego zależy wysokość dźwięku? Wysokość zależy od częstotliwości. Możemy sprawić, że źródło będzie oscylować często lub niezbyt szybko (to znaczy będzie wykonywać mniej oscylacji w jednostce czasu). Rozważmy przesunięcie w czasie wysokiego i niskiego dźwięku o tej samej amplitudzie (ryc. 9).
Ryż. 9. Skok
Można wyciągnąć ciekawy wniosek. Jeśli ktoś śpiewa głosem basowym, to jego źródło dźwięku (struny głosowe) wibruje kilka razy wolniej niż u osoby śpiewającej sopran. W drugim przypadku struny głosowe wibrują częściej, a co za tym idzie, częściej powodują kieszenie kompresji i wyładowań podczas propagacji fali.
Jest jeszcze jeden interesująca cecha fale dźwiękowe, których fizycy nie badają. Ten tembr. Znasz i łatwo rozróżniasz ten sam utwór wykonywany na bałałajce lub wiolonczeli. Czym różnią się te dźwięki lub to wykonanie? Na początku eksperymentu poprosiliśmy osoby wydające dźwięki, aby miały one mniej więcej tę samą amplitudę, tak aby głośność dźwięku była taka sama. To tak jak w przypadku orkiestry: jeśli nie ma potrzeby wyróżniania żadnego instrumentu, wszyscy grają mniej więcej tak samo, z tą samą siłą. Zatem barwa bałałajki i wiolonczeli jest inna. Gdybyśmy mieli narysować dźwięk wytwarzany przez jeden instrument z drugiego za pomocą diagramów, byłyby one takie same. Ale łatwo rozróżnić te instrumenty po ich brzmieniu.
Kolejny przykład znaczenia barwy. Wyobraź sobie dwóch śpiewaków, którzy ukończyli tę samą uczelnię muzyczną z tymi samymi nauczycielami. Uczyli się równie dobrze, z prostymi piątkami. Z jakiegoś powodu jeden zostaje wybitnym wykonawcą, drugi przez całe życie jest niezadowolony ze swojej kariery. Tak naprawdę decyduje o tym wyłącznie ich instrument, który powoduje wibracje wokali w otoczeniu, czyli ich głosy różnią się barwą.
Bibliografia
- Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizyka: podręcznik z przykładami rozwiązywania problemów. - Podział drugiej edycji. - X.: Vesta: wydawnictwo "Ranok", 2005. - 464 s.
- Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizyka. Klasa 9: podręcznik do kształcenia ogólnego. instytucje/A.V. Peryszkin, E.M. Gutnik. - wyd. XIV, stereotyp. - M.: Drop, 2009. - 300 s.
- Portal internetowy „eduspb.com” ()
- Portal internetowy „msk.edu.ua” ()
- Portal internetowy „class-fizika.narod.ru” ()
Praca domowa
- Jak rozchodzi się dźwięk? Co może być źródłem dźwięku?
- Czy dźwięk może podróżować w przestrzeni?
- Czy każda fala, która dociera do narządu słuchu danej osoby, jest przez nią odbierana?
