Ένα ηχητικό κύμα είναι ένα μηχανικό διαμήκη κύμα συγκεκριμένης συχνότητας. Στο άρθρο θα καταλάβουμε τι είναι τα διαμήκη και εγκάρσια κύματα, γιατί δεν είναι κάθε μηχανικό κύμα ήχο. Μάθετε την ταχύτητα του κύματος και τις συχνότητες στις οποίες εμφανίζεται ο ήχος. Ας μάθουμε αν ο ήχος είναι ίδιος σε διαφορετικά περιβάλλοντα και ας μάθουμε πώς να βρίσκουμε την ταχύτητά του χρησιμοποιώντας τον τύπο.
Το κύμα εμφανίζεται
Ας φανταστούμε μια επιφάνεια νερού, για παράδειγμα μια λίμνη σε ήρεμο καιρό. Εάν πετάξετε μια πέτρα, τότε στην επιφάνεια του νερού θα δούμε κύκλους που αποκλίνουν από το κέντρο. Και τι θα συμβεί αν πάρουμε όχι μια πέτρα, αλλά μια μπάλα και την φέρουμε σε ταλαντωτική κίνηση; Οι κύκλοι θα δημιουργούνται συνεχώς από τις δονήσεις της μπάλας. Θα δούμε περίπου το ίδιο όπως φαίνεται στην κινούμενη εικόνα του υπολογιστή.
Αν χαμηλώσουμε τον πλωτήρα σε κάποια απόσταση από την μπάλα, θα ταλαντωθεί επίσης. Όταν οι διακυμάνσεις αποκλίνουν στο χώρο με την πάροδο του χρόνου, αυτή η διαδικασία ονομάζεται κύμα.
Για να μελετήσετε τις ιδιότητες του ήχου (μήκος κύματος, ταχύτητα κύματος κ.λπ.), είναι κατάλληλο το διάσημο παιχνίδι Rainbow ή Happy Rainbow.
Ας τεντώσουμε το ελατήριο, να το αφήσουμε να ηρεμήσει και να το τινάξουμε απότομα πάνω-κάτω. Θα δούμε ότι εμφανίστηκε ένα κύμα, το οποίο έτρεξε κατά μήκος της πηγής και μετά επέστρεψε πίσω. Αυτό σημαίνει ότι αντανακλάται από το εμπόδιο. Παρατηρήσαμε πώς το κύμα διαδόθηκε κατά μήκος της άνοιξης με την πάροδο του χρόνου. Τα σωματίδια του ελατηρίου κινούνταν πάνω και κάτω σε σχέση με την ισορροπία τους και το κύμα έτρεχε δεξιά και αριστερά. Ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται εγκάρσιο κύμα. Σε αυτό η φορά διάδοσής του είναι κάθετη προς την κατεύθυνση ταλάντωσης των σωματιδίων. Στην περίπτωσή μας, το μέσο διάδοσης του κύματος ήταν ένα ελατήριο.
Τώρα ας τεντώσουμε το ελατήριο, αφήστε το να ηρεμήσει και να τραβήξετε πέρα δώθε. Θα δούμε ότι τα πηνία του ελατηρίου συμπιέζονται κατά μήκος του. Το κύμα τρέχει προς την ίδια κατεύθυνση. Σε ένα μέρος το ελατήριο είναι πιο συμπιεσμένο, σε άλλο είναι πιο τεντωμένο. Ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται διαμήκης. Η κατεύθυνση της ταλάντωσης των σωματιδίων του συμπίπτει με την κατεύθυνση διάδοσης.
Ας φανταστούμε ένα πυκνό μέσο, για παράδειγμα, ένα άκαμπτο σώμα. Αν το παραμορφώσουμε με διάτμηση, θα προκύψει κύμα. Θα εμφανιστεί λόγω των ελαστικών δυνάμεων που δρουν μόνο στα στερεά. Αυτές οι δυνάμεις παίζουν το ρόλο της αποκατάστασης και δημιουργούν ένα ελαστικό κύμα.
Δεν μπορείτε να παραμορφώσετε ένα υγρό με διάτμηση. Ένα εγκάρσιο κύμα δεν μπορεί να διαδοθεί σε αέρια και υγρά. Ένα άλλο πράγμα είναι το διαμήκη: εξαπλώνεται σε όλα τα περιβάλλοντα όπου δρουν ελαστικές δυνάμεις. Σε ένα διαμήκη κύμα, τα σωματίδια πλησιάζουν το ένα το άλλο, μετά απομακρύνονται και το ίδιο το μέσο συμπιέζεται και σπανίζεται.
Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι τα υγράασυμπίεστο, αλλά αυτό δεν ισχύει. Εάν πιέσετε το έμβολο της σύριγγας με νερό, θα συρρικνωθεί λίγο. Στα αέρια, είναι επίσης δυνατή η θλιπτική-εφελκυστική παραμόρφωση. Πιέζοντας το έμβολο μιας άδειας σύριγγας συμπιέζεται ο αέρας.
Ταχύτητα και μήκος κύματος
Ας επιστρέψουμε στο animation που εξετάσαμε στην αρχή του άρθρου. Επιλέγουμε ένα αυθαίρετο σημείο σε έναν από τους κύκλους που αποκλίνουν από την υπό όρους μπάλα και το ακολουθούμε. Το σημείο απομακρύνεται από το κέντρο. Η ταχύτητα με την οποία κινείται είναι η ταχύτητα της κορυφής του κύματος. Μπορούμε να συμπεράνουμε: ένα από τα χαρακτηριστικά του κύματος είναι η ταχύτητα του κύματος.
Το κινούμενο σχέδιο δείχνει ότι οι κορυφές του κύματος βρίσκονται στην ίδια απόσταση. Αυτό είναι το μήκος κύματος - ένα άλλο από τα χαρακτηριστικά του. Όσο πιο συχνά είναι τα κύματα, τόσο μικρότερο είναι το μήκος τους.
Γιατί δεν είναι κάθε μηχανικό κύμα ήχο
Πάρτε έναν χάρακα αλουμινίου.
Είναι αναπηδά, επομένως είναι καλό για την εμπειρία. Βάζουμε τον χάρακα στην άκρη του τραπεζιού και τον πιέζουμε με το χέρι μας ώστε να εξέχει έντονα. Πιέζουμε την άκρη του και το αφήνουμε απότομα - το ελεύθερο μέρος θα αρχίσει να δονείται, αλλά δεν θα υπάρχει ήχος. Εάν επεκτείνετε λίγο τον χάρακα, η δόνηση της κοντής άκρης θα δημιουργήσει έναν ήχο.
Τι δείχνει αυτή η εμπειρία; Αποδεικνύει ότι ο ήχος εμφανίζεται μόνο όταν ένα σώμα κινείται αρκετά γρήγορα όταν η ταχύτητα κύματος στο μέσο είναι υψηλή. Ας εισαγάγουμε ένα ακόμη χαρακτηριστικό του κύματος - τη συχνότητα. Αυτή η τιμή δείχνει πόσες δονήσεις ανά δευτερόλεπτο κάνει το σώμα. Όταν δημιουργούμε ένα κύμα στον αέρα, ο ήχος εμφανίζεται υπό ορισμένες συνθήκες - όταν είναι αρκετόςυψηλή συχνότητα.
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι ο ήχος δεν είναι κύμα, αν και σχετίζεται με μηχανικά κύματα. Ο ήχος είναι η αίσθηση που εμφανίζεται όταν τα ηχητικά (ακουστικά) κύματα εισέρχονται στο αυτί.
Ας επιστρέψουμε στον χάρακα. Όταν το μεγαλύτερο τμήμα εκτείνεται, ο χάρακας ταλαντώνεται και δεν κάνει ήχο. Αυτό δημιουργεί κύμα; Σίγουρα, αλλά είναι ένα μηχανικό κύμα, όχι ένα ηχητικό κύμα. Τώρα μπορούμε να ορίσουμε ένα ηχητικό κύμα. Αυτό είναι ένα μηχανικό διαμήκη κύμα, η συχνότητα του οποίου κυμαίνεται από 20 Hz έως 20 χιλιάδες Hz. Εάν η συχνότητα είναι μικρότερη από 20 Hz ή μεγαλύτερη από 20 kHz, τότε δεν θα την ακούσουμε, αν και θα υπάρξουν δονήσεις.
Πηγή ήχου
Οποιοδήποτε ταλαντούμενο σώμα μπορεί να είναι πηγή ακουστικών κυμάτων, χρειάζεται μόνο ένα ελαστικό μέσο, για παράδειγμα, αέρα. Όχι μόνο ένα στερεό σώμα μπορεί να δονείται, αλλά και ένα υγρό και ένα αέριο. Ο αέρας ως μείγμα πολλών αερίων μπορεί όχι μόνο να είναι ένα μέσο διάδοσης - ο ίδιος είναι ικανός να δημιουργήσει ένα ακουστικό κύμα. Είναι οι δονήσεις του που κρύβονται πίσω από τον ήχο των πνευστών. Το φλάουτο ή η τρομπέτα δεν δονείται. Είναι ο αέρας που αραιώνεται και συμπιέζεται, δίνει μια ορισμένη ταχύτητα στο κύμα, με αποτέλεσμα να ακούμε τον ήχο.
Διάδοση ήχου σε διαφορετικά περιβάλλοντα
Διαπιστώσαμε ότι ακούγονται διαφορετικές ουσίες: υγρές, στερεές, αέριες. Το ίδιο ισχύει και για την ικανότητα διεξαγωγής ακουστικού κύματος. Ο ήχος διαδίδεται σε οποιοδήποτε ελαστικό μέσο (υγρό, στερεό, αέριο), εκτός από το κενό. Σε έναν κενό χώρο, ας πούμε στο φεγγάρι, δεν θα ακούσουμε τον ήχο ενός σώματος που δονείται.
Οι περισσότεροι από τους ήχους που αντιλαμβάνονται οι άνθρωποι είναι αερομεταφερόμενοι. Τα ψάρια, οι μέδουσες ακούνε ένα ακουστικό κύμα που αποκλίνει μέσα στο νερό. Εμείς, αν βουτήξουμε κάτω από το νερό, θα ακούσουμε και τον θόρυβο ενός μηχανοκίνητου σκάφους που περνάει. Επιπλέον, το μήκος κύματος και η ταχύτητα κύματος θα είναι υψηλότερα από ό,τι στον αέρα. Αυτό σημαίνει ότι ο ήχος του κινητήρα θα είναι ο πρώτος που θα ακουστεί από ένα άτομο που καταδύεται κάτω από το νερό. Ο ψαράς, που κάθεται στη βάρκα του στο ίδιο μέρος, θα ακούσει τον θόρυβο αργότερα.
Στα στερεά, ο ήχος ταξιδεύει ακόμα καλύτερα και η ταχύτητα του κύματος είναι υψηλότερη. Εάν βάλετε ένα σκληρό αντικείμενο, ειδικά μεταλλικό, στο αυτί σας και το χτυπήσετε, θα ακούσετε πολύ καλά. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η δική σας φωνή. Όταν ακούμε για πρώτη φορά την ομιλία μας, ηχογραφημένη στο παρελθόν σε συσκευή εγγραφής φωνής ή από βίντεο, η φωνή φαίνεται ξένη. Γιατί συμβαίνει αυτό? Γιατί στη ζωή δεν ακούμε τόσο ηχητικές δονήσεις από το στόμα μας όσο δονήσεις κυμάτων που περνούν από τα οστά του κρανίου μας. Ο ήχος που αντανακλάται από αυτά τα εμπόδια αλλάζει κάπως.
Ταχύτητα ήχου
Η ταχύτητα ενός ηχητικού κύματος, αν λάβουμε υπόψη τον ίδιο ήχο, θα είναι διαφορετική σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Όσο πιο πυκνό είναι το μέσο, τόσο πιο γρήγορα ο ήχος φτάνει στο αυτί μας. Το τρένο μπορεί να πάει τόσο μακριά από εμάς που δεν θα ακουστεί ακόμα ο ήχος των τροχών. Ωστόσο, αν βάλετε το αυτί σας στις ράγες, μπορούμε να ακούσουμε ξεκάθαρα το βουητό.
Αυτό υποδηλώνει ότι τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν πιο γρήγορα στα στερεά παρά στον αέρα. Το σχήμα δείχνει την ταχύτητα του ήχου σε διαφορετικά περιβάλλοντα.
Εξίσωση κυμάτων
Η ταχύτητα, η συχνότητα και το μήκος κύματος συνδέονται μεταξύ τους. Για σώματα που δονούνται σε υψηλή συχνότητα, το κύμα είναι μικρότερο. Οι ήχοι χαμηλής συχνότητας ακούγονται σε μεγαλύτερη απόσταση επειδή έχουν μεγαλύτερο μήκος κύματος. Υπάρχουν δύο εξισώσεις κυμάτων. Εικονίζουν την αλληλεξάρτηση των χαρακτηριστικών των κυμάτων μεταξύ τους. Γνωρίζοντας οποιεσδήποτε δύο ποσότητες από τις εξισώσεις, μπορείτε να υπολογίσετε την τρίτη:
с=ν × λ, όπου c είναι η ταχύτητα, ν είναι η συχνότητα, λ είναι το μήκος κύματος.
Δεύτερη εξίσωση ακουστικού κύματος:
s=λ / T, όπου T είναι η περίοδος, δηλαδή ο χρόνος για τον οποίο το σώμα κάνει μία ταλάντωση.
