Ένα ηχητικό κύμα είναι μια κυματική διαδικασία που συμβαίνει σε αέρια, υγρά και στερεά μέσα, τα οποία, όταν φθάσουν στα όργανα ακοής του ανθρώπου, γίνονται αντιληπτά από αυτά ως ήχος. Η συχνότητα αυτών των κυμάτων κυμαίνεται από 20 έως 20.000 ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο. Δίνουμε τύπους για ένα ηχητικό κύμα και εξετάζουμε τις ιδιότητές του με περισσότερες λεπτομέρειες.
Γιατί υπάρχει ηχητικό κύμα;
Πολλοί άνθρωποι αναρωτιούνται τι είναι το ηχητικό κύμα. Η φύση του ήχου έγκειται στην εμφάνιση διαταραχών σε ένα ελαστικό μέσο. Για παράδειγμα, όταν εμφανίζεται μια διαταραχή πίεσης με τη μορφή συμπίεσης σε έναν ορισμένο όγκο αέρα, αυτή η περιοχή τείνει να εξαπλωθεί στο διάστημα. Αυτή η διαδικασία οδηγεί σε συμπίεση του αέρα σε περιοχές που γειτνιάζουν με την πηγή, οι οποίες επίσης τείνουν να διαστέλλονται. Αυτή η διαδικασία καλύπτει όλο και περισσότερο χώρο μέχρι να φτάσει σε κάποιον δέκτη, για παράδειγμα, στο ανθρώπινο αυτί.
Γενικά χαρακτηριστικά των ηχητικών κυμάτων
Ας εξετάσουμε τι είναι το ηχητικό κύμα και πώς γίνεται αντιληπτό από το ανθρώπινο αυτί. Ηχητικό κύμαείναι διαμήκης, όταν εισέρχεται στο κέλυφος του αυτιού προκαλεί δονήσεις του τυμπάνου με συγκεκριμένη συχνότητα και πλάτος. Μπορείτε επίσης να αναπαραστήσετε αυτές τις διακυμάνσεις ως περιοδικές αλλαγές στην πίεση στον μικροόγκο του αέρα δίπλα στη μεμβράνη. Αρχικά, αυξάνεται σε σχέση με την κανονική ατμοσφαιρική πίεση και στη συνέχεια μειώνεται, υπακούοντας στους μαθηματικούς νόμους της αρμονικής κίνησης. Το πλάτος των αλλαγών στη συμπίεση του αέρα, δηλαδή η διαφορά μεταξύ της μέγιστης ή ελάχιστης πίεσης που δημιουργείται από ένα ηχητικό κύμα, με την ατμοσφαιρική πίεση είναι ανάλογο με το πλάτος του ίδιου του ηχητικού κύματος.
Πολλά φυσικά πειράματα έχουν δείξει ότι η μέγιστη πίεση που μπορεί να αντιληφθεί το ανθρώπινο αυτί χωρίς να το βλάψει είναι 2800 µN/cm2. Για σύγκριση, ας πούμε ότι η ατμοσφαιρική πίεση κοντά στην επιφάνεια της γης είναι 10 εκατομμύρια µN/cm2. Λαμβάνοντας υπόψη την αναλογικότητα της πίεσης και του πλάτους ταλάντωσης, μπορούμε να πούμε ότι η τελευταία τιμή είναι ασήμαντη ακόμη και για τα ισχυρότερα κύματα. Αν μιλάμε για το μήκος ενός ηχητικού κύματος, τότε για συχνότητα 1000 δονήσεων ανά δευτερόλεπτο, θα είναι ένα χιλιοστό του εκατοστού.
Οι πιο αδύναμοι ήχοι δημιουργούν διακυμάνσεις πίεσης της τάξης των 0,001µN/cm2, το αντίστοιχο πλάτος ταλάντωσης κύματος για συχνότητα 1000 Hz είναι 10- 9cm, ενώ η μέση διάμετρος των μορίων του αέρα είναι 10-8 cm, δηλαδή το ανθρώπινο αυτί είναι ένα εξαιρετικά ευαίσθητο όργανο.
Η έννοια της έντασης των ηχητικών κυμάτων
Με γεωμετρικάΑπό την άποψη ενός ηχητικού κύματος, είναι μια δόνηση μιας συγκεκριμένης μορφής, από φυσική άποψη, η κύρια ιδιότητα των ηχητικών κυμάτων είναι η ικανότητά τους να μεταφέρουν ενέργεια. Το πιο σημαντικό παράδειγμα μεταφοράς ενέργειας κυμάτων είναι ο ήλιος, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του οποίου ακτινοβολούνται παρέχουν ενέργεια σε ολόκληρο τον πλανήτη μας.
Η ένταση ενός ηχητικού κύματος στη φυσική ορίζεται ως η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από ένα κύμα μέσω μιας μονάδας επιφάνειας, η οποία είναι κάθετη στη διάδοση του κύματος και ανά μονάδα χρόνου. Εν ολίγοις, η ένταση ενός κύματος είναι η ισχύς του που μεταφέρεται μέσω μιας μονάδας επιφάνειας.
Η ισχύς των ηχητικών κυμάτων συνήθως μετριέται σε ντεσιμπέλ, τα οποία βασίζονται σε μια λογαριθμική κλίμακα, κατάλληλη για πρακτική ανάλυση των αποτελεσμάτων.
Ένταση διαφόρων ήχων
Η ακόλουθη κλίμακα ντεσιμπέλ δίνει μια ιδέα της σημασίας των διαφορετικών ηχητικών εντάσεων και των αισθήσεων που προκαλεί:
- Το όριο για δυσάρεστες και άβολες αισθήσεις ξεκινά από τα 120 ντεσιμπέλ (dB);
- το καρφωτικό σφυρί παράγει θόρυβο 95 dB.
- τρένο υψηλής ταχύτητας - 90 dB;
- οδός κυκλοφορίας - 70 dB;
- η ένταση μιας κανονικής συνομιλίας μεταξύ ανθρώπων είναι 65 dB;
- Σύγχρονο αυτοκίνητο που κινείται με μέτριες ταχύτητες παράγει θόρυβο 50 dB.
- μέση ένταση ραδιοφώνου - 40 dB;
- ήσυχη συνομιλία - 20 dB;
- θόρυβος φυλλώματος δέντρων - 10 dB;
- Το ελάχιστο όριο ευαισθησίας στον ανθρώπινο ήχο είναι κοντά στα 0 dB.
Η ευαισθησία του ανθρώπινου αυτιού εξαρτάται απόσυχνότητα ήχου και είναι η μέγιστη τιμή για ηχητικά κύματα με συχνότητα 2000-3000 Hz. Για έναν ήχο σε αυτό το εύρος συχνοτήτων, το κατώτερο όριο ανθρώπινης ευαισθησίας είναι 10-5 dB. Οι υψηλότερες και χαμηλότερες συχνότητες από το καθορισμένο διάστημα οδηγούν σε αύξηση του κατώτερου ορίου ευαισθησίας με τέτοιο τρόπο που ένα άτομο ακούει συχνότητες κοντά στα 20 Hz και 20.000 Hz μόνο στην έντασή τους πολλών δεκάδων dB.
Όσο για το ανώτερο όριο έντασης, μετά το οποίο ο ήχος αρχίζει να προκαλεί ταλαιπωρία σε ένα άτομο και ακόμη και πόνο, θα πρέπει να ειπωθεί ότι πρακτικά δεν εξαρτάται από τη συχνότητα και βρίσκεται στην περιοχή των 110-130 dB.
Γεωμετρικά χαρακτηριστικά ενός ηχητικού κύματος
Ένα πραγματικό ηχητικό κύμα είναι ένα σύνθετο ταλαντευόμενο πακέτο διαμήκων κυμάτων, το οποίο μπορεί να αποσυντεθεί σε απλές αρμονικές δονήσεις. Κάθε τέτοια ταλάντωση περιγράφεται από γεωμετρική άποψη από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
- Πλάτος - η μέγιστη απόκλιση κάθε τμήματος του κύματος από την ισορροπία. Για αυτήν την τιμή, ο χαρακτηρισμός A.
- Περίοδος. Αυτός είναι ο χρόνος που χρειάζεται ένα απλό κύμα για να ολοκληρώσει την πλήρη ταλάντωσή του. Μετά από αυτό το διάστημα, κάθε σημείο του κύματος αρχίζει να επαναλαμβάνει την ταλαντωτική του διαδικασία. Η περίοδος συνήθως συμβολίζεται με το γράμμα T και μετράται σε δευτερόλεπτα στο σύστημα SI.
- Συχνότητα. Αυτό είναι ένα φυσικό μέγεθος που δείχνει πόσες ταλαντώσεις κάνει ένα δεδομένο κύμα ανά δευτερόλεπτο. Δηλαδή, κατά την έννοια του, είναι μια τιμή αντίστροφη της περιόδου. Συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα f. Για τη συχνότητα ενός ηχητικού κύματος, ο τύπος για τον προσδιορισμό της σε περίοδο είναι ο εξής: f=1/T.
- Το μήκος ενός κύματος είναι η απόσταση που διανύει σε μια περίοδο ταλάντωσης. Γεωμετρικά, το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ δύο πλησιέστερων μέγιστων ή δύο πλησιέστερων ελάχιστων σε μια ημιτονοειδή καμπύλη. Το μήκος ταλάντωσης ενός ηχητικού κύματος είναι η απόσταση μεταξύ των πλησιέστερων περιοχών συμπίεσης αέρα ή των πλησιέστερων σημείων αραίωσής του στον χώρο όπου κινείται το κύμα. Συνήθως συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα λ.
- Η ταχύτητα διάδοσης του ηχητικού κύματος είναι η απόσταση στην οποία διαδίδεται η περιοχή συμπίεσης ή η περιοχή σπάνιας διάδοσης του κύματος ανά μονάδα χρόνου. Αυτή η τιμή υποδηλώνεται με το γράμμα v. Για την ταχύτητα ενός ηχητικού κύματος, ο τύπος είναι: v=λf.
Η γεωμετρία ενός καθαρού ηχητικού κύματος, δηλαδή ενός κύματος σταθερής καθαρότητας, υπακούει σε έναν ημιτονοειδές νόμο. Στη γενική περίπτωση, ο τύπος ενός ηχητικού κύματος είναι: y=Asin(ωt), όπου y είναι η τιμή της συντεταγμένης ενός δεδομένου σημείου του κύματος, t είναι ο χρόνος, ω=2pif είναι η συχνότητα κυκλικής ταλάντωσης.
Απεριοδικός ήχος
Πολλές πηγές ήχου μπορούν να θεωρηθούν περιοδικές, για παράδειγμα, ο ήχος από μουσικά όργανα όπως κιθάρα, πιάνο, φλάουτο, αλλά υπάρχει επίσης μεγάλος αριθμός ήχων στη φύση που είναι απεριοδικοί, δηλαδή αλλάζουν οι δονήσεις του ήχου η συχνότητα και το σχήμα τους στο χώρο. Τεχνικά, αυτό το είδος ήχου ονομάζεται θόρυβος. ΛΑΜΠΡΌΣΠαραδείγματα μη περιοδικού ήχου είναι ο αστικός θόρυβος, ο ήχος της θάλασσας, ήχοι από κρουστά όργανα, όπως ένα τύμπανο, και άλλα.
Μέσο διάδοσης ήχου
Σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, της οποίας τα φωτόνια δεν χρειάζονται υλικό μέσο για τη διάδοσή τους, η φύση του ήχου είναι τέτοια που χρειάζεται ένα συγκεκριμένο μέσο για τη διάδοσή του, δηλαδή, σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, τα ηχητικά κύματα δεν μπορούν διάδοση στο κενό.
Ο ήχος μπορεί να ταξιδέψει μέσα από αέρια, υγρά και στερεά. Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός ηχητικού κύματος που διαδίδεται σε ένα μέσο είναι τα εξής:
- Το κύμα διαδίδεται γραμμικά;
- απλώνεται εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις σε ένα ομοιογενές μέσο, δηλαδή ο ήχος αποκλίνει από την πηγή, σχηματίζοντας μια τέλεια σφαιρική επιφάνεια.
- ανεξάρτητα από το πλάτος και τη συχνότητα του ήχου, τα κύματα του διαδίδονται με την ίδια ταχύτητα σε ένα δεδομένο μέσο.
Η ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων σε διάφορα μέσα
Η ταχύτητα διάδοσης του ήχου εξαρτάται από δύο βασικούς παράγοντες: το μέσο στο οποίο κινείται το κύμα και τη θερμοκρασία. Σε γενικές γραμμές, ισχύει ο ακόλουθος κανόνας: όσο πιο πυκνό είναι το μέσο και όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του, τόσο πιο γρήγορα κινείται ο ήχος σε αυτό.
Για παράδειγμα, η ταχύτητα διάδοσης ενός ηχητικού κύματος στον αέρα κοντά στην επιφάνεια της γης σε θερμοκρασία 20 ℃ και υγρασία 50% είναι 1235 km/h ή 343 m/s. Σε νερό σε μια δεδομένη θερμοκρασία, ο ήχος ταξιδεύει 4,5 φορές πιο γρήγοραυπάρχουν περίπου 5735 km/h ή 1600 m/s. Όσον αφορά την εξάρτηση της ταχύτητας του ήχου από τη θερμοκρασία του αέρα, αυτή αυξάνεται κατά 0,6 m/s με αύξηση της θερμοκρασίας για κάθε βαθμό Κελσίου.
Χρόνο και τόνος
Εάν μια χορδή ή μεταλλική πλάκα αφεθεί να δονείται ελεύθερα, θα παράγει ήχους διαφορετικών συχνοτήτων. Είναι πολύ σπάνιο να βρεθεί ένα σώμα που θα εκπέμπει έναν ήχο μιας συγκεκριμένης συχνότητας, συνήθως ο ήχος ενός αντικειμένου έχει ένα σύνολο συχνοτήτων σε ένα συγκεκριμένο διάστημα.
Η χροιά ενός ήχου καθορίζεται από τον αριθμό των αρμονικών που υπάρχουν σε αυτόν και τις αντίστοιχες εντάσεις τους. Το timbre είναι μια υποκειμενική αξία, είναι δηλαδή η αντίληψη ενός ηχητικού αντικειμένου από ένα συγκεκριμένο άτομο. Το timbre χαρακτηρίζεται συνήθως από τα ακόλουθα επίθετα: υψηλό, λαμπρό, ηχητικό, μελωδικό, και ούτω καθεξής.
Το Ο τόνος είναι μια αίσθηση ήχου που του επιτρέπει να ταξινομηθεί ως υψηλός ή χαμηλός. Αυτή η τιμή είναι επίσης υποκειμενική και δεν μπορεί να μετρηθεί με κανένα όργανο. Ο τόνος συνδέεται με μια αντικειμενική ποσότητα - τη συχνότητα ενός ηχητικού κύματος, αλλά δεν υπάρχει σαφής σχέση μεταξύ τους. Για παράδειγμα, για έναν ήχο μονής συχνότητας σταθερής έντασης, ο τόνος αυξάνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα. Εάν η συχνότητα του ήχου παραμένει σταθερή, αλλά η έντασή του αυξάνεται, τότε ο τόνος γίνεται χαμηλότερος.
Σχήμα πηγών ήχου
Σύμφωνα με το σχήμα του σώματος που δονείται μηχανικά και ως εκ τούτου παράγει ήχο, υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι πηγών ηχητικών κυμάτων:
- Σημική πηγή. Παράγει ηχητικά κύματα που έχουν σφαιρικό σχήμα και αποσυντίθενται γρήγορα με την απόσταση από την πηγή (περίπου 6dB αν η απόσταση από την πηγή διπλασιαστεί).
- Πηγή γραμμής. Δημιουργεί κυλινδρικά κύματα των οποίων η ένταση μειώνεται πιο αργά από μια σημειακή πηγή (για κάθε διπλασιασμό της απόστασης από την πηγή, η ένταση μειώνεται κατά 3 dB).
- Μια επίπεδη ή δισδιάστατη πηγή. Παράγει κύματα μόνο προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ένα παράδειγμα τέτοιας πηγής θα ήταν ένα έμβολο που κινείται σε έναν κύλινδρο.
Ηλεκτρονικές πηγές ήχου
Για να δημιουργήσουν ένα ηχητικό κύμα, οι ηλεκτρονικές πηγές χρησιμοποιούν μια ειδική μεμβράνη (ηχείο), η οποία εκτελεί μηχανικούς κραδασμούς λόγω του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Αυτές οι πηγές περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- αναπαραγωγές για διάφορους δίσκους (CD, DVD και άλλους);
- κασετόφωνο;
- ραδιόφωνα;
- τηλεοράσεις και μερικές άλλες.
