O undă sonoră este o undă longitudinală mecanică cu o anumită frecvență. În articol vom înțelege ce sunt undele longitudinale și transversale, de ce nu orice undă mecanică este sunet. Aflați viteza undei și frecvențele la care apare sunetul. Să aflăm dacă sunetul este același în diferite medii și să aflăm cum să-i găsim viteza folosind formula.
Apare
Wave
Să ne imaginăm o suprafață de apă, de exemplu un iaz pe vreme calmă. Dacă arunci o piatră, atunci la suprafața apei vom vedea cercuri divergente din centru. Și ce se va întâmpla dacă nu luăm o piatră, ci o minge și o aducem în mișcare oscilatoare? Cercurile vor fi generate constant de vibrațiile mingii. Vom vedea aproximativ la fel ca în animația computerizată.
Dacă coborâm plutitorul la o oarecare distanță de minge, acesta va oscila și el. Când fluctuațiile diverge în spațiu în timp, acest proces se numește val.
Pentru a studia proprietățile sunetului (lungimea de undă, viteza undei etc.), este potrivită celebra jucărie Rainbow sau Happy Rainbow.
Să întindem arcul, să-l lăsăm să se calmeze și să-l scuturăm în sus și în jos puternic. Vom vedea că a apărut un val, care a alergat de-a lungul izvorului, apoi s-a întors înapoi. Aceasta înseamnă că se reflectă din obstacol. Am observat cum valul s-a propagat de-a lungul izvorului în timp. Particulele izvorului s-au deplasat în sus și în jos în raport cu echilibrul lor, iar valul a mers în stânga și în dreapta. O astfel de undă se numește undă transversală. În ea, direcția de propagare a acesteia este perpendiculară pe direcția de oscilație a particulelor. În cazul nostru, mediul de propagare a undelor a fost un arc.
Acum să întindem arcul, să-l lăsăm să se calmeze și să tragem înainte și înapoi. Vom vedea că spirele arcului sunt comprimate de-a lungul acestuia. Valul merge în aceeași direcție. Într-un loc arcul este mai comprimat, în altul este mai întins. O astfel de undă se numește longitudinală. Direcția de oscilație a particulelor sale coincide cu direcția de propagare.
Să ne imaginăm un mediu dens, de exemplu, un corp rigid. Dacă o deformăm prin forfecare, va apărea o undă. Va apărea datorită forțelor elastice care acționează numai în solide. Aceste forțe joacă rolul de a restabili și de a genera o undă elastică.
Nu puteți deforma un lichid prin forfecare. O undă transversală nu se poate propaga în gaze și lichide. Un alt lucru este longitudinal: se răspândește în toate mediile în care acționează forțele elastice. Într-o undă longitudinală, particulele se apropie unele de altele, apoi se îndepărtează, iar mediul în sine este comprimat și rarefiat.
Mulți oameni cred că lichideleincompresibil, dar nu este cazul. Dacă apăsați pe pistonul seringii cu apă, aceasta se va micșora puțin. În gaze este posibilă și deformarea la compresiune-întindere. Apăsarea pistonului unei seringi goale comprimă aerul.
Viteză și lungime de undă
Să revenim la animația pe care am considerat-o la începutul articolului. Alegem un punct arbitrar pe unul dintre cercurile care se depărtează de bila condiționată și îl urmăm. Punctul se îndepărtează de centru. Viteza cu care se mișcă este viteza crestei undei. Putem concluziona: una dintre caracteristicile undei este viteza undei.
Animația arată că crestele valului sunt situate la aceeași distanță. Aceasta este lungimea de undă - o altă caracteristică a acesteia. Cu cât valurile sunt mai frecvente, cu atât lungimea lor este mai scurtă.
De ce nu orice undă mecanică este sunet
Ia o riglă de aluminiu.
Este plin de avânt, deci este bun pentru experiență. Punem rigla pe marginea mesei si o presam cu mana astfel incat sa iasa puternic. Apăsăm pe marginea ei și o eliberăm brusc - partea liberă va începe să vibreze, dar nu va auzi niciun sunet. Dacă extindeți doar puțin rigla, vibrația marginii scurte va crea un sunet.
Ce arată această experiență? Demonstrează că sunetul apare numai atunci când un corp se mișcă suficient de repede când viteza undei în mediu este mare. Să introducem încă o caracteristică a undei - frecvența. Această valoare arată câte vibrații pe secundă face corpul. Când creăm o undă în aer, sunetul apare în anumite condiții - când este suficientfrecvență în altă.
Este important să înțelegeți că sunetul nu este o undă, deși are legătură cu undele mecanice. Sunetul este senzația care apare atunci când undele sonore (acustice) intră în ureche.
Să revenim la domnitor. Când partea mai mare este extinsă, rigla oscilează și nu scoate niciun sunet. Acest lucru creează un val? Sigur, dar este o undă mecanică, nu o undă sonoră. Acum putem defini o undă sonoră. Aceasta este o undă longitudinală mecanică, a cărei frecvență este în intervalul de la 20 Hz la 20 mii Hz. Dacă frecvența este mai mică de 20 Hz sau mai mare de 20 kHz, atunci nu o vom auzi, deși vor apărea vibrații.
Sursă de sunet
Orice corp oscilant poate fi o sursă de unde acustice, are nevoie doar de un mediu elastic, de exemplu, aer. Nu doar un corp solid poate vibra, ci și un lichid și un gaz. Aerul ca amestec de mai multe gaze poate fi nu numai un mediu de propagare - el însuși este capabil să genereze o undă acustică. Vibrațiile sale sunt cele care stau la baza sunetului instrumentelor de suflat. Flautul sau trompeta nu vibrează. Este aerul care este rarefiat și comprimat, dă o anumită viteză undei, în urma căreia auzim sunetul.
Răspândirea sunetului în diferite medii
Am aflat că sună diferite substanțe: lichide, solide, gazoase. Același lucru este valabil și pentru capacitatea de a conduce o undă acustică. Sunetul se propagă în orice mediu elastic (lichid, solid, gazos), cu excepția vidului. Într-un spațiu gol, să zicem pe lună, nu vom auzi sunetul unui corp care vibrează.
Majoritatea sunetelor percepute de oameni sunt transmise în aer. Peștii, meduzele aud o undă acustică divergentă prin apă. Noi, dacă ne scufundăm sub apă, vom auzi și zgomotul unei bărci cu motor care trece. Mai mult, lungimea de undă și viteza undei vor fi mai mari decât în aer. Aceasta înseamnă că sunetul motorului va fi primul auzit de o persoană care se scufundă sub apă. Pescarul, care stă în barca sa în același loc, va auzi zgomotul mai târziu.
La solide, sunetul circulă și mai bine, iar viteza undelor este mai mare. Dacă îți pui la ureche un obiect dur, în special metal, și apeci pe el, vei auzi foarte bine. Un alt exemplu este propria ta voce. Când ne auzim pentru prima dată discursul, înregistrat anterior pe un înregistrator de voce sau dintr-un videoclip, vocea pare străină. De ce se întâmplă asta? Pentru că în viață auzim nu atât vibrații sonore din gură, cât vibrații ale undelor care trec prin oasele craniului nostru. Sunetul reflectat de aceste obstacole se schimbă oarecum.
Viteza sunetului
Viteza unei unde sonore, dacă luăm în considerare același sunet, va fi diferită în medii diferite. Cu cât mediul este mai dens, cu atât sunetul ajunge mai repede la urechea noastră. Trenul poate merge atât de departe de noi încât zgomotul roților nu se va auzi încă. Cu toate acestea, dacă vă puneți urechea pe șine, putem auzi clar bubuitul.
Acest lucru sugerează că undele sonore se deplasează mai repede în solide decât în aer. Figura arată viteza sunetului în diferite medii.
Ecuația undelor
Viteza, frecvența și lungimea de undă sunt interconectate. Pentru corpurile care vibrează la o frecvență în altă, unda este mai scurtă. Sunetele de joasă frecvență pot fi auzite la o distanță mai mare, deoarece au o lungime de undă mai mare. Există două ecuații de undă. Ele ilustrează interdependența caracteristicilor undelor unele de altele. Cunoscând oricare două mărimi din ecuații, o puteți calcula pe a treia:
с=ν × λ, unde c este viteza, ν este frecvența, λ este lungimea de undă.
Ecuația a doua a undei acustice:
s=λ / T, unde T este perioada, adică timpul pentru care corpul face o oscilație.
