Unda sonoră: formulă, proprietăți. Surse de unde sonore

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Unda sonoră este un proces ondulatoriu care are loc în mediile gazoase, lichide și solide, care, atunci când ajunge la organele auzului uman, este perceput de acestea ca sunet. Frecvența acestor unde se află în intervalul de la 20 la 20.000 de oscilații pe secundă. Oferim formule pentru o undă sonoră și luăm în considerare proprietățile acesteia mai detaliat.

De ce există o undă sonoră?

Mulți oameni se întreabă ce este o undă sonoră. Natura sunetului constă în apariția unei perturbări într-un mediu elastic. De exemplu, atunci când apare o perturbare a presiunii sub formă de compresie într-un anumit volum de aer, această zonă tinde să se răspândească în spațiu. Acest proces duce la comprimarea aerului în zonele adiacente sursei, care, de asemenea, tind să se extindă. Acest proces acoperă din ce în ce mai mult spațiu până când ajunge la un receptor, de exemplu, urechea umană.

Caracteristicile generale ale undelor sonore

Să luăm în considerare ce este o undă sonoră și cum este percepută de urechea umană. Unda de suneteste longitudinală, acesta, când intră în învelișul urechii, provoacă vibrații ale timpanului cu o anumită frecvență și amplitudine. De asemenea, puteți reprezenta aceste fluctuații ca modificări periodice ale presiunii în microvolumul de aer adiacent membranei. În primul rând, crește în raport cu presiunea atmosferică normală, apoi scade, respectând legile matematice ale mișcării armonice. Amplitudinea modificărilor compresiei aerului, adică diferența dintre presiunea maximă sau minimă creată de o undă sonoră, cu presiunea atmosferică este proporțională cu amplitudinea undei sonore în sine.

Multe experimente fizice au arătat că presiunea maximă pe care urechea umană o poate percepe fără a o afecta este de 2800 µN/cm². Pentru comparație, să presupunem că presiunea atmosferică de lângă suprafața pământului este de 10 milioane µN/cm^{2. Având în vedere proporționalitatea presiunii și amplitudinea oscilației, putem spune că această din urmă valoare este nesemnificativă chiar și pentru undele cele mai puternice. Dacă vorbim despre lungimea unei unde sonore, atunci pentru o frecvență de 1000 de vibrații pe secundă, aceasta va fi o miime de centimetru.}

Cele mai slabe sunete creează fluctuații de presiune de ordinul a 0,001µN/cm², amplitudinea corespunzătoare a oscilației undei pentru o frecvență de 1000 Hz este de 10^{- 9}cm, în timp ce diametrul mediu al moleculelor de aer este de 10^{-8 cm, adică urechea umană este un organ extrem de sensibil.}

Conceptul de intensitate a undelor sonore

Cu geometricDin punctul de vedere al undelor sonore, este o vibrație de o anumită formă, din punct de vedere fizic, principala proprietate a undelor sonore este capacitatea lor de a transfera energie. Cel mai important exemplu de transfer de energie valurilor este soarele, ale cărui unde electromagnetice radiate furnizează energie întregii noastre planete.

Intensitatea unei unde sonore în fizică este definită ca cantitatea de energie transportată de o undă printr-o unitate de suprafață, care este perpendiculară pe propagarea undei și pe unitatea de timp. Pe scurt, intensitatea unui val este puterea sa transferată printr-o unitate de suprafață.

Puterea undelor sonore este de obicei măsurată în decibeli, care se bazează pe o scară logaritmică, convenabilă pentru analiza practică a rezultatelor.

Intensitatea diferitelor sunete

Următoarea scară de decibeli oferă o idee despre semnificația diferitelor intensități ale sunetului și senzațiile pe care le provoacă:

pragul pentru senzații neplăcute și incomode începe de la 120 decibeli (dB);
ciocanul de nituire generează zgomot de 95 dB;
tren de mare viteză - 90 dB;
stradă de trafic - 70 dB;
volumul unei conversații normale între persoane este de 65 dB;
Mașina modernă care se deplasează la viteze moderate generează zgomot de 50 dB;
volum mediu radio - 40 dB;
conversație liniștită - 20 dB;
zgomot al frunzișului copacului - 10 dB;
Pragul minim de sensibilitate a sunetului uman este aproape de 0 dB.

Sensibilitatea urechii umane depinde defrecvența sunetului și este valoarea maximă pentru undele sonore cu o frecvență de 2000-3000 Hz. Pentru un sunet în acest interval de frecvență, pragul inferior al sensibilității umane este 10-5 dB. Frecvențele mai mari și mai mici decât intervalul specificat duc la o creștere a pragului de sensibilitate mai scăzut, astfel încât o persoană să audă frecvențe apropiate de 20 Hz și 20.000 Hz doar la intensitatea lor de câteva zeci de dB.

În ceea ce privește pragul superior de intensitate, după care sunetul începe să provoace neplăceri unei persoane și chiar durere, trebuie spus că practic nu depinde de frecvență și se află în intervalul 110-130 dB.

Caracteristicile geometrice ale unei unde sonore

O undă sonoră reală este un pachet oscilator complex de unde longitudinale, care poate fi descompus în vibrații armonice simple. Fiecare astfel de oscilație este descrisă din punct de vedere geometric de următoarele caracteristici:

Amplitudine - abaterea maximă a fiecărei secțiuni a undei de la echilibru. Pentru această valoare, denumirea A.
Perioadă. Acesta este timpul necesar unui val simplu pentru a-și finaliza oscilația completă. După acest timp, fiecare punct al undei începe să-și repete procesul oscilator. Perioada este de obicei indicată cu litera T și măsurată în secunde în sistemul SI.
Frecvență. Aceasta este o mărime fizică care arată câte oscilații face o anumită undă pe secundă. Adică, în sensul său, este o valoare inversă perioadei. Este notat cu litera latină f. Pentru frecvența unei unde sonore, formula pentru determinarea acesteia printr-o perioadă este următoarea: f=1/T.
Lungimea unui val este distanța pe care o parcurge într-o perioadă de oscilație. Din punct de vedere geometric, lungimea de undă este distanța dintre două maxime cele mai apropiate sau două minime cele mai apropiate pe o curbă sinusoidală. Lungimea de oscilație a unei unde sonore este distanța dintre cele mai apropiate zone de compresie a aerului sau cele mai apropiate locuri de rarefacție a acesteia în spațiul în care se mișcă unda. Este de obicei notat cu litera greacă λ.
Viteza de propagare a undei sonore este distanța pe care se propagă aria de compresie sau aria de rarefacție a undei pe unitatea de timp. Această valoare este indicată de litera v. Pentru viteza unei unde sonore, formula este: v=λf.

Geometria unei unde sonore pure, adică a unei undă de puritate constantă, se supune unei legi sinusoidale. În cazul general, formula unei unde sonore este: y=Asin(ωt), unde y este valoarea coordonatei unui punct dat al undei, t este timpul, ω=2pif este frecvența de oscilație ciclică.

Sunet aperiodic

Multe surse de sunet pot fi considerate periodice, de exemplu, sunetul de la instrumente muzicale precum chitara, pianul, flautul, dar există și un număr mare de sunete în natură care sunt aperiodice, adică vibrațiile sonore se modifică frecvența și forma lor în spațiu. Din punct de vedere tehnic, acest tip de sunet se numește zgomot. luminosexemple de sunet aperiodic sunt zgomotul urban, sunetul mării, sunetele de la instrumente de percuție, cum ar fi o tobă și altele.

Mediu de propagare a sunetului

Spre deosebire de radiațiile electromagnetice, ai căror fotoni nu au nevoie de niciun mediu material pentru propagarea lor, natura sunetului este de așa natură încât este nevoie de un anumit mediu pentru propagarea lui, adică, conform legilor fizicii, undele sonore nu pot. se propagă în vid.

Sunetul poate călători prin gaze, lichide și solide. Principalele caracteristici ale unei unde sonore care se propagă într-un mediu sunt următoarele:

val se propagă liniar;
se răspândește în mod egal în toate direcțiile într-un mediu omogen, adică sunetul diverge de la sursă, formând o suprafață sferică perfectă.
indiferent de amplitudinea și frecvența sunetului, undele acestuia se propagă cu aceeași viteză într-un mediu dat.

Viteza undelor sonore în diverse medii

Viteza de propagare a sunetului depinde de doi factori principali: mediul în care se mișcă unda și temperatura. În general, se aplică următoarea regulă: cu cât mediul este mai dens și cu cât temperatura acestuia este mai mare, cu atât sunetul se mișcă mai repede în el.

De exemplu, viteza de propagare a unei unde sonore în aer lângă suprafața pământului la o temperatură de 20 ℃ și o umiditate de 50% este de 1235 km/h sau 343 m/s. Atunci, în apă la o anumită temperatură, sunetul circulă de 4,5 ori mai repedesunt aproximativ 5735 km/h sau 1600 m/s. În ceea ce privește dependența vitezei sunetului de temperatura din aer, aceasta crește cu 0,6 m/s cu o creștere a temperaturii pentru fiecare grad Celsius.

Timbre și ton

Dacă o sfoară sau o placă metalică i se permite să vibreze liber, va produce sunete de diferite frecvențe. Este foarte rar să găsiți un corp care să emită un sunet cu o anumită frecvență, de obicei sunetul unui obiect are un set de frecvențe într-un anumit interval.

Timbrul unui sunet este determinat de numărul de armonici prezente în acesta și de intensitățile lor respective. Timbre este o valoare subiectivă, adică este percepția unui obiect care sună de către o anumită persoană. Timbre este de obicei caracterizat de următoarele adjective: în alt, strălucitor, sonor, melodic și așa mai departe.

Tonul este o senzație sonoră care îi permite să fie clasificat ca în alt sau scăzut. Această valoare este, de asemenea, subiectivă și nu poate fi măsurată de niciun instrument. Tonul este asociat cu o cantitate obiectivă - frecvența unei unde sonore, dar nu există o relație clară între ele. De exemplu, pentru un sunet cu o singură frecvență de intensitate constantă, tonul crește pe măsură ce frecvența crește. Dacă frecvența sunetului rămâne constantă, dar intensitatea acestuia crește, atunci tonul devine mai scăzut.

Forma surselor de sunet

În funcție de forma corpului care vibrează mecanic și, prin urmare, generează sunet, există trei tipuri principale de surse de unde sonore:

Sursă punctuală. Produce unde sonore care au formă sferică și se degradează rapid odată cu distanța de la sursă (aproximativ 6 dB dacă distanța de la sursă este dublată).
Sursă de linie. Creează unde cilindrice a căror intensitate scade mai lent decât de la o sursă punctuală (la fiecare dublare a distanței de la sursă, intensitatea scade cu 3 dB).
O sursă plată sau bidimensională. Acesta generează valuri doar într-o anumită direcție. Un exemplu de astfel de sursă ar fi un piston care se mișcă într-un cilindru.

Surse electronice de sunet

Pentru a crea o undă sonoră, sursele electronice folosesc o membrană specială (difuzor), care efectuează vibrații mecanice datorate fenomenului de inducție electromagnetică. Aceste surse includ următoarele: