Undele sonore
Am spus deja cititorului o mulțime de informații despre oscilațiilor, ca pendulul oscilează pe o minge de primăvară, care sunt modele de vibrație șir - aceste probleme au fost abordate într-unul din capitolele cărții 1. Noi nu vorbim despre ceea ce se întâmplă în aer sau alt mediu atunci când este prezent în ea corp pendulează. Nu există nici o îndoială că mediul nu poate rămâne indiferentă față de fluctuațiile. Vibrating obiect împinge aerul dislocă particulele de aer ale pozițiilor în care au fost anterior. Se înțelege de asemenea că acest caz nu poate fi limitată doar la influența stratului de aer din apropiere. Corpul comprima cel mai apropiat strat, acest strat împinge următoarea - deci, și strat cu strat, particula a particulei este conținută în întreaga mișcare a aerului înconjurător. Noi spunem că aerul a intrat în starea vibrațională, sau care își au originea vibrații sonore în aer.
Noi numim vibrațiile sonore ale mediului, dar aceasta nu înseamnă că toate undele sonore auzim. Fizica folosește conceptul undelor acustice într-un sens mai larg. Ceea ce am auzit vibrații sonore - acest lucru va fi explicat mai jos.
Este vorba despre aerul pur și simplu, deoarece sunetul este cel mai adesea transmis prin aer. Dar, desigur, nu există proprietăți speciale ale aerului, se întoarse spre el dreptul exclusiv de a face vibrațiile sunetului. vibrații sonore apar în orice mediu capabil în scădere, precum și un organisme incompresibile în natură, aceasta înseamnă că particulele pot fi din orice material în aceste condiții. Doctrina acestor fluctuații sunt numite de obicei acustică.
Atunci când fiecare sunet vibrații medie a aerului a particulelor rămâne în vigoare - se efectuează doar oscilații în jurul poziției sale de echilibru. În cel mai simplu caz, particula de aer poate face o oscilație armonică, care, după cum știm, vine pe legea sine. O astfel de oscilație caracterizată prin deplasarea maximă din poziția de echilibru - amplitudinea și perioada de oscilație, adică timpul necesar pentru a efectua o oscilație completă ...
Pentru a descrie proprietățile vibrațiilor sonore folosesc adesea variațiile de frecvență pe termen decât perioada. Frecvența v = 1 / T este reciproca perioadei. frecvență unitate - secunde inverse (sec-1), dar acest cuvânt nu este comun. Said - al doilea în minus de gradul unu, sau hertzi (Hz). Dacă frecvența de oscilație este de 100 s -1. aceasta înseamnă că într-una, oa doua particule de aer fac 100 oscilații complet. Deoarece fizica au destul de des să se ocupe de frecvențe care sunt de multe ori mai mare herti, unitățile sunt larg kilohertzilor folosit (1kHz = 10 3 Hz) și megahertzi (1 MHz = 10 6 Hz).
Când se trece în poziția de echilibru a oscilante maxime a vitezei particulelor. Dimpotrivă, în pozițiile extreme, viteza de deplasare a particulei este în mod natural zero. Am spus deja că, dacă deplasarea particulelor se supune legii de oscilație armonică, iar fluctuațiile cursului de schimbare ar trebui să fie aceeași lege. Dacă notăm amplitudinea compensate de s0. amplitudinea și viteza prin v0. apoi v0 = 2πs0 / T Go # 957; 0 = 2πvs0. vorbind tare determină particulele de aer să vibreze cu o amplitudine de deplasare de doar câteva milionimi dintr-un centimetru. Valoarea amplitudinii vitezei este de ordinul a 0,02 cm / s.
O altă cantitate fizică importantă care fluctuează odată cu deplasarea și viteza particulei, - această suprapresiune, numită și sunet. fluctuație a aerului de sunet este de compresie alternativă periodică și rarefierea mediului la fiecare punct. Presiunea aerului în orice loc mai mare sau mai mică decât presiunea care a fost în absența sunetului. Acest exces de presiune (sau lipsa) și numit audibil. Presiunea sunetului este o fracțiune foarte mică a presiunii aerului normal. De exemplu nostru - o conversație tare - amplitudinea presiunii sunetului va fi egală cu aproximativ milionime de o atmosferă. Presiunea sunetului este direct proporțională cu fluctuațiile vitezei particulelor, iar raportul dintre aceste mărimi fizice depind numai de proprietățile mediului. De exemplu, presiunea sunetului în aer 1 dyne / cm2 corespunde oscilațiile vitezei de 0,025 cm / s.
String vibratoare în derivațiile sinusurilor drept și particule de aer într-o oscilație armonică. Zgomote și acorduri muzicale duce la o imagine mult mai complexă. Fig. 6.9 prezintă o înregistrare a vibrațiilor sonore, și anume presiunea sunetului în funcție de timp. Această curbă este un pic ca o undă sinusoidală. Se pare, totuși, că orice oscilație în mod arbitrar complex poate fi reprezentat ca o superpoziție de unul la celălalt un număr mare de unde sinusoidale cu diferite amplitudini și frecvențe. Aceste vibratii simple, se spune că pentru a face spectrul vibrațiilor complexe. Pentru un exemplu simplu este adăugarea de vibrații este prezentat în Fig. 6.10.
În cazul în care sunetul este răspândit instantaneu, toate particulele din aer au variat ca unul. Dar sunetul nu se transmite instantaneu, iar volumele de aer, situată pe linia de propagare, sunt puse în mișcare la un moment dat, așa cum ar fi fost luat de valuri care vin de la sursa. În același mod o așchie se află în liniște pe apă atâta timp cât valurile de apă circulare dintr-o pietricică aruncată nu o prind, și nu va duce la oscilație.
Ne oprim atenția asupra unuia dintre comportamentul particulelor oscilant și se compară cu mișcarea altor particule, situată pe aceeași linie de sunet. Particulele adiacente vin în leagăn un pic mai târziu, în următorii - chiar mai târziu. Întârzierea va crește, până când în cele din urmă, ne vom întâlni cu particula, se află în spatele printr-o perioadă și, prin urmare, vibreaza în timp cu originalul. Până în prezent, în urmă pe întreaga gamă de alergător de rău poate trece linia de sosire, în același timp cu liderul. La ce distanță întâlnim un oscilanta punct în timp cu originalul? Nu este greu să ne dăm seama ce este distanța # 955; egală cu produsul dintre viteza sunetului cu perioada de oscilație T. distanța # 955; numita lungime de undă:
prin golurile # 955; ne vom întâlni fluctuante în timp, până la punctul. Punctele situate la o distanță # 955; / 2. va face mișcarea unuia față de celălalt ca un obiect, un oscilant perpendicular oglinzii în raport cu imaginea sa.
Dacă reprezentăm deplasarea (sau a vitezei sau a presiunii sunetului), toate punctele situate pe linia de propagare a sunetului armonic, apoi se întoarce din nou sinusoidă.
A nu se confunda diagramele de mișcare a valurilor și vibrații. Fig. 6.11 și 6.12 sunt foarte similare, dar prima axă orizontală reprezintă distanța, iar al doilea - timpul. O singură cifră este o fluctuație de bază de timp, iar celălalt - instantaneu „imagine“ a undei. Dintr-o comparație a acestor cifre arată că lungimea de undă poate fi, de asemenea, numită perioadă spațială: rolul T în timp de joc valoare spațiu # 955;.
Figura deplasarea undei acustice a particulelor sunt reprezentate grafic de-a lungul verticală și direcția de propagare a undei, de-a lungul căreia se măsoară distanța este orizontală. Acest lucru ar putea duce la ideea greșită că particulele se mișcă perpendicular pe direcția de propagare a undei. De fapt, particulele de aer oscila mereu de-a lungul direcției de sunet. O astfel de undă se numește longitudinal.
Lumina călătorește mult mai repede decât sunetul - aproape instantaneu. Tunete și fulgere se întâmplă în același timp, dar fulgerul ne vedem la momentul apariției sale, iar sunetul de tunet vine la noi, la o viteză de aproximativ un kilometru în trei secunde (viteza sunetului în aer este de 330 m / s). Deci, atunci când auzi tunete, fulgere pericolul a trecut.
Cunoscând viteza sunetului, puteți determina, de obicei, cât de departe trece furtuna. Dacă din momentul fulger la tunete au trecut 12, aceasta înseamnă că furtuna departe timp de 4 km.
Viteza sunetului în gazele este aproximativ egală cu viteza medie a moleculelor de gaz. De asemenea, depinde de densitatea gazului și este proporțională cu rădăcina pătrată a temperaturii absolute. Lichide efectueze sunet mai repede decât de gaz. În apă, sunetul se deplasează cu o viteză de 1450 m / s. t. e. de 4,5 ori mai rapid decât aerul. Viteza chiar mai mult de sunet în solide, cum ar fi fier - aproximativ 6000 m / s.
Când sunetul trece de la un mediu în altul, schimbarea vitezei sale de propagare. Dar, în același timp, există un alt fenomen interesant - o reflectare parțială a sunetului de la granița dintre cele două medii. Ce proporție de sunet reflectat - aceasta depinde în principal de raportul de densitate. În cazul incidenței sunetului din aer suprafață solidă sau lichidă sau, invers, din mediul dens sunetul aerului este reflectată aproape complet. Când sunetul intră în apă din aer sau, invers, apă în aer, apoi se trece în al doilea mediu de numai 1 / 1000th de putere a sunetului. Dacă atât mediul dens ^ este raportul dintre trecerea și sunetul reflectat poate fi mic. De exemplu, apa din oțel sau din oțel să aibă loc în 13% apă și 87% sunetul reflectat.
Fenomenul de reflexie a sunetului este utilizat pe scară largă în navigație. Ea se bazează dispozitivul de măsurare a adâncimii dispozitivului - sonar. La o parte a sursei de sunet subacvatice navă este plasată (fig. 6.13). pocnet produce grinzi de sunet, care proberutsya prin coloana de apă pe fundul mării sau de râu, reflectată din partea de jos, iar unele dintre sunetul va reveni la navă, în cazul în care dispozitivele sale de captare sensibile. ore exacte va indica cât de mult timp a luat sunetul în această călătorie. Viteza sunetului în apă este cunoscută, și un calcul simplu, puteți obține informații exacte cu privire la adâncimea.
Direcționarea sunetului este în jos și înainte sau în lateral, este posibil cu ajutorul lui a determina dacă există o navă despre roci subacvatice periculoase sau iceberguri adânc scufundate. Toate particulele de aer din jurul corpului de sondare sunt într-o stare de vibrație. Așa cum am explicat în cartea 1, fluctuante conform legii punctului material de sine are o energie totală definită și constantă.
Atunci când punctul oscilant trece în poziția de echilibru, viteza sa este maximizată. Deoarece deplasarea punctului în acest moment este egal cu zero, toată energia cinetică se reduce la:
Prin urmare, energia totală este proporțională cu pătratul valorii amplitudinii fluctuației vitezei.
Acest lucru este valabil și pentru particulele de aer din unda de sunet oscilant. Cu toate acestea, particulele de aer - este ceva nedefinit. Prin urmare, energia de sunet se face referire la unitatea de volum. Această valoare poate fi numită o densitate de energie sonică.
Deoarece masa pe unitatea de volum este densitatea # 961;, atunci densitatea de energie a sunetului
Am vorbit mai sus despre o altă mărime fizică importantă, oscilând legea sine pe aceeași frecvență ca viteza. Acesta este - sunetul sau suprapresiunea. Deoarece aceste valori sunt proporționale, atunci putem spune că densitatea de energie este proporțională cu pătratul valorii amplitudinii presiunii sunetului.
Amplitudinea vibrațiilor sonore ale vitezei de vorbire cu voce tare este egal cu 0,02 cm / s. 1 cm3 de aer are o greutate de aproximativ 0,001 g Astfel, densitatea de energie egală
Lăsați sursa de sunet variază. El studiază energia acustică în aerul înconjurător. Energia deoarece „curge“ din corpul de sondare. Prin fiecare pad fiind perpendicular pe linia de sunet pentru un moment se produce o anumită cantitate de energie. Această valoare se numește fluxul de energie, care a trecut prin zona. În cazul în care, în plus, să ia pad de 1 cm 2. cantitatea scursă de energie se numește intensitatea undei sonore.
Este ușor de observat că intensitatea sunetului I este egală cu produsul de densitate a energiei w pe sunet viteza c. Reprezintă cilindrul de 1 cm înălțime și 1 cm suprafață a bazei 2. Generatoarele sunt paralele cu direcția de propagare a sunetului. Conținute în cilindru w astfel de energie este lăsa complet în momentul 1 / s. Astfel, energia pe unitatea de suprafață w / (1 / c) să aibă loc în unitatea de timp. m. f. w c. Energia ca în cazul în care se deplasează cu viteza sunetului.
În timpul conversației cu voce tare de intensitate a sunetului aproape de interlocutori vor fi aproximativ egal cu (vom folosi numărul obținut mai sus)