Κάντε ηχητικά κύματα. Γιατί εμφανίζεται ένα ηχητικό κύμα; Ηχητικός ήχος του βάθους

Ο ήχος είναι ηχητικά κύματα που προκαλούν δονήσεις των μικρότερων σωματιδίων αέρα, άλλων αερίων, καθώς και υγρών και στερεών μέσων. Ο ήχος μπορεί να εμφανιστεί μόνο όπου υπάρχει ύλη, ανεξάρτητα από την κατάσταση της ύλης που βρίσκεται. Σε ένα κενό, όπου δεν υπάρχει μέσο, ​​ο ήχος δεν διαδίδεται, γιατί δεν υπάρχουν σωματίδια που να λειτουργούν ως διαδότες ηχητικών κυμάτων. Για παράδειγμα, στο διάστημα. Ο ήχος μπορεί να τροποποιηθεί, να τροποποιηθεί, να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας. Έτσι, ο ήχος που μετατρέπεται σε ραδιοκύματα ή ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταδοθεί σε αποστάσεις και να καταγραφεί σε μέσα ενημέρωσης.

Ηχητικό κύμα

Οι κινήσεις αντικειμένων και σωμάτων προκαλούν σχεδόν πάντα δονήσεις στο περιβάλλον. Δεν έχει σημασία αν είναι νερό ή αέρας. Στη διαδικασία αυτού, τα σωματίδια του μέσου, στο οποίο μεταδίδονται οι κραδασμοί του σώματος, αρχίζουν επίσης να ταλαντώνονται. Δημιουργούνται ηχητικά κύματα. Επιπλέον, οι κινήσεις πραγματοποιούνται προς τις κατευθύνσεις προς τα εμπρός και προς τα πίσω, αντικαθιστώντας προοδευτικά η μία την άλλη. Επομένως, το ηχητικό κύμα είναι διαμήκη. Ποτέ σε αυτό δεν υπάρχει εγκάρσια κίνηση πάνω-κάτω.

Χαρακτηριστικά των ηχητικών κυμάτων

Όπως κάθε φυσικό φαινόμενο, έχουν τις δικές τους τιμές, με τις οποίες μπορείτε να περιγράψετε τις ιδιότητες. Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός ηχητικού κύματος είναι η συχνότητα και το πλάτος του. Η πρώτη τιμή δείχνει πόσα κύματα σχηματίζονται ανά δευτερόλεπτο. Το δεύτερο καθορίζει την ένταση του κύματος. Οι ήχοι χαμηλής συχνότητας έχουν τιμές χαμηλής συχνότητας και το αντίστροφο. Η συχνότητα του ήχου μετριέται σε Hertz και αν ξεπεράσει τα 20.000 Hz, τότε γίνεται υπερηχογράφημα. Υπάρχουν αρκετά παραδείγματα ήχων χαμηλής και υψηλής συχνότητας στη φύση και στον κόσμο γύρω μας. Το κελάηδισμα ενός αηδονιού, οι βροντές, ο βρυχηθμός ενός ορεινού ποταμού και άλλα είναι όλα διαφορετικές ηχητικές συχνότητες. Η τιμή του πλάτους του κύματος εξαρτάται άμεσα από το πόσο δυνατός είναι ο ήχος. Η ένταση, με τη σειρά της, μειώνεται καθώς απομακρύνεστε από την πηγή ήχου. Αντίστοιχα, το πλάτος είναι όσο μικρότερο, τόσο πιο μακριά από το επίκεντρο είναι το κύμα. Με άλλα λόγια, το πλάτος ενός ηχητικού κύματος μειώνεται με την απόσταση από την πηγή ήχου.

Ταχύτητα ήχου

Αυτός ο δείκτης ενός ηχητικού κύματος εξαρτάται άμεσα από τη φύση του μέσου στο οποίο διαδίδεται. Η υγρασία και η θερμοκρασία παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο εδώ. Σε μέσες καιρικές συνθήκες, η ταχύτητα του ήχου είναι περίπου 340 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Στη φυσική, υπάρχει κάτι όπως η υπερηχητική ταχύτητα, η οποία είναι πάντα μεγαλύτερη σε αξία από την ταχύτητα του ήχου. Αυτή είναι η ταχύτητα με την οποία διαδίδονται τα ηχητικά κύματα όταν το αεροσκάφος κινείται. Το αεροσκάφος ταξιδεύει με υπερηχητικές ταχύτητες και μάλιστα ξεπερνά τα ηχητικά κύματα που δημιουργούνται από αυτό. Λόγω της σταδιακής αύξησης της πίεσης πίσω από το αεροσκάφος, σχηματίζεται ένα ωστικό ηχητικό κύμα. Ένα ενδιαφέρον και λίγοι άνθρωποι γνωρίζουν τη μονάδα μέτρησης μιας τέτοιας ταχύτητας. Λέγεται Mach. 1 Mach ισούται με την ταχύτητα του ήχου. Εάν το κύμα κινείται με ταχύτητα 2 Mach, τότε ταξιδεύει δύο φορές πιο γρήγορα από την ταχύτητα του ήχου.

Θόρυβοι

Υπάρχουν συνεχείς θόρυβοι στην καθημερινή ζωή. Το επίπεδο θορύβου μετριέται σε ντεσιμπέλ. Η κίνηση των αυτοκινήτων, ο αέρας, το θρόισμα των φύλλων, το πλέξιμο των φωνών των ανθρώπων και άλλοι ήχοι είναι οι καθημερινοί μας σύντροφοι. Όμως ο ανθρώπινος ακουστικός αναλυτής έχει την ικανότητα να συνηθίσει σε τέτοιους θορύβους. Υπάρχουν όμως και τέτοια φαινόμενα που ακόμη και οι προσαρμοστικές ικανότητες του ανθρώπινου αυτιού δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν. Για παράδειγμα, ο θόρυβος που υπερβαίνει τα 120 dB μπορεί να προκαλέσει αίσθηση πόνου. Το πιο δυνατό ζώο είναι η μπλε φάλαινα. Όταν κάνει ήχους, ακούγεται σε απόσταση μεγαλύτερη από 800 χιλιόμετρα.

Ηχώ

Πώς εμφανίζεται η ηχώ; Όλα είναι πολύ απλά εδώ. Το ηχητικό κύμα έχει την ικανότητα να ανακλάται από διαφορετικές επιφάνειες: από νερό, από βράχους, από τοίχους σε ένα άδειο δωμάτιο. Αυτό το κύμα επιστρέφει σε εμάς, έτσι ακούμε δευτερεύοντα ήχο. Δεν είναι τόσο καθαρό όσο το αρχικό, αφού μέρος της ενέργειας του ηχητικού κύματος διαχέεται όταν κινείται προς το εμπόδιο.

Ηχοεντοπισμό

Η αντανάκλαση του ήχου χρησιμοποιείται για διάφορους πρακτικούς σκοπούς. Για παράδειγμα, ηχοεντοπισμός. Βασίζεται στο γεγονός ότι με τη βοήθεια υπερηχητικών κυμάτων είναι δυνατό να προσδιοριστεί η απόσταση από το αντικείμενο από το οποίο ανακλώνται αυτά τα κύματα. Οι υπολογισμοί γίνονται με μέτρηση του χρόνου για τον οποίο ο υπέρηχος θα φτάσει στο σημείο και θα επιστρέψει πίσω. Πολλά ζώα έχουν την ικανότητα να ηχολογούν. Για παράδειγμα, νυχτερίδες, δελφίνια το χρησιμοποιούν για να αναζητήσουν τροφή. Το Echolocation βρήκε άλλη εφαρμογή στην ιατρική. Σε μελέτες που χρησιμοποιούν υπερήχους, σχηματίζεται μια εικόνα των εσωτερικών οργάνων ενός ατόμου. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι ο υπέρηχος, εισερχόμενος σε ένα μέσο εκτός του αέρα, επιστρέφει πίσω, σχηματίζοντας έτσι μια εικόνα.

Ηχητικά κύματα στη μουσική

Γιατί τα μουσικά όργανα παράγουν συγκεκριμένους ήχους; Επιλογές κιθάρας, μελωδίες πιάνου, χαμηλοί τόνοι ντραμς και τρομπέτες, μια γοητευτική λεπτή φωνή ενός φλάουτου. Όλοι αυτοί και πολλοί άλλοι ήχοι οφείλονται σε δονήσεις στον αέρα ή, με άλλα λόγια, λόγω της εμφάνισης ηχητικών κυμάτων. Γιατί όμως ο ήχος των μουσικών οργάνων είναι τόσο διαφορετικός; Αποδεικνύεται ότι εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Το πρώτο είναι το σχήμα του οργάνου, το δεύτερο είναι το υλικό από το οποίο είναι φτιαγμένο.

Ας ρίξουμε μια ματιά στο παράδειγμα των έγχορδων οργάνων. Γίνονται η πηγή του ήχου όταν αγγίζονται οι χορδές. Ως αποτέλεσμα, αρχίζουν να παράγουν δονήσεις και να στέλνουν διαφορετικούς ήχους στο περιβάλλον. Ο χαμηλός ήχος οποιουδήποτε έγχορδου οργάνου οφείλεται στο μεγαλύτερο πάχος και μήκος της χορδής, καθώς και στην αδυναμία της τάσης της. Αντίθετα, όσο πιο δυνατή είναι η χορδή που τεντώνεται, όσο πιο λεπτή και κοντή είναι, τόσο υψηλότερος είναι ο ήχος που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της αναπαραγωγής.

Δράση μικροφώνου

Βασίζεται στη μετατροπή της ενέργειας των ηχητικών κυμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, η τρέχουσα ισχύς και η φύση του ήχου είναι σε ευθεία αναλογία. Μέσα σε οποιοδήποτε μικρόφωνο υπάρχει μια λεπτή πλάκα από μέταλλο. Όταν εκτίθεται στον ήχο, αρχίζει να κάνει ταλαντευτικές κινήσεις. Η σπείρα στην οποία είναι συνδεδεμένη η πλάκα δονείται επίσης, με αποτέλεσμα ηλεκτρικό ρεύμα. Γιατί εμφανίζεται; Αυτό συμβαίνει γιατί το μικρόφωνο έχει και ενσωματωμένους μαγνήτες. Όταν η σπείρα δονείται μεταξύ των πόλων της, σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο πηγαίνει κατά μήκος της σπείρας και στη συνέχεια στη στήλη ήχου (μεγάφωνο) ή στον εξοπλισμό εγγραφής σε ένα μέσο πληροφοριών (σε κασέτα, δίσκο, υπολογιστή). Παρεμπιπτόντως, μια παρόμοια δομή έχει μικρόφωνο στο τηλέφωνο. Πώς λειτουργούν όμως τα μικρόφωνα σε σταθερά και κινητά τηλέφωνα; Η αρχική φάση είναι η ίδια γι 'αυτούς - ο ήχος μιας ανθρώπινης φωνής μεταδίδει τους κραδασμούς της στην πλάκα του μικροφώνου, τότε όλα ακολουθούν το σενάριο που περιγράφεται παραπάνω: μια σπείρα που κλείνει δύο πόλους όταν κινείται, δημιουργείται ένα ρεύμα. Τι έπεται? Με ένα σταθερό τηλέφωνο, όλα είναι λίγο-πολύ καθαρά - όπως σε ένα μικρόφωνο, ο ήχος, που μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα, περνάει μέσα από τα καλώδια. Τι γίνεται όμως με ένα κινητό ή, για παράδειγμα, ένα φορητό ραδιόφωνο; Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο ήχος μετατρέπεται σε ενέργεια ραδιοκυμάτων και χτυπά τον δορυφόρο. Αυτό είναι όλο.

Φαινόμενο συντονισμού

Μερικές φορές τέτοιες συνθήκες δημιουργούνται όταν το πλάτος των ταλαντώσεων του φυσικού σώματος αυξάνεται απότομα. Αυτό οφείλεται στη σύγκλιση των τιμών της συχνότητας των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων και της φυσικής συχνότητας των ταλαντώσεων του αντικειμένου (σώματος). Η αντήχηση μπορεί να είναι και ευεργετική και επιβλαβής. Για παράδειγμα, για να σωθεί ένα αυτοκίνητο από μια τρύπα, ξεκινά και σπρώχνεται μπρος-πίσω για να προκαλέσει συντονισμό και να δώσει ορμή στο αυτοκίνητο. Υπήρχαν όμως και περιπτώσεις αρνητικών συνεπειών του συντονισμού. Για παράδειγμα, στην Αγία Πετρούπολη, πριν από περίπου εκατό χρόνια, μια γέφυρα κατέρρευσε κάτω από συγχρονισμένους στρατιώτες που βαδίζουν.

Αυτό το μάθημα καλύπτει το θέμα "Ηχητικά κύματα". Σε αυτό το μάθημα θα συνεχίσουμε να μελετάμε την ακουστική. Αρχικά, επαναλαμβάνουμε τον ορισμό των ηχητικών κυμάτων, στη συνέχεια εξετάζουμε το εύρος συχνοτήτων τους και εξοικειωνόμαστε με την έννοια των υπερηχητικών και υπερηχητικών κυμάτων. Θα συζητήσουμε επίσης τις ιδιότητες των ηχητικών κυμάτων σε διάφορα μέσα και θα μάθουμε ποια χαρακτηριστικά έχουν. .

Ηχητικά κύματα -Πρόκειται για μηχανικούς κραδασμούς που, διαδίδοντας και αλληλεπιδρώντας με το όργανο ακοής, γίνονται αντιληπτοί από ένα άτομο (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Ηχητικό κύμα

Το τμήμα που ασχολείται με αυτά τα κύματα στη φυσική ονομάζεται ακουστική. Το επάγγελμα των ανθρώπων που κοινώς αποκαλούνται «ακροατές» είναι η ακουστική. Ένα ηχητικό κύμα είναι ένα κύμα που διαδίδεται σε ένα ελαστικό μέσο, ​​είναι ένα διαμήκη κύμα και όταν διαδίδεται σε ένα ελαστικό μέσο, ​​η συμπίεση και η αραίωση εναλλάσσονται. Μεταδίδεται με την πάροδο του χρόνου σε απόσταση (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Διάδοση ηχητικού κύματος

Τα ηχητικά κύματα περιλαμβάνουν τέτοιους κραδασμούς που εκτελούνται με συχνότητα από 20 έως 20.000 Hz. Αυτές οι συχνότητες αντιστοιχούν σε μήκη κύματος 17 m (για 20 Hz) και 17 mm (για 20.000 Hz). Αυτή η περιοχή θα ονομάζεται ακουστικός ήχος. Αυτά τα μήκη κύματος δίνονται για τον αέρα, η ταχύτητα διάδοσης του ήχου στον οποίο είναι ίση με.

Υπάρχουν επίσης τέτοιες σειρές στις οποίες ασχολούνται οι ακουστικοί - υπέρηχοι και υπέρηχοι. Infrasonic είναι αυτά που έχουν συχνότητα μικρότερη από 20 Hz. Και τα υπερηχητικά είναι αυτά που έχουν συχνότητα μεγαλύτερη από 20.000 Hz (Εικ. 3).

Ρύζι. 3. Εύρος ηχητικών κυμάτων

Κάθε μορφωμένος άνθρωπος θα πρέπει να καθοδηγείται στο εύρος συχνοτήτων των ηχητικών κυμάτων και να γνωρίζει ότι αν πάει για υπερηχογράφημα, τότε η εικόνα στην οθόνη του υπολογιστή θα κατασκευαστεί με συχνότητα μεγαλύτερη από 20.000 Hz.

υπερηχογράφημα -Πρόκειται για μηχανικά κύματα παρόμοια με τα ηχητικά κύματα, αλλά με συχνότητα από 20 kHz έως ένα δισεκατομμύριο Hertz.

Τα κύματα με συχνότητα μεγαλύτερη από ένα δισεκατομμύριο Hertz ονομάζονται υπερηχητικός.

Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ελαττωμάτων στα χυτά μέρη. Μια ροή σύντομων σημάτων υπερήχων κατευθύνεται στο εξεταζόμενο τμήμα. Σε εκείνα τα σημεία όπου δεν υπάρχουν ελαττώματα, τα σήματα περνούν από το εξάρτημα χωρίς να καταχωρούνται από τον δέκτη.

Εάν υπάρχει ρωγμή, κοιλότητα αέρα ή άλλη ανομοιογένεια στο εξάρτημα, τότε το σήμα υπερήχων αντανακλάται από αυτό και, επιστρέφοντας, εισέρχεται στον δέκτη. Μια τέτοια μέθοδος ονομάζεται ανίχνευση ελαττωμάτων με υπερήχους.

Άλλα παραδείγματα χρήσης υπερήχων είναι τα μηχανήματα υπερήχων, τα μηχανήματα υπερήχων, η θεραπεία με υπερήχους.

Υπόηχος -μηχανικά κύματα παρόμοια με τα ηχητικά κύματα, αλλά με συχνότητα μικρότερη από 20 Hz. Δεν γίνονται αντιληπτά από το ανθρώπινο αυτί.

Φυσικές πηγές υπερηχητικών κυμάτων είναι οι καταιγίδες, τα τσουνάμι, οι σεισμοί, οι τυφώνες, οι ηφαιστειακές εκρήξεις, οι καταιγίδες.

Οι υπέρηχοι είναι επίσης σημαντικά κύματα που χρησιμοποιούνται για τη δόνηση της επιφάνειας (για παράδειγμα, για την καταστροφή ορισμένων μεγάλων αντικειμένων). Εκτοξεύουμε τον υπέρηχο στο έδαφος - και το χώμα συνθλίβεται. Πού χρησιμοποιείται αυτό; Για παράδειγμα, σε ορυχεία διαμαντιών, όπου παίρνουν μετάλλευμα που περιέχει συστατικά διαμαντιών και το συνθλίβουν σε μικρά σωματίδια για να βρουν αυτά τα εγκλείσματα διαμαντιών (Εικ. 4).

Ρύζι. 4. Εφαρμογή του υπέρηχου

Η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τη θερμοκρασία (Εικ. 5).

Ρύζι. 5. Ταχύτητα διάδοσης ηχητικών κυμάτων σε διάφορα μέσα

Παρακαλώ σημειώστε: στον αέρα, η ταχύτητα του ήχου είναι ίση με , ενώ η ταχύτητα αυξάνεται κατά . Εάν είστε ερευνητής, τότε μια τέτοια γνώση μπορεί να σας φανεί χρήσιμη. Μπορεί ακόμη και να βρείτε κάποιο είδος αισθητήρα θερμοκρασίας που θα ανιχνεύει τις διαφορές θερμοκρασίας αλλάζοντας την ταχύτητα του ήχου στο μέσο. Γνωρίζουμε ήδη ότι όσο πιο πυκνό είναι το μέσο, ​​όσο πιο σοβαρή είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων του μέσου, τόσο πιο γρήγορα διαδίδεται το κύμα. Το συζητήσαμε στην τελευταία παράγραφο χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του ξηρού αέρα και του υγρού αέρα. Για το νερό, η ταχύτητα διάδοσης του ήχου. Εάν δημιουργήσετε ένα ηχητικό κύμα (χτυπήστε ένα πιρούνι συντονισμού), τότε η ταχύτητα διάδοσής του στο νερό θα είναι 4 φορές μεγαλύτερη από ό, τι στον αέρα. Με το νερό, οι πληροφορίες θα φτάσουν 4 φορές πιο γρήγορα από ό,τι με τον αέρα. Και ακόμα πιο γρήγορα στο ατσάλι: (Εικ. 6).

Ρύζι. 6. Η ταχύτητα διάδοσης ενός ηχητικού κύματος

Γνωρίζετε από τα έπη που χρησιμοποίησε ο Ilya Muromets (και όλοι οι ήρωες και οι απλοί Ρώσοι και τα αγόρια από το Επαναστατικό Στρατιωτικό Συμβούλιο Gaidar), χρησιμοποίησαν έναν πολύ ενδιαφέρον τρόπο για να εντοπίσουν ένα αντικείμενο που πλησιάζει, αλλά είναι ακόμα μακριά. Ο ήχος που κάνει όταν κινείται δεν ακούγεται ακόμα. Ο Ilya Muromets, με το αυτί στο έδαφος, μπορεί να την ακούσει. Γιατί; Επειδή ο ήχος μεταδίδεται σε στερεό έδαφος με μεγαλύτερη ταχύτητα, πράγμα που σημαίνει ότι θα φτάσει στο αυτί του Ilya Muromets πιο γρήγορα και θα μπορεί να προετοιμαστεί για να συναντήσει τον εχθρό.

Τα πιο ενδιαφέροντα ηχητικά κύματα είναι οι μουσικοί ήχοι και οι θόρυβοι. Ποια αντικείμενα μπορούν να δημιουργήσουν ηχητικά κύματα; Αν πάρουμε μια πηγή κύματος και ένα ελαστικό μέσο, ​​αν κάνουμε την ηχητική πηγή να δονείται αρμονικά, τότε θα έχουμε ένα υπέροχο ηχητικό κύμα, που θα ονομάζεται μουσικός ήχος. Αυτές οι πηγές ηχητικών κυμάτων μπορεί να είναι, για παράδειγμα, οι χορδές μιας κιθάρας ή ενός πιάνου. Αυτό μπορεί να είναι ένα ηχητικό κύμα που δημιουργείται στο διάκενο του σωλήνα αέρα (όργανο ή σωλήνα). Από μαθήματα μουσικής ξέρεις τις νότες: ντο, ρε, μι, φα, αλάτι, λα, σι. Στην ακουστική ονομάζονται τόνοι (Εικ. 7).

Ρύζι. 7. Μουσικοί τόνοι

Όλα τα στοιχεία που μπορούν να εκπέμπουν τόνους θα έχουν χαρακτηριστικά. Πώς διαφέρουν; Διαφέρουν ως προς το μήκος κύματος και τη συχνότητα. Εάν αυτά τα ηχητικά κύματα δεν δημιουργούνται από αρμονικά ηχητικά σώματα ή δεν συνδέονται σε ένα κοινό ορχηστρικό κομμάτι, τότε ένας τέτοιος αριθμός ήχων θα ονομάζεται θόρυβος.

Θόρυβος- τυχαίες διακυμάνσεις ποικίλης φυσικής φύσης, που χαρακτηρίζονται από την πολυπλοκότητα της χρονικής και φασματικής δομής. Η έννοια του θορύβου είναι καθημερινή και φυσική, μοιάζουν πολύ και επομένως την εισάγουμε ως ξεχωριστό σημαντικό αντικείμενο εξέτασης.

Ας περάσουμε σε ποσοτικές εκτιμήσεις των ηχητικών κυμάτων. Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των μουσικών ηχητικών κυμάτων; Αυτά τα χαρακτηριστικά ισχύουν αποκλειστικά για αρμονικές ηχητικές δονήσεις. Ετσι, ένταση ήχου. Τι καθορίζει την ένταση ενός ήχου; Εξετάστε τη διάδοση ενός ηχητικού κύματος στο χρόνο ή τις ταλαντώσεις μιας πηγής ηχητικών κυμάτων (Εικ. 8).

Ρύζι. 8. Ένταση ήχου

Ταυτόχρονα, αν δεν προσθέσουμε πολύ ήχο στο σύστημα (π.χ. χτυπάμε απαλά το πλήκτρο του πιάνου), τότε θα υπάρχει ένας ήσυχος ήχος. Αν δυνατά, σηκώνοντας το χέρι μας ψηλά, καλέσουμε αυτόν τον ήχο πατώντας το πλήκτρο, παίρνουμε έναν δυνατό ήχο. Από τι εξαρτάται; Οι ήσυχοι ήχοι έχουν λιγότερους κραδασμούς από τους δυνατούς ήχους.

Το επόμενο σημαντικό χαρακτηριστικό του μουσικού ήχου και οποιουδήποτε άλλου είναι ύψος. Τι καθορίζει το ύψος ενός ήχου; Το βήμα εξαρτάται από τη συχνότητα. Μπορούμε να κάνουμε την πηγή να ταλαντώνεται συχνά, ή μπορούμε να την κάνουμε να ταλαντώνεται όχι πολύ γρήγορα (δηλαδή να κάνουμε λιγότερες ταλαντώσεις ανά μονάδα χρόνου). Εξετάστε τη χρονική σάρωση του υψηλού και χαμηλού ήχου του ίδιου πλάτους (Εικ. 9).

Ρύζι. 9. Βήμα

Ένα ενδιαφέρον συμπέρασμα μπορεί να εξαχθεί. Εάν ένα άτομο τραγουδάει στο μπάσο, τότε η πηγή του ήχου του (αυτές είναι οι φωνητικές χορδές) κυμαίνεται αρκετές φορές πιο αργά από αυτή ενός ατόμου που τραγουδά σοπράνο. Στη δεύτερη περίπτωση, οι φωνητικές χορδές δονούνται συχνότερα, επομένως, συχνότερα προκαλούν εστίες συμπίεσης και αραίωσης στη διάδοση του κύματος.

Υπάρχει ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό των ηχητικών κυμάτων που οι φυσικοί δεν μελετούν. το τέμπο. Γνωρίζετε και ξεχωρίζετε εύκολα το ίδιο μουσικό κομμάτι που παίζεται στη μπαλαλάικα ή στο τσέλο. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αυτών των ήχων ή αυτής της απόδοσης; Στην αρχή του πειράματος, ζητήσαμε από τα άτομα που εξάγουν ήχους να τους κάνουν περίπου το ίδιο πλάτος, ώστε η ένταση του ήχου να είναι ίδια. Είναι όπως στην περίπτωση της ορχήστρας: αν δεν χρειάζεται να ξεχωρίσεις ένα όργανο, όλοι παίζουν περίπου με τον ίδιο τρόπο, με την ίδια δύναμη. Διαφορετική λοιπόν η χροιά της μπαλαλάικας και του τσέλο. Αν αντλούσαμε τον ήχο που εξάγεται από ένα όργανο, από ένα άλλο, χρησιμοποιώντας διαγράμματα, τότε θα ήταν το ίδιο. Αλλά μπορείς εύκολα να ξεχωρίσεις αυτά τα όργανα από τον ήχο τους.

Ένα άλλο παράδειγμα της σημασίας της χροιάς. Φανταστείτε δύο τραγουδιστές που αποφοιτούν από την ίδια μουσική σχολή με τους ίδιους καθηγητές. Σπούδασαν εξίσου καλά με πεντάδες. Για κάποιο λόγο, ο ένας γίνεται εξαιρετικός ερμηνευτής, ενώ ο άλλος είναι δυσαρεστημένος με την καριέρα του σε όλη του τη ζωή. Στην πραγματικότητα, αυτό καθορίζεται αποκλειστικά από το όργανό τους, το οποίο προκαλεί απλώς φωνητικές δονήσεις στο περιβάλλον, δηλαδή οι φωνές τους διαφέρουν ως προς την ηχόχρωμα.

Βιβλιογραφία

1. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Φυσική: βιβλίο αναφοράς με παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων. - 2η έκδοση αναδιανομή. - X .: Vesta: εκδοτικός οίκος "Ranok", 2005. - 464 σελ.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Φυσική. 9η τάξη: εγχειρίδιο γενικής εκπαίδευσης. ιδρύματα / A.V. Peryshkin, E.M. Γκούτνικ. - 14η έκδ., στερεότυπο. - M.: Bustard, 2009. - 300 p.

1. Διαδικτυακή πύλη "eduspb.com" ()
2. Διαδικτυακή πύλη "msk.edu.ua" ()
3. Διαδικτυακή πύλη "class-fizika.narod.ru" ()

Εργασία για το σπίτι

1. Πώς διαδίδεται ο ήχος; Ποια μπορεί να είναι η πηγή του ήχου;
2. Μπορεί ο ήχος να ταξιδέψει στο διάστημα;
3. Κάθε κύμα που φτάνει στο ανθρώπινο αυτί γίνεται αντιληπτό από αυτόν;

18 Φεβρουαρίου 2016

Ο κόσμος της οικιακής ψυχαγωγίας είναι αρκετά ποικίλος και μπορεί να περιλαμβάνει: παρακολούθηση ταινίας σε ένα καλό σύστημα οικιακού κινηματογράφου. διασκεδαστικό και εθιστικό παιχνίδι ή ακρόαση μουσικής. Κατά κανόνα, ο καθένας βρίσκει κάτι δικό του σε αυτόν τον τομέα ή συνδυάζει τα πάντα ταυτόχρονα. Αλλά ανεξάρτητα από το ποιοι είναι οι στόχοι ενός ατόμου στην οργάνωση του ελεύθερου χρόνου του και ανεξάρτητα από το σε ποιο άκρο φτάνουν, όλοι αυτοί οι σύνδεσμοι συνδέονται σταθερά με μια απλή και κατανοητή λέξη - "ήχος". Πράγματι, σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, θα μας οδηγεί η λαβή από το soundtrack. Αλλά αυτή η ερώτηση δεν είναι τόσο απλή και ασήμαντη, ειδικά σε περιπτώσεις όπου υπάρχει η επιθυμία να επιτευχθεί ήχος υψηλής ποιότητας σε ένα δωμάτιο ή σε οποιεσδήποτε άλλες συνθήκες. Για να γίνει αυτό, δεν είναι πάντα απαραίτητο να αγοράζετε ακριβά εξαρτήματα hi-fi ή hi-end (αν και θα είναι πολύ χρήσιμα), αλλά αρκεί μια καλή γνώση της φυσικής θεωρίας, η οποία μπορεί να εξαλείψει τα περισσότερα από τα προβλήματα που προκύπτουν για όλους που σκοπεύει να αποκτήσει φωνητική ερμηνεία υψηλής ποιότητας.

Στη συνέχεια, η θεωρία του ήχου και της ακουστικής θα εξεταστεί από τη σκοπιά της φυσικής. Σε αυτήν την περίπτωση, θα προσπαθήσω να το κάνω όσο το δυνατόν πιο προσιτό για την κατανόηση οποιουδήποτε ατόμου που, ίσως, απέχει πολύ από τη γνώση φυσικών νόμων ή τύπων, αλλά παρόλα αυτά ονειρεύεται με πάθος την πραγματοποίηση του ονείρου της δημιουργίας μιας τέλειας ακουστικής Σύστημα. Δεν υποθέτω ότι για να επιτύχετε καλά αποτελέσματα σε αυτόν τον τομέα στο σπίτι (ή σε ένα αυτοκίνητο, για παράδειγμα) πρέπει να γνωρίζετε καλά αυτές τις θεωρίες, ωστόσο, η κατανόηση των βασικών θα αποφύγει πολλά ανόητα και παράλογα λάθη, καθώς και για να επιτύχετε το μέγιστο ηχητικό εφέ από το σύστημα, σε οποιοδήποτε επίπεδο.

Γενική ηχοθεωρία και μουσική ορολογία

Τι είναι ήχος? Αυτή είναι η αίσθηση που αντιλαμβάνεται το ακουστικό όργανο. "αυτί"(το ίδιο το φαινόμενο υπάρχει χωρίς τη συμμετοχή του «αυτί» στη διαδικασία, αλλά είναι πιο εύκολο να το κατανοήσουμε έτσι), το οποίο συμβαίνει όταν το τύμπανο διεγείρεται από ένα ηχητικό κύμα. Το αυτί σε αυτή την περίπτωση λειτουργεί ως «δέκτης» ηχητικών κυμάτων διαφορετικών συχνοτήτων.
Ηχητικό κύμαΣτην πραγματικότητα, πρόκειται για μια διαδοχική σειρά σφραγίσεων και εκκενώσεων του μέσου (συχνότερα του περιβάλλοντος αέρα υπό κανονικές συνθήκες) διαφόρων συχνοτήτων. Η φύση των ηχητικών κυμάτων είναι ταλαντωτική, προκαλείται και παράγεται από τη δόνηση οποιωνδήποτε σωμάτων. Η εμφάνιση και η διάδοση ενός κλασικού ηχητικού κύματος είναι δυνατή σε τρία ελαστικά μέσα: αέρια, υγρά και στερεά. Όταν εμφανίζεται ένα ηχητικό κύμα σε έναν από αυτούς τους τύπους χώρου, ορισμένες αλλαγές συμβαίνουν αναπόφευκτα στο ίδιο το μέσο, ​​για παράδειγμα, μια αλλαγή στην πυκνότητα ή την πίεση του αέρα, την κίνηση των σωματιδίων των μαζών του αέρα κ.λπ.

Δεδομένου ότι το ηχητικό κύμα έχει μια ταλαντωτική φύση, έχει ένα τέτοιο χαρακτηριστικό όπως η συχνότητα. Συχνότηταμετριέται σε hertz (προς τιμή του Γερμανού φυσικού Heinrich Rudolf Hertz), και υποδηλώνει τον αριθμό των δονήσεων σε χρονικό διάστημα ίσο με ένα δευτερόλεπτο. Εκείνοι. για παράδειγμα, συχνότητα 20 Hz σημαίνει κύκλο 20 ταλαντώσεων σε ένα δευτερόλεπτο. Η υποκειμενική έννοια του ύψους του εξαρτάται επίσης από τη συχνότητα του ήχου. Όσο περισσότερες ηχητικές δονήσεις γίνονται ανά δευτερόλεπτο, τόσο πιο «υψηλός» φαίνεται ο ήχος. Το ηχητικό κύμα έχει επίσης ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό, το οποίο έχει ένα όνομα - το μήκος κύματος. Μήκος κύματοςΣυνηθίζεται να λαμβάνεται υπόψη η απόσταση που διανύει ένας ήχος συγκεκριμένης συχνότητας σε περίοδο ίση με ένα δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα, το μήκος κύματος του χαμηλότερου ήχου στην ανθρώπινη ακουστική περιοχή στα 20 Hz είναι 16,5 μέτρα και το μήκος κύματος του υψηλότερου ήχου στα 20.000 Hz είναι 1,7 εκατοστά.

Το ανθρώπινο αυτί είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να αντιλαμβάνεται κύματα μόνο σε περιορισμένο εύρος, περίπου 20 Hz - 20.000 Hz (ανάλογα με τα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου ατόμου, κάποιος μπορεί να ακούει λίγο περισσότερο, κάποιος λιγότερο) . Έτσι, αυτό δεν σημαίνει ότι ήχοι κάτω ή πάνω από αυτές τις συχνότητες δεν υπάρχουν, απλώς δεν γίνονται αντιληπτοί από το ανθρώπινο αυτί, υπερβαίνοντας το ακουστικό εύρος. Ο ήχος πάνω από το ηχητικό εύρος ονομάζεται υπέρηχος, ονομάζεται ήχος κάτω από το ηχητικό εύρος Υπόηχος. Μερικά ζώα είναι σε θέση να αντιλαμβάνονται υπερήχους και υπέρυθρους ήχους, μερικά ακόμη χρησιμοποιούν αυτό το εύρος για προσανατολισμό στο διάστημα (νυχτερίδες, δελφίνια). Εάν ο ήχος περάσει από ένα μέσο που δεν έρχεται απευθείας σε επαφή με το ανθρώπινο όργανο ακοής, τότε ένας τέτοιος ήχος μπορεί να μην ακουστεί ή να εξασθενήσει πολύ αργότερα.

Στη μουσική ορολογία του ήχου, υπάρχουν τόσο σημαντικοί προσδιορισμοί όπως η οκτάβα, ο τόνος και ο τόνος του ήχου. Οκτάβασημαίνει ένα διάστημα στο οποίο η αναλογία των συχνοτήτων μεταξύ των ήχων είναι 1 προς 2. Μια οκτάβα είναι συνήθως πολύ ηχητική, ενώ οι ήχοι μέσα σε αυτό το διάστημα μπορεί να είναι πολύ παρόμοιοι μεταξύ τους. Μια οκτάβα μπορεί επίσης να ονομαστεί ένας ήχος που κάνει διπλάσιο αριθμό δονήσεων από έναν άλλο ήχο την ίδια χρονική περίοδο. Για παράδειγμα, μια συχνότητα 800 Hz δεν είναι παρά μια υψηλότερη οκτάβα 400 Hz και μια συχνότητα 400 Hz είναι με τη σειρά της η επόμενη οκτάβα ήχου με συχνότητα 200 Hz. Μια οκτάβα αποτελείται από τόνους και τόνους. Οι μεταβλητές ταλαντώσεις σε ένα αρμονικό ηχητικό κύμα μιας συχνότητας γίνονται αντιληπτές από το ανθρώπινο αυτί ως μουσικός τόνος. Οι δονήσεις υψηλής συχνότητας μπορούν να ερμηνευθούν ως ήχοι υψηλής συχνότητας, οι δονήσεις χαμηλής συχνότητας ως ήχοι χαμηλής συχνότητας. Το ανθρώπινο αυτί είναι σε θέση να διακρίνει καθαρά ήχους με διαφορά ενός τόνου (στην περιοχή έως και 4000 Hz). Παρόλα αυτά, ένας εξαιρετικά μικρός αριθμός ήχων χρησιμοποιείται στη μουσική. Αυτό εξηγείται από τις εκτιμήσεις της αρχής της αρμονικής συνοχής, όλα βασίζονται στην αρχή των οκτάβων.

Εξετάστε τη θεωρία των μουσικών τόνων χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μιας χορδής που τεντώνεται με συγκεκριμένο τρόπο. Μια τέτοια χορδή, ανάλογα με τη δύναμη τάσης, θα «κουρδιστεί» σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Όταν αυτή η χορδή εκτεθεί σε κάτι με μια συγκεκριμένη δύναμη, η οποία θα την κάνει να δονείται, ένας συγκεκριμένος τόνος ήχου θα παρατηρείται σταθερά, θα ακούμε την επιθυμητή συχνότητα συντονισμού. Αυτός ο ήχος ονομάζεται θεμελιώδης τόνος. Για τον κύριο τόνο στο μουσικό πεδίο, η συχνότητα της νότας «λα» της πρώτης οκτάβας, ίση με 440 Hz, είναι επίσημα αποδεκτή. Ωστόσο, τα περισσότερα μουσικά όργανα δεν αναπαράγουν ποτέ μόνο τους καθαρούς θεμελιώδεις τόνους· αναπόφευκτα συνοδεύονται από τόνους που ονομάζονται αποχρώσεις. Εδώ είναι σκόπιμο να υπενθυμίσουμε έναν σημαντικό ορισμό της μουσικής ακουστικής, την έννοια της ηχητικής χροιάς. Τέμπο- αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό μουσικών ήχων που δίνουν στα μουσικά όργανα και τις φωνές τη μοναδική αναγνωρίσιμη ιδιαιτερότητα του ήχου, ακόμη και όταν συγκρίνονται ήχοι της ίδιας έντασης και έντασης. Η χροιά κάθε μουσικού οργάνου εξαρτάται από την κατανομή της ηχητικής ενέργειας πάνω από τους τόνους τη στιγμή που εμφανίζεται ο ήχος.

Οι υπέρηχοι σχηματίζουν ένα συγκεκριμένο χρώμα του θεμελιώδους τόνου, με το οποίο μπορούμε εύκολα να αναγνωρίσουμε και να αναγνωρίσουμε ένα συγκεκριμένο όργανο, καθώς και να διακρίνουμε ξεκάθαρα τον ήχο του από ένα άλλο όργανο. Υπάρχουν δύο τύποι αποχρώσεων: αρμονικοί και μη αρμονικοί. Αρμονικές αποχρώσειςείναι εξ ορισμού πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας. Αντίθετα, αν οι επισημάνσεις δεν είναι πολλαπλές και αποκλίνουν αισθητά από τις τιμές, τότε ονομάζονται όχι αρμονικός. Στη μουσική πρακτικά αποκλείεται η λειτουργία μη πολλαπλών φθόγγων, επομένως ο όρος περιορίζεται στην έννοια του «overtone», δηλαδή αρμονικός. Για ορισμένα όργανα, για παράδειγμα, το πιάνο, ο κύριος τόνος δεν έχει καν χρόνο να διαμορφωθεί, για ένα σύντομο χρονικό διάστημα αυξάνεται η ηχητική ενέργεια των αποχρώσεων και, στη συνέχεια, η πτώση εμφανίζεται εξίσου γρήγορα. Πολλά όργανα δημιουργούν ένα λεγόμενο εφέ "μεταβατικού τόνου", όταν η ενέργεια ορισμένων φθόγγων είναι μέγιστη σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, συνήθως στην αρχή, αλλά στη συνέχεια αλλάζει απότομα και μετακινείται σε άλλους τόνους. Το εύρος συχνοτήτων κάθε οργάνου μπορεί να εξεταστεί χωριστά και συνήθως περιορίζεται από τις συχνότητες των θεμελιωδών τόνων που μπορεί να αναπαράγει το συγκεκριμένο όργανο.

Στη θεωρία του ήχου υπάρχει επίσης κάτι σαν ΘΟΡΥΒΟΣ. Θόρυβος- πρόκειται για οποιονδήποτε ήχο που δημιουργείται από συνδυασμό πηγών που δεν είναι συνεπείς μεταξύ τους. Όλοι γνωρίζουν καλά τον θόρυβο των φύλλων των δέντρων, που ταλαντεύονται από τον άνεμο κ.λπ.

Τι καθορίζει την ένταση του ήχου;Είναι προφανές ότι ένα τέτοιο φαινόμενο εξαρτάται άμεσα από την ποσότητα ενέργειας που μεταφέρει το ηχητικό κύμα. Για τον προσδιορισμό των ποσοτικών δεικτών της έντασης, υπάρχει μια έννοια - ένταση ήχου. Ένταση ήχουορίζεται ως η ροή ενέργειας που διέρχεται από κάποια περιοχή του χώρου (για παράδειγμα, cm2) ανά μονάδα χρόνου (για παράδειγμα, ανά δευτερόλεπτο). Σε μια κανονική συνομιλία, η ένταση είναι περίπου 9 ή 10 W/cm2. Το ανθρώπινο αυτί είναι σε θέση να αντιλαμβάνεται ήχους με αρκετά μεγάλο εύρος ευαισθησίας, ενώ η ευαισθησία των συχνοτήτων δεν είναι ομοιόμορφη εντός του ηχητικού φάσματος. Έτσι, η καλύτερη αντιληπτή περιοχή συχνοτήτων είναι 1000 Hz - 4000 Hz, η οποία καλύπτει ευρύτερα την ανθρώπινη ομιλία.

Δεδομένου ότι οι ήχοι ποικίλλουν τόσο πολύ στην ένταση, είναι πιο βολικό να τον θεωρούμε ως λογαριθμική τιμή και να τον μετράμε σε ντεσιμπέλ (μετά τον Σκωτσέζο επιστήμονα Alexander Graham Bell). Το κατώτερο όριο ευαισθησίας ακοής του ανθρώπινου αυτιού είναι 0 dB, το ανώτερο 120 dB, ονομάζεται επίσης "όριο πόνου". Το ανώτερο όριο ευαισθησίας επίσης δεν γίνεται αντιληπτό από το ανθρώπινο αυτί με τον ίδιο τρόπο, αλλά εξαρτάται από τη συγκεκριμένη συχνότητα. Οι ήχοι χαμηλής συχνότητας πρέπει να έχουν πολύ μεγαλύτερη ένταση από τις υψηλές συχνότητες για να προκαλέσουν ένα κατώφλι πόνου. Για παράδειγμα, ο ουδός πόνου σε χαμηλή συχνότητα 31,5 Hz εμφανίζεται σε επίπεδο έντασης ήχου 135 dB, όταν σε συχνότητα 2000 Hz η αίσθηση του πόνου εμφανίζεται ήδη στα 112 dB. Υπάρχει επίσης η έννοια της ηχητικής πίεσης, η οποία στην πραγματικότητα επεκτείνει τη συνήθη εξήγηση για τη διάδοση ενός ηχητικού κύματος στον αέρα. Ηχητική πίεση- αυτή είναι μια μεταβλητή υπερπίεση που εμφανίζεται σε ένα ελαστικό μέσο ως αποτέλεσμα της διέλευσης ενός ηχητικού κύματος μέσα από αυτό.

Η κυματική φύση του ήχου

Για να κατανοήσετε καλύτερα το σύστημα παραγωγής ηχητικών κυμάτων, φανταστείτε ένα κλασικό ηχείο που βρίσκεται σε ένα σωλήνα γεμάτο αέρα. Εάν το ηχείο κάνει μια απότομη κίνηση προς τα εμπρός, τότε ο αέρας που βρίσκεται σε άμεση γειτνίαση με τον διαχύτη συμπιέζεται για μια στιγμή. Μετά από αυτό, ο αέρας θα επεκταθεί, ωθώντας έτσι την περιοχή πεπιεσμένου αέρα κατά μήκος του σωλήνα.
Αυτή η κυματική κίνηση είναι που θα είναι στη συνέχεια ο ήχος όταν φτάσει στο ακουστικό όργανο και «διεγείρει» το τύμπανο. Όταν ένα ηχητικό κύμα εμφανίζεται σε ένα αέριο, δημιουργείται υπερβολική πίεση και πυκνότητα και τα σωματίδια κινούνται με σταθερή ταχύτητα. Σχετικά με τα ηχητικά κύματα, είναι σημαντικό να θυμόμαστε το γεγονός ότι η ουσία δεν κινείται μαζί με το ηχητικό κύμα, αλλά εμφανίζεται μόνο μια προσωρινή διαταραχή των μαζών του αέρα.

Αν φανταστούμε ένα έμβολο αναρτημένο σε ελεύθερο χώρο σε ένα ελατήριο και κάνει επαναλαμβανόμενες κινήσεις "εμπρός και πίσω", τότε τέτοιες ταλαντώσεις θα ονομάζονται αρμονικές ή ημιτονοειδείς (αν αναπαραστήσουμε το κύμα με τη μορφή γραφήματος, τότε σε αυτήν την περίπτωση παίρνουμε ένα καθαρό ημιτονοειδές κύμα με επαναλαμβανόμενα σκαμπανεβάσματα). Αν φανταστούμε ένα ηχείο σε έναν σωλήνα (όπως στο παράδειγμα που περιγράφεται παραπάνω), να εκτελεί αρμονικές ταλαντώσεις, τότε τη στιγμή που το ηχείο κινείται "εμπρός", προκύπτει το ήδη γνωστό αποτέλεσμα της συμπίεσης αέρα και όταν το ηχείο κινείται "πίσω". , επιτυγχάνεται το αντίστροφο αποτέλεσμα της αραίωσης. Σε αυτή την περίπτωση, ένα κύμα εναλλασσόμενων συμπιέσεων και αραίωσης θα διαδοθεί μέσω του σωλήνα. Θα καλείται η απόσταση κατά μήκος του σωλήνα μεταξύ γειτονικών μέγιστων ή ελάχιστων (φάσεις). μήκος κύματος. Εάν τα σωματίδια ταλαντώνονται παράλληλα με την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος, τότε το κύμα ονομάζεται γεωγραφικού μήκους. Αν ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης, τότε το κύμα ονομάζεται εγκάρσιος. Συνήθως, τα ηχητικά κύματα στα αέρια και τα υγρά είναι διαμήκη, ενώ στα στερεά μπορεί να εμφανιστούν κύματα και των δύο τύπων. Τα εγκάρσια κύματα στα στερεά προκύπτουν λόγω της αντίστασης στην αλλαγή σχήματος. Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τύπων κυμάτων είναι ότι ένα εγκάρσιο κύμα έχει την ιδιότητα της πόλωσης (οι ταλαντώσεις συμβαίνουν σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο), ενώ ένα διαμήκη κύμα όχι.

Ταχύτητα ήχου

Η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται άμεσα από τα χαρακτηριστικά του μέσου στο οποίο διαδίδεται. Καθορίζεται (εξαρτάται) από δύο ιδιότητες του μέσου: την ελαστικότητα και την πυκνότητα του υλικού. Η ταχύτητα του ήχου στα στερεά, αντίστοιχα, εξαρτάται άμεσα από τον τύπο του υλικού και τις ιδιότητές του. Η ταχύτητα στα αέρια μέσα εξαρτάται μόνο από έναν τύπο παραμόρφωσης του μέσου: συμπίεση-αραίνωση. Η αλλαγή της πίεσης σε ένα ηχητικό κύμα συμβαίνει χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με τα γύρω σωματίδια και ονομάζεται αδιαβατική.
Η ταχύτητα του ήχου σε ένα αέριο εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία - αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και μειώνεται με τη μείωση. Επίσης, η ταχύτητα του ήχου σε ένα αέριο μέσο εξαρτάται από το μέγεθος και τη μάζα των ίδιων των μορίων του αερίου - όσο μικρότερη είναι η μάζα και το μέγεθος των σωματιδίων, τόσο μεγαλύτερη είναι η «αγωγιμότητα» του κύματος και τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα, αντίστοιχα.

Σε υγρά και στερεά μέσα, η αρχή της διάδοσης και η ταχύτητα του ήχου είναι παρόμοια με το πώς διαδίδεται ένα κύμα στον αέρα: με συμπίεση-εκφόρτιση. Αλλά σε αυτά τα μέσα, εκτός από την ίδια εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η πυκνότητα του μέσου και η σύνθεση/δομή του είναι αρκετά σημαντική. Όσο μικρότερη είναι η πυκνότητα της ουσίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του ήχου και αντίστροφα. Η εξάρτηση από τη σύνθεση του μέσου είναι πιο περίπλοκη και καθορίζεται σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση, λαμβάνοντας υπόψη τη θέση και την αλληλεπίδραση μορίων/ ατόμων.

Ταχύτητα ήχου στον αέρα σε t, °C 20: 343 m/s
Ταχύτητα ήχου σε απεσταγμένο νερό σε t, °C 20: 1481 m/s
Ταχύτητα ήχου σε χάλυβα σε t, °C 20: 5000 m/s

Μόνιμα κύματα και παρεμβολές

Όταν ένα ηχείο δημιουργεί ηχητικά κύματα σε έναν περιορισμένο χώρο, αναπόφευκτα εμφανίζεται η επίδραση της ανάκλασης του κύματος από τα όρια. Ως αποτέλεσμα, τις περισσότερες φορές επίδραση παρεμβολής- όταν δύο ή περισσότερα ηχητικά κύματα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο. Ιδιαίτερες περιπτώσεις του φαινομένου της παρεμβολής είναι ο σχηματισμός: 1) κύματα ή 2) στάσιμων κυμάτων. Ο ρυθμός των κυμάτων- αυτό συμβαίνει όταν υπάρχει προσθήκη κυμάτων με κοντινές συχνότητες και πλάτη. Το μοτίβο εμφάνισης των παλμών: όταν δύο κύματα παρόμοια σε συχνότητα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο. Σε κάποια χρονική στιγμή, με μια τέτοια επικάλυψη, οι κορυφές πλάτους μπορεί να συμπίπτουν "σε φάση", και επίσης οι υφέσεις σε "αντιφάση" μπορεί επίσης να συμπίπτουν. Έτσι χαρακτηρίζονται τα ηχητικά beat. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι, σε αντίθεση με τα στάσιμα κύματα, οι συμπτώσεις φάσεων των κορυφών δεν συμβαίνουν συνεχώς, αλλά σε ορισμένα χρονικά διαστήματα. Στο αυτί, ένα τέτοιο μοτίβο κτύπων διαφέρει αρκετά καθαρά και ακούγεται ως περιοδική αύξηση και μείωση της έντασης, αντίστοιχα. Ο μηχανισμός για την εμφάνιση αυτού του φαινομένου είναι εξαιρετικά απλός: τη στιγμή της σύμπτωσης των κορυφών, ο όγκος αυξάνεται, τη στιγμή της σύμπτωσης των υφέσεων, ο όγκος μειώνεται.

στάσιμα κύματαπροκύπτουν στην περίπτωση υπέρθεσης δύο κυμάτων του ίδιου πλάτους, φάσης και συχνότητας, όταν όταν τέτοια κύματα «συναντιούνται» το ένα κινείται προς την εμπρός κατεύθυνση και το άλλο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στην περιοχή του χώρου (όπου σχηματίστηκε ένα στάσιμο κύμα), προκύπτει μια εικόνα υπέρθεσης δύο πλατών συχνοτήτων, με εναλλασσόμενα μέγιστα (οι λεγόμενοι αντικόμβοι) και ελάχιστα (οι λεγόμενοι κόμβοι). Όταν συμβαίνει αυτό το φαινόμενο, η συχνότητα, η φάση και ο συντελεστής εξασθένησης του κύματος στο σημείο ανάκλασης είναι εξαιρετικά σημαντικές. Σε αντίθεση με τα κινούμενα κύματα, δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας σε ένα στάσιμο κύμα λόγω του γεγονότος ότι τα εμπρός και τα πίσω κύματα που σχηματίζουν αυτό το κύμα μεταφέρουν ενέργεια σε ίσες ποσότητες τόσο προς την εμπρός όσο και προς την αντίθετη κατεύθυνση. Για μια οπτική κατανόηση της εμφάνισης ενός στάσιμου κύματος, ας φανταστούμε ένα παράδειγμα από την οικιακή ακουστική. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε επιδαπέδια ηχεία σε κάποιο περιορισμένο χώρο (δωμάτιο). Αφού τους βάλαμε να παίξουν κάποιο τραγούδι με πολύ μπάσο, ας προσπαθήσουμε να αλλάξουμε τη θέση του ακροατή στο δωμάτιο. Έτσι, ο ακροατής, έχοντας μπει στη ζώνη του ελάχιστου (αφαίρεση) του στάσιμου κύματος, θα αισθανθεί το αποτέλεσμα ότι το μπάσο έχει γίνει πολύ μικρό και εάν ο ακροατής εισέλθει στη ζώνη μέγιστης (προσθήκη) συχνοτήτων, τότε το αντίστροφο επιτυγχάνεται η επίδραση μιας σημαντικής αύξησης στην περιοχή των μπάσων. Σε αυτή την περίπτωση, το αποτέλεσμα παρατηρείται σε όλες τις οκτάβες της βασικής συχνότητας. Για παράδειγμα, εάν η βασική συχνότητα είναι 440 Hz, τότε το φαινόμενο της «προσθήκης» ή της «αφαίρεσης» θα παρατηρηθεί επίσης σε συχνότητες 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz κ.λπ.

Φαινόμενο συντονισμού

Τα περισσότερα στερεά έχουν τη δική τους συχνότητα συντονισμού. Η κατανόηση αυτού του αποτελέσματος είναι αρκετά απλή στο παράδειγμα ενός συμβατικού σωλήνα, ανοιχτού μόνο στο ένα άκρο. Ας φανταστούμε μια κατάσταση όπου ένα ηχείο είναι συνδεδεμένο από την άλλη άκρη του σωλήνα, το οποίο μπορεί να παίξει κάποια σταθερή συχνότητα, μπορεί επίσης να αλλάξει αργότερα. Τώρα, ένας σωλήνας έχει τη δική του συχνότητα συντονισμού, με απλά λόγια, αυτή είναι η συχνότητα στην οποία ο σωλήνας «αντηχεί» ή κάνει τον δικό του ήχο. Εάν η συχνότητα του ηχείου (ως αποτέλεσμα της ρύθμισης) συμπίπτει με τη συχνότητα συντονισμού του σωλήνα, τότε θα υπάρξει αποτέλεσμα της αύξησης της έντασης πολλές φορές. Αυτό συμβαίνει επειδή το μεγάφωνο διεγείρει τους κραδασμούς της στήλης αέρα στο σωλήνα με σημαντικό πλάτος μέχρι να βρεθεί η ίδια «συχνότητα συντονισμού» και να συμβεί το φαινόμενο προσθήκης. Το φαινόμενο που προκύπτει μπορεί να περιγραφεί ως εξής: ο σωλήνας σε αυτό το παράδειγμα "βοηθά" το ηχείο αντηχώντας σε μια συγκεκριμένη συχνότητα, οι προσπάθειές τους αθροίζονται και "ξεχύνονται" σε ένα ηχητικό δυνατό εφέ. Στο παράδειγμα των μουσικών οργάνων, αυτό το φαινόμενο εντοπίζεται εύκολα, καθώς το σχέδιο της πλειοψηφίας περιέχει στοιχεία που ονομάζονται αντηχεία. Δεν είναι δύσκολο να μαντέψει κανείς τι εξυπηρετεί τον σκοπό της ενίσχυσης μιας συγκεκριμένης συχνότητας ή μουσικού τόνου. Για παράδειγμα: σώμα κιθάρας με αντηχείο σε μορφή τρύπας, που ταιριάζει με την ένταση. Ο σχεδιασμός του σωλήνα στο φλάουτο (και όλων των σωλήνων γενικά). Το κυλινδρικό σχήμα του σώματος του τυμπάνου, το οποίο από μόνο του είναι αντηχείο ορισμένης συχνότητας.

Φάσμα συχνοτήτων ήχου και απόκρισης συχνότητας

Δεδομένου ότι στην πράξη δεν υπάρχουν πρακτικά κύματα της ίδιας συχνότητας, καθίσταται απαραίτητο να αποσυντεθεί ολόκληρο το ηχητικό φάσμα του ακουστικού εύρους σε τόνους ή αρμονικές. Για τους σκοπούς αυτούς, υπάρχουν γραφήματα που εμφανίζουν την εξάρτηση της σχετικής ενέργειας των ηχητικών δονήσεων από τη συχνότητα. Ένα τέτοιο γράφημα ονομάζεται γράφημα φάσματος συχνότητας ήχου. Φάσμα συχνοτήτων ήχουΥπάρχουν δύο τύποι: διακριτός και συνεχής. Η γραφική παράσταση διακριτού φάσματος εμφανίζει τις συχνότητες ξεχωριστά, χωρισμένες με κενά κενά. Στο συνεχές φάσμα, όλες οι συχνότητες ήχου υπάρχουν ταυτόχρονα.
Στην περίπτωση της μουσικής ή της ακουστικής, το συνηθισμένο πρόγραμμα χρησιμοποιείται συχνότερα. Χαρακτηριστικά κορυφής σε συχνότητα(συντομογραφία "AFC"). Αυτό το γράφημα δείχνει την εξάρτηση του πλάτους των ηχητικών δονήσεων από τη συχνότητα σε όλο το φάσμα συχνοτήτων (20 Hz - 20 kHz). Κοιτάζοντας ένα τέτοιο γράφημα, είναι εύκολο να κατανοήσουμε, για παράδειγμα, τα δυνατά ή τα αδύνατα σημεία ενός συγκεκριμένου ηχείου ή συστήματος ηχείων στο σύνολό του, τις ισχυρότερες περιοχές επιστροφής ενέργειας, πτώσεις και αυξήσεις συχνότητας, εξασθένηση, καθώς και ανίχνευση της απότομης κλίσης της παρακμής.

Διάδοση ηχητικών κυμάτων, φάση και αντιφάση

Η διαδικασία διάδοσης των ηχητικών κυμάτων συμβαίνει προς όλες τις κατευθύνσεις από την πηγή. Το πιο απλό παράδειγμα για την κατανόηση αυτού του φαινομένου: ένα βότσαλο πεταμένο στο νερό.
Από το σημείο που έπεσε η πέτρα, τα κύματα αρχίζουν να αποκλίνουν στην επιφάνεια του νερού προς όλες τις κατευθύνσεις. Ωστόσο, ας φανταστούμε μια κατάσταση χρησιμοποιώντας ένα ηχείο σε μια συγκεκριμένη ένταση, ας πούμε ένα κλειστό κουτί, το οποίο συνδέεται με έναν ενισχυτή και παίζει κάποιο είδος μουσικού σήματος. Είναι εύκολο να παρατηρήσετε (ειδικά αν δίνετε ένα ισχυρό σήμα χαμηλής συχνότητας, όπως ένα τύμπανο μπάσου), ότι το ηχείο κάνει μια γρήγορη κίνηση "εμπρός", και μετά την ίδια γρήγορη κίνηση "πίσω". Μένει να γίνει κατανοητό ότι όταν το ηχείο κινείται προς τα εμπρός, εκπέμπει ένα ηχητικό κύμα, το οποίο ακούμε στη συνέχεια. Τι συμβαίνει όμως όταν το ηχείο κινείται προς τα πίσω; Αλλά παραδόξως, συμβαίνει το ίδιο, το ηχείο βγάζει τον ίδιο ήχο, μόνο που διαδίδεται στο παράδειγμά μας εξ ολοκλήρου εντός της έντασης του κουτιού, χωρίς να υπερβαίνει αυτό (το κουτί είναι κλειστό). Γενικά, στο παραπάνω παράδειγμα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει αρκετά ενδιαφέροντα φυσικά φαινόμενα, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι η έννοια της φάσης.

Το ηχητικό κύμα που το ηχείο, όντας σε ένταση, εκπέμπει προς την κατεύθυνση του ακροατή - είναι "σε φάση". Το αντίστροφο κύμα, που εισέρχεται στον όγκο του κουτιού, θα είναι αντίστοιχα αντιφασικό. Μένει μόνο να καταλάβουμε τι σημαίνουν αυτές οι έννοιες; Φάση σήματος- αυτό είναι το επίπεδο ηχητικής πίεσης την τρέχουσα στιγμή σε κάποιο σημείο στο διάστημα. Η φάση γίνεται πιο εύκολα κατανοητή από το παράδειγμα της αναπαραγωγής μουσικού υλικού από ένα συμβατικό στερεοφωνικό επιδαπέδιο ζεύγος οικιακών ηχείων. Ας φανταστούμε ότι δύο τέτοια επιδαπέδια ηχεία είναι εγκατεστημένα σε ένα συγκεκριμένο δωμάτιο και παίζουν. Και τα δύο ηχεία σε αυτήν την περίπτωση αναπαράγουν ένα σύγχρονο σήμα μεταβλητής πίεσης ήχου, επιπλέον, η ηχητική πίεση ενός ηχείου προστίθεται στην ηχητική πίεση του άλλου ηχείου. Παρόμοιο φαινόμενο συμβαίνει λόγω του συγχρονισμού της αναπαραγωγής σήματος των αριστερών και δεξιών ηχείων, αντίστοιχα, με άλλα λόγια, οι κορυφές και οι κοιλάδες των κυμάτων που εκπέμπονται από το αριστερό και το δεξί ηχείο συμπίπτουν.

Τώρα ας φανταστούμε ότι οι ηχητικές πιέσεις εξακολουθούν να αλλάζουν με τον ίδιο τρόπο (δεν έχουν αλλάξει), αλλά τώρα είναι αντίθετες μεταξύ τους. Αυτό μπορεί να συμβεί εάν συνδέσετε ένα από τα δύο ηχεία σε αντίστροφη πολικότητα (καλώδιο "+" από τον ενισχυτή στον ακροδέκτη "-" του συστήματος ηχείων και καλώδιο "-" από τον ενισχυτή στον ακροδέκτη "+" του ηχείου Σύστημα). Σε αυτήν την περίπτωση, το αντίθετο σήμα θα προκαλέσει μια διαφορά πίεσης, η οποία μπορεί να αναπαρασταθεί ως αριθμοί ως εξής: το αριστερό ηχείο θα δημιουργήσει πίεση "1 Pa" και το δεξί ηχείο θα δημιουργήσει μια πίεση "μείον 1 Pa" . Ως αποτέλεσμα, η συνολική ένταση ήχου στη θέση του ακροατή θα είναι ίση με μηδέν. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αντιφάση. Αν εξετάσουμε το παράδειγμα λεπτομερέστερα για κατανόηση, αποδεικνύεται ότι δύο δυναμικές που παίζουν "σε φάση" δημιουργούν τις ίδιες περιοχές συμπίεσης και αραίωσης αέρα, οι οποίες ουσιαστικά βοηθούν η μία την άλλη. Στην περίπτωση μιας εξιδανικευμένης αντιφάσης, η περιοχή συμπίεσης του εναέριου χώρου που δημιουργείται από ένα ηχείο θα συνοδεύεται από μια περιοχή αραίωσης του εναέριου χώρου που δημιουργείται από το δεύτερο ηχείο. Μοιάζει περίπου με το φαινόμενο της αμοιβαίας σύγχρονης απόσβεσης των κυμάτων. Είναι αλήθεια ότι στην πράξη, η ένταση δεν πέφτει στο μηδέν και θα ακούσουμε έναν έντονα παραμορφωμένο και εξασθενημένο ήχο.

Με τον πιο προσιτό τρόπο, αυτό το φαινόμενο μπορεί να περιγραφεί ως εξής: δύο σήματα με τις ίδιες ταλαντώσεις (συχνότητα), αλλά μετατοπισμένα στο χρόνο. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, είναι πιο βολικό να αναπαραστήσουμε αυτά τα φαινόμενα μετατόπισης χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των συνηθισμένων στρογγυλών ρολογιών. Ας φανταστούμε ότι στον τοίχο κρέμονται πολλά ίδια στρογγυλά ρολόγια. Όταν οι δεύτεροι δείκτες αυτών των ρολογιών λειτουργούν συγχρονισμένα, 30 δευτερόλεπτα στο ένα ρολόι και 30 δευτερόλεπτα στο άλλο, τότε αυτό είναι ένα παράδειγμα σήματος που βρίσκεται σε φάση. Εάν οι δεύτεροι δείκτες τρέχουν με μετατόπιση, αλλά η ταχύτητα παραμένει η ίδια, για παράδειγμα, στο ένα ρολόι 30 δευτερόλεπτα και στο άλλο 24 δευτερόλεπτα, τότε αυτό είναι ένα κλασικό παράδειγμα αλλαγής φάσης (μετατόπιση). Με τον ίδιο τρόπο, η φάση μετριέται σε μοίρες, μέσα σε έναν εικονικό κύκλο. Σε αυτή την περίπτωση, όταν τα σήματα μετατοπίζονται μεταξύ τους κατά 180 μοίρες (το μισό της περιόδου), προκύπτει μια κλασική αντιφάση. Συχνά στην πράξη, υπάρχουν μικρές μετατοπίσεις φάσης, οι οποίες μπορούν επίσης να προσδιοριστούν σε βαθμούς και να εξαλειφθούν με επιτυχία.

Τα κύματα είναι επίπεδα και σφαιρικά. Ένα επίπεδο μέτωπο κύματος διαδίδεται μόνο προς μία κατεύθυνση και σπάνια συναντάται στην πράξη. Ένα σφαιρικό μέτωπο κύματος είναι ένας απλός τύπος κύματος που ακτινοβολεί από ένα μόνο σημείο και διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Τα ηχητικά κύματα έχουν την ιδιότητα περίθλαση, δηλ. την ικανότητα αποφυγής εμποδίων και αντικειμένων. Ο βαθμός του φακέλου εξαρτάται από την αναλογία του μήκους του ηχητικού κύματος προς τις διαστάσεις του εμποδίου ή της οπής. Η περίθλαση συμβαίνει επίσης όταν υπάρχει ένα εμπόδιο στη διαδρομή του ήχου. Σε αυτή την περίπτωση, δύο σενάρια είναι πιθανά: 1) Εάν οι διαστάσεις του εμποδίου είναι πολύ μεγαλύτερες από το μήκος κύματος, τότε ο ήχος ανακλάται ή απορροφάται (ανάλογα με τον βαθμό απορρόφησης του υλικού, το πάχος του εμποδίου κ.λπ. ), και μια ζώνη "ακουστικής σκιάς" σχηματίζεται πίσω από το εμπόδιο. 2) Εάν οι διαστάσεις του εμποδίου είναι συγκρίσιμες με το μήκος κύματος ή και μικρότερες από αυτό, τότε ο ήχος περιθλά σε κάποιο βαθμό προς όλες τις κατευθύνσεις. Εάν ένα ηχητικό κύμα, όταν κινείται σε ένα μέσο, ​​χτυπήσει τη διεπαφή με ένα άλλο μέσο (για παράδειγμα, ένα μέσο αέρα με ένα στερεό μέσο), τότε μπορεί να προκύψουν τρία σενάρια: 1) το κύμα θα ανακλαστεί από τη διεπαφή 2) το κύμα μπορεί να περάσει σε άλλο μέσο χωρίς να αλλάξει κατεύθυνση 3) ένα κύμα μπορεί να περάσει σε άλλο μέσο με αλλαγή κατεύθυνσης στο όριο, αυτό ονομάζεται «διάθλαση κύματος».

Ο λόγος της υπερβολικής πίεσης ενός ηχητικού κύματος προς την ταλαντωτική ογκομετρική ταχύτητα ονομάζεται σύνθετη αντίσταση κύματος. Με απλά λόγια, κυματική αντίσταση του μέσουμπορεί να ονομαστεί η ικανότητα απορρόφησης ηχητικών κυμάτων ή «αντισταμένου» σε αυτά. Οι συντελεστές ανάκλασης και μετάδοσης εξαρτώνται άμεσα από την αναλογία των αντιστάσεων κυμάτων των δύο μέσων. Η αντίσταση κυμάτων σε ένα αέριο μέσο είναι πολύ χαμηλότερη από ό,τι στο νερό ή τα στερεά. Επομένως, εάν ένα ηχητικό κύμα στον αέρα προσπίπτει σε ένα στερεό αντικείμενο ή στην επιφάνεια βαθέων υδάτων, τότε ο ήχος είτε αντανακλάται από την επιφάνεια είτε απορροφάται σε μεγάλο βαθμό. Εξαρτάται από το πάχος της επιφάνειας (νερό ή στερεό) στην οποία πέφτει το επιθυμητό ηχητικό κύμα. Με χαμηλό πάχος στερεού ή υγρού μέσου «περνούν» σχεδόν εντελώς τα ηχητικά κύματα και αντίστροφα, με μεγάλο πάχος του μέσου, τα κύματα ανακλώνται συχνότερα. Στην περίπτωση ανάκλασης ηχητικών κυμάτων, αυτή η διαδικασία συμβαίνει σύμφωνα με έναν πολύ γνωστό φυσικό νόμο: «Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης». Σε αυτή την περίπτωση, όταν ένα κύμα από ένα μέσο με χαμηλότερη πυκνότητα χτυπήσει το όριο με ένα μέσο υψηλότερης πυκνότητας, εμφανίζεται το φαινόμενο διάθλαση. Συνίσταται στην κάμψη (διάθλαση) ενός ηχητικού κύματος μετά από «συνάντηση» με ένα εμπόδιο, και συνοδεύεται απαραίτητα από αλλαγή της ταχύτητας. Η διάθλαση εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία του μέσου στο οποίο συμβαίνει η ανάκλαση.

Κατά τη διαδικασία διάδοσης των ηχητικών κυμάτων στο διάστημα, η έντασή τους μειώνεται αναπόφευκτα, μπορεί κανείς να πει την εξασθένηση των κυμάτων και την εξασθένηση του ήχου. Στην πράξη, είναι πολύ απλό να συναντήσετε ένα τέτοιο αποτέλεσμα: για παράδειγμα, εάν δύο άτομα στέκονται σε ένα χωράφι σε κάποια κοντινή απόσταση (ένα μέτρο ή πιο κοντά) και αρχίσουν να λένε κάτι μεταξύ τους. Εάν στη συνέχεια αυξήσετε την απόσταση μεταξύ των ανθρώπων (αν αρχίσουν να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο), το ίδιο επίπεδο έντασης συνομιλίας θα γίνεται όλο και λιγότερο ακουστό. Ένα παρόμοιο παράδειγμα καταδεικνύει ξεκάθαρα το φαινόμενο της μείωσης της έντασης των ηχητικών κυμάτων. Γιατί συμβαίνει αυτό? Ο λόγος για αυτό είναι οι διάφορες διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας, η μοριακή αλληλεπίδραση και η εσωτερική τριβή των ηχητικών κυμάτων. Τις περισσότερες φορές στην πράξη, συμβαίνει η μετατροπή της ηχητικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια. Τέτοιες διεργασίες προκύπτουν αναπόφευκτα σε οποιοδήποτε από τα 3 μέσα διάδοσης ήχου και μπορούν να χαρακτηριστούν ως απορρόφηση ηχητικών κυμάτων.

Η ένταση και ο βαθμός απορρόφησης των ηχητικών κυμάτων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η πίεση και η θερμοκρασία του μέσου. Επίσης, η απορρόφηση εξαρτάται από τη συγκεκριμένη συχνότητα του ήχου. Όταν ένα ηχητικό κύμα διαδίδεται σε υγρά ή αέρια, υπάρχει μια επίδραση τριβής μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων, η οποία ονομάζεται ιξώδες. Ως αποτέλεσμα αυτής της τριβής σε μοριακό επίπεδο, συμβαίνει η διαδικασία μετατροπής του κύματος από ήχο σε θερμικό. Με άλλα λόγια, όσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα του μέσου, τόσο χαμηλότερος είναι ο βαθμός απορρόφησης των κυμάτων. Η ηχοαπορρόφηση στα αέρια μέσα εξαρτάται επίσης από την πίεση (η ατμοσφαιρική πίεση αλλάζει με την αύξηση του υψομέτρου σε σχέση με τη στάθμη της θάλασσας). Όσον αφορά την εξάρτηση του βαθμού απορρόφησης από τη συχνότητα του ήχου, τότε λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω εξαρτήσεις του ιξώδους και της θερμικής αγωγιμότητας, η απορρόφηση του ήχου είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητά του. Για παράδειγμα, σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, στον αέρα, η απορρόφηση ενός κύματος με συχνότητα 5000 Hz είναι 3 dB / km και η απορρόφηση ενός κύματος με συχνότητα 50.000 Hz θα είναι ήδη 300 dB / m.

Στα στερεά μέσα, όλες οι παραπάνω εξαρτήσεις (θερμική αγωγιμότητα και ιξώδες) διατηρούνται, αλλά σε αυτό προστίθενται μερικές ακόμη συνθήκες. Συνδέονται με τη μοριακή δομή των στερεών υλικών, η οποία μπορεί να είναι διαφορετική, με τις δικές της ανομοιογένειες. Ανάλογα με αυτή την εσωτερική στερεά μοριακή δομή, η απορρόφηση ηχητικών κυμάτων σε αυτή την περίπτωση μπορεί να είναι διαφορετική και εξαρτάται από τον τύπο του συγκεκριμένου υλικού. Όταν ο ήχος διέρχεται από ένα στερεό σώμα, το κύμα υφίσταται μια σειρά μετασχηματισμών και παραμορφώσεων, που τις περισσότερες φορές οδηγεί σε διασπορά και απορρόφηση της ηχητικής ενέργειας. Σε μοριακό επίπεδο, η επίδραση των εξαρθρώσεων μπορεί να συμβεί, όταν ένα ηχητικό κύμα προκαλεί μετατόπιση ατομικών επιπέδων, τα οποία στη συνέχεια επιστρέφουν στην αρχική τους θέση. Ή, η κίνηση των εξαρθρώσεων οδηγεί σε σύγκρουση με εξαρθρήματα κάθετα σε αυτά ή ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή, που προκαλεί επιβράδυνσή τους και, ως αποτέλεσμα, κάποια απορρόφηση του ηχητικού κύματος. Ωστόσο, το ηχητικό κύμα μπορεί επίσης να αντηχεί με αυτά τα ελαττώματα, γεγονός που θα οδηγήσει σε παραμόρφωση του αρχικού κύματος. Η ενέργεια ενός ηχητικού κύματος τη στιγμή της αλληλεπίδρασης με τα στοιχεία της μοριακής δομής του υλικού διαχέεται ως αποτέλεσμα των διαδικασιών εσωτερικής τριβής.

Στο θα προσπαθήσω να αναλύσω τα χαρακτηριστικά της ανθρώπινης ακουστικής αντίληψης και μερικές από τις λεπτότητες και τα χαρακτηριστικά της διάδοσης του ήχου.

Βροντές, μουσική, ο ήχος του σερφ, ανθρώπινη ομιλία και ό,τι άλλο ακούμε είναι ήχος. Τι είναι ο «ήχος»;

Πηγή εικόνας: pixabay.com

Στην πραγματικότητα, όλα όσα έχουμε συνηθίσει να θεωρούμε ήχο είναι μόνο μία από τις ποικιλίες δονήσεων (του αέρα) που μπορούν να αντιληφθούν ο εγκέφαλος και τα όργανά μας.

Ποια είναι η φύση του ήχου

Όλοι οι ήχοι που διαδίδονται στον αέρα είναι δονήσεις ενός ηχητικού κύματος. Προκύπτει μέσω της δόνησης ενός αντικειμένου και αποκλίνει από την πηγή του προς όλες τις κατευθύνσεις. Το ταλαντούμενο αντικείμενο συμπιέζει τα μόρια στο περιβάλλον και στη συνέχεια δημιουργεί μια σπάνια ατμόσφαιρα, αναγκάζοντας τα μόρια να απωθούνται το ένα το άλλο όλο και πιο μακριά. Έτσι, οι αλλαγές στην πίεση του αέρα διαδίδονται μακριά από το αντικείμενο, τα ίδια τα μόρια παραμένουν στην ίδια θέση για τον εαυτό τους.

Επίδραση ηχητικών κυμάτων στο τύμπανο. Πηγή εικόνας: prd.go.th

Καθώς ένα ηχητικό κύμα ταξιδεύει στο διάστημα, αναπηδά από αντικείμενα στο πέρασμά του, δημιουργώντας αλλαγές στον περιβάλλοντα αέρα. Όταν αυτές οι αλλαγές φτάσουν στο αυτί σας και επηρεάσουν το τύμπανο, οι νευρικές απολήξεις στέλνουν ένα σήμα στον εγκέφαλο και αντιλαμβάνεστε αυτές τις δονήσεις ως ήχο.

Τα κύρια χαρακτηριστικά του ηχητικού κύματος

Η απλούστερη μορφή ενός ηχητικού κύματος είναι το ημιτονοειδές κύμα. Τα καθαρά ημιτονοειδή κύματα σπάνια βρίσκονται στη φύση, αλλά με αυτά θα πρέπει να αρχίσετε να μελετάτε τη φυσική του ήχου, καθώς οποιοσδήποτε ήχος μπορεί να αποσυντεθεί σε συνδυασμό ημιτονοειδών κυμάτων.

Το ημιτονοειδές κύμα δείχνει ξεκάθαρα τα τρία βασικά φυσικά κριτήρια του ήχου - συχνότητα, πλάτος και φάση.

Συχνότητα

Όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα ταλάντωσης, τόσο χαμηλότερος είναι ο ήχος Πηγή εικόνας: ReasonGuide.Ru

Η συχνότητα είναι μια τιμή που χαρακτηρίζει τον αριθμό των ταλαντώσεων ανά δευτερόλεπτο. Μετριέται στον αριθμό των περιόδων ταλάντωσης ή σε Hertz (Hz). Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να αντιληφθεί ήχο στην περιοχή από 20 Hz (χαμηλή συχνότητα) έως 20 kHz (υψηλή συχνότητα). Οι ήχοι πάνω από αυτό το εύρος ονομάζονται υπέρηχοι, και κάτω - υπέρηχοι και δεν γίνονται αντιληπτοί από τα ανθρώπινα όργανα ακοής.

Εύρος

Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος του ηχητικού κύματος, τόσο πιο δυνατός είναι ο ήχος.

Η έννοια του πλάτους (ή της έντασης) ενός ηχητικού κύματος σχετίζεται με την ισχύ του ήχου, τον οποίο τα ανθρώπινα όργανα ακοής αντιλαμβάνονται ως την ένταση ή την ένταση του ήχου. Οι άνθρωποι μπορούν να αντιληφθούν ένα αρκετά ευρύ φάσμα εντάσεων ήχου: από μια βρύση που στάζει σε ένα ήσυχο διαμέρισμα μέχρι τη μουσική που παίζεται σε μια συναυλία. Οι μετρήσεις έντασης χρησιμοποιούν φωνόμετρα (δείκτες σε ντεσιμπέλ), τα οποία χρησιμοποιούν μια λογαριθμική κλίμακα για να κάνουν τις μετρήσεις πιο βολικές.

Φάση ηχητικού κύματος

Φάσεις ενός ηχητικού κύματος. Πηγή εικόνας: Muz-Flame.ru

Χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις ιδιότητες δύο ηχητικών κυμάτων. Αν δύο κύματα έχουν το ίδιο πλάτος και συχνότητα, τότε τα δύο ηχητικά κύματα λέγονται σε φάση. Η φάση μετριέται από το 0 έως το 360, όπου το 0 είναι μια τιμή που δείχνει ότι τα δύο ηχητικά κύματα είναι σύγχρονα (σε φάση) και το 180 είναι μια τιμή που υποδεικνύει ότι τα κύματα είναι αντίθετα μεταξύ τους (εκτός φάσης). Όταν δύο ηχητικά κύματα βρίσκονται σε φάση, οι δύο ήχοι αλληλοεπικαλύπτονται και τα σήματα ενισχύονται μεταξύ τους. Όταν συνδυάζονται δύο σήματα που δεν ταιριάζουν σε πλάτος, τα σήματα καταστέλλονται λόγω της διαφοράς πίεσης, η οποία οδηγεί σε μηδενικό αποτέλεσμα, δηλαδή εξαφανίζεται ο ήχος. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως «καταστολή φάσης».

Όταν συνδυάζονται δύο πανομοιότυπα ηχητικά σήματα - η καταστολή φάσης μπορεί να είναι ένα σοβαρό πρόβλημα, καθώς και μια τεράστια ενόχληση είναι ο συνδυασμός του αρχικού ηχητικού κύματος με το κύμα που ανακλάται από τις επιφάνειες στο ακουστικό δωμάτιο. Για παράδειγμα, όταν το αριστερό και το δεξί κανάλι ενός στερεοφωνικού μίκτη συνδυάζονται για να παράγουν μια αρμονική εγγραφή, το σήμα μπορεί να υποφέρει από ακύρωση φάσης.

Τι είναι το ντεσιμπέλ;

Τα ντεσιμπέλ μετρούν το επίπεδο της ηχητικής πίεσης ή της ηλεκτρικής τάσης. Αυτή είναι μια μονάδα που δείχνει την αναλογία της αναλογίας δύο διαφορετικών ποσοτήτων μεταξύ τους. Το Bel (που πήρε το όνομά του από τον Αμερικανό επιστήμονα Alexander Bell) είναι ένας δεκαδικός λογάριθμος που αντιπροσωπεύει την αναλογία δύο διαφορετικών σημάτων μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε διαδοχικό bela στην κλίμακα, το λαμβανόμενο σήμα είναι δέκα φορές ισχυρότερο. Για παράδειγμα, η ηχητική πίεση ενός δυνατού ήχου είναι δισεκατομμύρια φορές υψηλότερη από αυτή ενός αθόρυβου. Για να εμφανίσουν τόσο μεγάλες τιμές, άρχισαν να χρησιμοποιούν τη σχετική τιμή των ντεσιμπέλ (dB) - ενώ το 1.000.000.000 είναι 109 ή απλά 9. Η υιοθέτηση αυτής της τιμής από τους ακουστικούς φυσικούς κατέστησε δυνατή την πιο βολική εργασία με τεράστιους αριθμούς .

Κλίμακα έντασης για διάφορους ήχους. Πηγή εικόνας: Nauet.ru

Στην πράξη, αποδεικνύεται ότι το κουδούνι είναι πολύ μεγάλη μονάδα για τη μέτρηση της στάθμης του ήχου, επομένως έχει χρησιμοποιηθεί το ντεσιμπέλ, το οποίο είναι το ένα δέκατο του κουδουνιού. Δεν μπορεί να ειπωθεί ότι η χρήση ντεσιμπέλ αντί για κουδούνια είναι σαν να χρησιμοποιείς, ας πούμε, εκατοστά αντί για μέτρα για να υποδείξεις το μέγεθος ενός παπουτσιού, τα καμπάνα και τα ντεσιμπέλ είναι σχετικές τιμές.

Από τα παραπάνω, είναι σαφές ότι η στάθμη του ήχου συνήθως μετριέται σε ντεσιμπέλ. Ορισμένα πρότυπα στάθμης ήχου χρησιμοποιούνται στην ακουστική εδώ και πολλά χρόνια, από την εποχή της εφεύρεσης του τηλεφώνου, μέχρι σήμερα. Τα περισσότερα από αυτά τα πρότυπα είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε σχέση με τον σύγχρονο εξοπλισμό, χρησιμοποιούνται μόνο για απαρχαιωμένα κομμάτια εξοπλισμού. Σήμερα, ο εξοπλισμός στα στούντιο ηχογράφησης και εκπομπής χρησιμοποιεί μια τέτοια μονάδα όπως dBu (ντεσιμπέλ σε σχέση με το επίπεδο 0,775 V) και στον οικιακό εξοπλισμό - dBV (ντεσιμπέλ, μετρημένο σε σχέση με το επίπεδο 1 V). Ο ψηφιακός εξοπλισμός ήχου χρησιμοποιεί dBFS (Πλήρης κλίμακα Decibel) για τη μέτρηση της ισχύος του ήχου.

dBm– Το "m" σημαίνει milliwatt (mW), που είναι η μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση της ηλεκτρικής ισχύος. Η ισχύς πρέπει να διακρίνεται από την ηλεκτρική τάση, αν και οι δύο έννοιες συνδέονται στενά μεταξύ τους. Η μονάδα μέτρησης dBm άρχισε να χρησιμοποιείται στην αυγή της εισαγωγής των τηλεφωνικών επικοινωνιών, σήμερα χρησιμοποιείται επίσης σε επαγγελματικό εξοπλισμό.

dBu- σε αυτήν την περίπτωση, η τάση μετράται (αντί για την ισχύ) σε σχέση με το μηδενικό επίπεδο αναφοράς, το επίπεδο αναφοράς θεωρείται 0,75 volt. Στις σύγχρονες επαγγελματικές εφαρμογές ήχου, το dBu έχει αντικατασταθεί από το dBm. Ως μονάδα μέτρησης στον τομέα της μηχανικής ήχου, ήταν πιο βολικό να χρησιμοποιείται το dBu στο παρελθόν, όταν ήταν πιο σημαντικό να ληφθεί υπόψη η ηλεκτρική ισχύς, παρά η τάση του, για την αξιολόγηση του επιπέδου του σήματος.

dBV- αυτή η μονάδα μέτρησης βασίζεται επίσης στο μηδενικό επίπεδο αναφοράς (όπως στην περίπτωση του dBu), ωστόσο, ως επίπεδο αναφοράς λαμβάνεται το 1 V, το οποίο είναι πιο βολικό από το σχήμα 0,775 V. Αυτή η μονάδα μέτρησης ήχου χρησιμοποιείται συχνά για οικιακό και ημιεπαγγελματικό εξοπλισμό ήχου.

dBFS- Αυτή η εκτίμηση του επιπέδου σήματος χρησιμοποιείται ευρέως στον ψηφιακό ήχο και είναι πολύ διαφορετική από τις παραπάνω μονάδες μέτρησης. Το FS (πλήρης κλίμακα) είναι η πλήρης κλίμακα, η οποία χρησιμοποιείται επειδή, σε αντίθεση με τον αναλογικό ήχο, ο οποίος έχει τη βέλτιστη τάση, ολόκληρο το εύρος των ψηφιακών τιμών είναι εξίσου αποδεκτό όταν εργάζεστε με ψηφιακό σήμα. 0 dBFS είναι το μέγιστο δυνατό επίπεδο ψηφιακού ήχου που μπορεί να εγγραφεί χωρίς παραμόρφωση. Τα πρότυπα αναλογικής μέτρησης όπως τα dBu και dBV δεν έχουν χώρο κεφαλής πέραν των 0 dBFS.

Αν σας άρεσε το άρθρο βάλε σαν και εγγραφείτε στο κανάλι ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΠΟΠ . Μείνετε μαζί μας φίλοι! Πολλά ενδιαφέροντα πράγματα είναι μπροστά!

Ο ήχος είναι μηχανικοί κραδασμοί που διαδίδονται σε ένα ελαστικό υλικό μέσο κυρίως με τη μορφή διαμήκων κυμάτων.

Στο κενό, ο ήχος δεν διαδίδεται, αφού η μετάδοση του ήχου απαιτεί ένα υλικό μέσο και μηχανική επαφή μεταξύ των σωματιδίων του υλικού μέσου.

Ο ήχος διαδίδεται στο μέσο με τη μορφή ηχητικών κυμάτων. Τα ηχητικά κύματα είναι μηχανικές δονήσεις που μεταδίδονται στο μέσο με τη βοήθεια των υπό όρους σωματιδίων του. Κάτω από τα υπό όρους σωματίδια του περιβάλλοντος κατανοούν τους μικροόγκους του.

Τα κύρια φυσικά χαρακτηριστικά ενός ακουστικού κύματος:

1. Συχνότητα.

Συχνότηταηχητικό κύμα είναι η ποσότητα ίσο με τον αριθμό των πλήρων ταλαντώσεων ανά μονάδα χρόνου. Υποδεικνύεται από το σύμβολο v (γυμνός) και μετρήθηκε σε hertz. 1 Hz \u003d 1 μέτρηση / δευτερόλεπτο \u003d [ s -1 ].

Η κλίμακα των ηχητικών δονήσεων χωρίζεται στα ακόλουθα διαστήματα συχνοτήτων:

υπέρηχοι (από 0 έως 16 Hz).

ακουστικός ήχος (από 16 έως 16.000 Hz).

Υπερηχογράφημα (πάνω από 16.000 Hz).

Στενά συνδεδεμένη με τη συχνότητα ενός ηχητικού κύματος είναι η αμοιβαία, η περίοδος του ηχητικού κύματος. Περίοδοςηχητικό κύμα είναι ο χρόνος μιας πλήρους ταλάντωσης των σωματιδίων του μέσου. Σημειώνεται Τκαι μετριέται σε δευτερόλεπτα [s].

Σύμφωνα με την κατεύθυνση της ταλάντωσης των σωματιδίων του μέσου που μεταφέρουν το ηχητικό κύμα, τα ηχητικά κύματα χωρίζονται σε:

· διαμήκης?

εγκάρσιος.

Για τα διαμήκη κύματα, η κατεύθυνση ταλάντωσης των σωματιδίων του μέσου συμπίπτει με την κατεύθυνση διάδοσης στο μέσο ενός ηχητικού κύματος (Εικ. 1).

Για τα εγκάρσια κύματα, οι κατευθύνσεις των δονήσεων των σωματιδίων του μέσου είναι κάθετες προς την κατεύθυνση διάδοσης του ηχητικού κύματος (Εικ. 2).

Ρύζι. 1 Εικ. 2

Τα διαμήκη κύματα διαδίδονται σε αέρια, υγρά και στερεά. Εγκάρσια - μόνο σε στερεά.

3. Το σχήμα των κραδασμών.

Σύμφωνα με το σχήμα των δονήσεων, τα ηχητικά κύματα χωρίζονται σε:

· απλά κύματα.

σύνθετα κύματα.

Η γραφική παράσταση ενός απλού κύματος είναι ένα ημιτονοειδές κύμα.

Ένα σύνθετο γράφημα κυμάτων είναι οποιαδήποτε περιοδική μη ημιτονοειδής καμπύλη .

4. Μήκος κύματος.

Μήκος κύματος - μέγεθος,ίση με την απόσταση στην οποία διαδίδεται ένα ηχητικό κύμα σε χρόνο ίσο με μία περίοδο. Ονομάζεται λ (λάμδα) και μετριέται σε μέτρα (m), εκατοστά (cm), χιλιοστά (mm), μικρόμετρα (μm).

Το μήκος κύματος εξαρτάται από το μέσο στο οποίο διαδίδεται ο ήχος.

5. Ταχύτητα ηχητικού κύματος.

ταχύτητα ηχητικού κύματοςείναι η ταχύτητα διάδοσης του ήχου σε ένα μέσο με ακίνητη πηγή ήχου. Συμβολίζεται με το σύμβολο v, που υπολογίζεται με τον τύπο:

Η ταχύτητα ενός ηχητικού κύματος εξαρτάται από τον τύπο του μέσου και τη θερμοκρασία. Η υψηλότερη ταχύτητα του ήχου σε στερεά ελαστικά σώματα, μικρότερη - στα υγρά, και η μικρότερη - στα αέρια.

αέρας, κανονική ατμοσφαιρική πίεση, θερμοκρασία - 20 μοίρες, v = 342 m/s;

νερό, θερμοκρασία 15-20 μοίρες, v = 1500 m/s;

μέταλλα, v = 5000-10000 m/s.

Η ταχύτητα του ήχου στον αέρα αυξάνεται κατά περίπου 0,6 m/s με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 βαθμούς.