Sound wave: formula, mga katangian. Mga pinagmumulan ng sound wave

2024 May -akda: Angel Austin | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 05:44

Ang sound wave ay isang proseso ng alon na nangyayari sa gaseous, liquid at solid media, na, kapag umabot ito sa mga organo ng pandinig ng tao, ay nakikita ng mga ito bilang tunog. Ang dalas ng mga alon na ito ay nasa saklaw mula 20 hanggang 20,000 oscillations bawat segundo. Nagbibigay kami ng mga formula para sa sound wave at isinasaalang-alang ang mga katangian nito nang mas detalyado.

Bakit may sound wave?

Maraming tao ang nagtataka kung ano ang sound wave. Ang likas na katangian ng tunog ay nakasalalay sa paglitaw ng perturbation sa isang nababanat na daluyan. Halimbawa, kapag ang isang pressure perturbation sa anyo ng compression ay nangyayari sa isang tiyak na dami ng hangin, ang lugar na ito ay may posibilidad na kumalat sa espasyo. Ang prosesong ito ay humahantong sa compression ng hangin sa mga lugar na katabi ng pinagmulan, na malamang na lumawak din. Sinasaklaw ng prosesong ito ang higit pa at higit na espasyo hanggang sa maabot nito ang ilang receiver, halimbawa, ang tainga ng tao.

Mga pangkalahatang katangian ng sound wave

Ating isaalang-alang kung ano ang sound wave at kung paano ito nakikita ng tainga ng tao. Sound waveay pahaba, ito, kapag ito ay pumasok sa shell ng tainga, ay nagiging sanhi ng mga panginginig ng boses ng eardrum na may isang tiyak na dalas at amplitude. Maaari mo ring katawanin ang mga pagbabagong ito bilang panaka-nakang pagbabago sa presyon sa microvolume ng hangin na katabi ng lamad. Una, tumataas ito kaugnay sa normal na presyon ng atmospera, at pagkatapos ay bumababa, na sumusunod sa mga batas sa matematika ng maharmonya na paggalaw. Ang amplitude ng mga pagbabago sa air compression, iyon ay, ang pagkakaiba sa pagitan ng maximum o minimum pressure na nilikha ng sound wave, na may atmospheric pressure ay proporsyonal sa amplitude ng sound wave mismo.

Maraming pisikal na eksperimento ang nagpakita na ang pinakamataas na presyon na maaaring makita ng tainga ng tao nang hindi ito sinasaktan ay 2800 µN/cm². Para sa paghahambing, sabihin natin na ang atmospheric pressure malapit sa ibabaw ng lupa ay 10 milyon µN/cm^{2. Isinasaalang-alang ang proporsyonalidad ng presyon at amplitude ng oscillation, maaari nating sabihin na ang huling halaga ay hindi gaanong mahalaga kahit na para sa pinakamalakas na alon. Kung pag-uusapan natin ang tungkol sa haba ng sound wave, kung gayon para sa dalas ng 1000 vibrations bawat segundo, ito ay magiging isang libo ng isang sentimetro.}

Ang pinakamahinang tunog ay lumilikha ng mga pagbabago sa presyon ng pagkakasunud-sunod na 0.001µN/cm², ang katumbas na wave oscillation amplitude para sa frequency na 1000 Hz ay 10^{- 9}cm, habang ang average na diameter ng mga molekula ng hangin ay 10^{-8 cm, ibig sabihin, ang tainga ng tao ay isang lubhang sensitibong organ.}

Ang konsepto ng intensity ng sound waves

Na may geometricMula sa punto ng view ng isang sound wave, ito ay isang panginginig ng boses ng isang tiyak na anyo, mula sa pisikal na punto ng view, ang pangunahing pag-aari ng mga sound wave ay ang kanilang kakayahang maglipat ng enerhiya. Ang pinakamahalagang halimbawa ng paglipat ng enerhiya ng alon ay ang araw, na ang mga sinag na electromagnetic wave ay nagbibigay ng enerhiya sa ating buong planeta.

Ang intensity ng sound wave sa physics ay tinukoy bilang ang dami ng enerhiya na dinadala ng wave sa pamamagitan ng unit surface, na patayo sa propagation ng wave, at bawat unit time. Sa madaling salita, ang intensity ng wave ay ang kapangyarihan nito na inilipat sa pamamagitan ng unit area.

Ang lakas ng sound wave ay karaniwang sinusukat sa decibel, na nakabatay sa logarithmic scale, na maginhawa para sa praktikal na pagsusuri ng mga resulta.

Tindi ng iba't ibang tunog

Ang sumusunod na sukat ng decibel ay nagbibigay ng ideya ng kahulugan ng iba't ibang intensity ng tunog at ang mga sensasyong dulot nito:

threshold para sa hindi kasiya-siya at hindi komportable na sensasyon ay nagsisimula sa 120 decibels (dB);
riveting hammer ay gumagawa ng 95 dB na ingay;
mabilis na tren - 90 dB;
traffic street - 70 dB;
ang volume ng isang normal na pag-uusap sa pagitan ng mga tao ay 65 dB;
Ang modernong sasakyan na gumagalaw sa katamtamang bilis ay bumubuo ng 50 dB na ingay;
average na volume ng radyo - 40 dB;
tahimik na pag-uusap - 20 dB;
ingay ng mga dahon ng puno - 10 dB;
Ang minimum na threshold ng sensitivity ng tunog ng tao ay malapit sa 0 dB.

Nakasalalay ang sensitivity ng tainga ng taodalas ng tunog at ito ang pinakamataas na halaga para sa mga sound wave na may dalas na 2000-3000 Hz. Para sa isang tunog sa frequency range na ito, ang mas mababang threshold ng sensitivity ng tao ay 10-5 dB. Ang mas mataas at mas mababang mga frequency kaysa sa tinukoy na agwat ay humahantong sa pagtaas ng mas mababang threshold ng sensitivity sa paraan na ang isang tao ay nakakarinig ng mga frequency na malapit sa 20 Hz at 20,000 Hz lamang sa kanilang intensity na ilang sampu ng dB.

Kung tungkol sa itaas na threshold ng intensity, pagkatapos kung saan ang tunog ay nagsisimulang magdulot ng abala para sa isang tao at kahit na sakit, dapat sabihin na halos hindi ito nakasalalay sa dalas at nasa saklaw ng 110-130 dB.

Mga geometriko na katangian ng sound wave

Ang tunay na sound wave ay isang kumplikadong oscillatory package ng mga longitudinal wave, na maaaring mabulok sa simpleng harmonic vibrations. Ang bawat naturang oscillation ay inilalarawan mula sa isang geometric na punto ng view ng mga sumusunod na katangian:

Amplitude - ang maximum deviation ng bawat seksyon ng wave mula sa equilibrium. Para sa halagang ito, ang pagtatalaga A.
Panahon. Ito ang oras na kinakailangan para sa isang simpleng alon upang makumpleto ang kumpletong oscillation nito. Pagkatapos ng panahong ito, ang bawat punto ng alon ay magsisimulang ulitin ang proseso ng oscillatory nito. Ang tuldok ay karaniwang tinutukoy ng letrang T at sinusukat sa mga segundo sa SI system.
Dalas. Ito ay isang pisikal na dami na nagpapakita kung gaano karaming mga oscillations ang ginagawa ng isang partikular na wave bawat segundo. Iyon ay, sa kahulugan nito, ito ay isang halaga na kabaligtaran sa panahon. Ito ay tinutukoy ng Latin na letrang f. Para sa dalas ng sound wave, ang formula para sa pagtukoy nito sa pamamagitan ng isang tuldok ay ang mga sumusunod: f=1/T.
Ang haba ng alon ay ang distansyang tinatahak nito sa isang yugto ng oscillation. Sa geometrically, ang wavelength ay ang distansya sa pagitan ng dalawang pinakamalapit na maxima o dalawang pinakamalapit na minima sa isang sinusoidal curve. Ang haba ng oscillation ng sound wave ay ang distansya sa pagitan ng pinakamalapit na lugar ng air compression o ang pinakamalapit na lugar ng rarefaction nito sa espasyo kung saan gumagalaw ang wave. Karaniwan itong tinutukoy ng letrang Griyego na λ.
Ang bilis ng pagpapalaganap ng sound wave ay ang distansya kung saan ang lugar ng compression o ang lugar ng rarefaction ng wave ay nagpapalaganap bawat yunit ng oras. Ang halagang ito ay tinutukoy ng letrang v. Para sa bilis ng sound wave, ang formula ay: v=λf.

Ang geometry ng isang purong sound wave, iyon ay, isang alon ng patuloy na kadalisayan, ay sumusunod sa sinusoidal na batas. Sa pangkalahatang kaso, ang formula ng sound wave ay: y=Asin(ωt), kung saan ang y ay ang halaga ng coordinate ng isang partikular na punto ng wave, t ay oras, ω=2pif ay ang dalas ng cyclic oscillation.

Aperiodic sound

Maraming pinagmumulan ng tunog ang maaaring ituring na panaka-nakang, halimbawa, ang tunog mula sa mga instrumentong pangmusika gaya ng gitara, piano, flute, ngunit mayroon ding malaking bilang ng mga tunog sa kalikasan na aperiodic, iyon ay, nagbabago ang tunog ng vibrations. kanilang dalas at hugis sa espasyo. Sa teknikal, ang ganitong uri ng tunog ay tinatawag na ingay. maliwanagang mga halimbawa ng aperiodic sound ay urban noise, the sound of the sea, sounds from percussion instruments, such as a drum, at iba pa.

Medium sa pagpapalaganap ng tunog

Hindi tulad ng electromagnetic radiation, na ang mga photon ay hindi nangangailangan ng anumang materyal na daluyan para sa kanilang pagpapalaganap, ang likas na katangian ng tunog ay tulad na ang isang tiyak na daluyan ay kinakailangan para sa pagpapalaganap nito, iyon ay, ayon sa mga batas ng pisika, ang mga sound wave ay hindi maaaring palaganapin sa vacuum.

Ang tunog ay maaaring dumaan sa mga gas, likido at solid. Ang mga pangunahing katangian ng isang sound wave na kumakalat sa isang medium ay ang mga sumusunod:

kumakalat ang alon nang linear;
kumakalat ito nang pantay-pantay sa lahat ng direksyon sa isang homogenous na medium, ibig sabihin, nag-iiba ang tunog mula sa pinagmulan, na bumubuo ng perpektong spherical surface.
anuman ang amplitude at dalas ng tunog, ang mga alon nito ay kumakalat sa parehong bilis sa isang partikular na medium.

Ang bilis ng sound wave sa iba't ibang media

Ang bilis ng pagpapalaganap ng tunog ay nakasalalay sa dalawang pangunahing salik: ang daluyan kung saan gumagalaw ang alon at ang temperatura. Sa pangkalahatan, nalalapat ang sumusunod na panuntunan: mas siksik ang medium, at mas mataas ang temperatura nito, mas mabilis ang paggalaw ng tunog dito.

Halimbawa, ang bilis ng pagpapalaganap ng sound wave sa hangin malapit sa ibabaw ng mundo sa temperatura na 20 ℃ at humidity na 50% ay 1235 km/h o 343 m/s. Sa tubig sa isang naibigay na temperatura, ang tunog ay naglalakbay nang 4.5 beses na mas mabilis, pagkataposmay humigit-kumulang 5735 km/h o 1600 m/s. Kung tungkol sa pagdepende ng bilis ng tunog sa temperatura sa hangin, tumataas ito ng 0.6 m / s na may pagtaas ng temperatura para sa bawat degree Celsius.

Timbre at tono

Kung ang isang string o metal plate ay pinapayagang malayang mag-vibrate, maglalabas ito ng mga tunog na may iba't ibang frequency. Napakabihirang makakita ng katawan na maglalabas ng tunog ng isang partikular na frequency, kadalasan ang tunog ng isang bagay ay may hanay ng mga frequency sa isang partikular na agwat.

Ang timbre ng isang tunog ay natutukoy sa pamamagitan ng bilang ng mga harmonic na nasa loob nito at ng kani-kanilang intensity. Ang Timbre ay isang subjective na halaga, iyon ay, ito ay ang pang-unawa ng isang tunog na bagay ng isang tiyak na tao. Ang timbre ay karaniwang nailalarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na pang-uri: mataas, makinang, matunog, melodic, at iba pa.

Ang Tone ay isang tunog na sensasyon na nagbibigay-daan dito na maiuri bilang mataas o mababa. Ang halagang ito ay subjective din at hindi masusukat ng anumang instrumento. Ang tono ay nauugnay sa isang layunin na dami - ang dalas ng isang sound wave, ngunit walang malinaw na ugnayan sa pagitan nila. Halimbawa, para sa isang single-frequency na tunog na pare-pareho ang intensity, tumataas ang tono habang tumataas ang frequency. Kung nananatiling pare-pareho ang dalas ng tunog, ngunit tumataas ang intensity nito, bababa ang tono.

Hugis ng mga pinagmumulan ng tunog

Ayon sa hugis ng katawan na mekanikal na nanginginig at sa gayon ay bumubuo ng tunog, mayroong tatlong pangunahing uri ng mga pinagmumulan ng sound wave:

Point source. Gumagawa ito ng mga sound wave na spherical ang hugis at mabilis na nabubulok na may distansya mula sa pinanggalingan (humigit-kumulang 6dB kung ang distansya mula sa pinagmulan ay nadoble).
Pinagmulan ng linya. Lumilikha ito ng mga cylindrical wave na ang intensity ay bumaba nang mas mabagal kaysa sa isang point source (para sa bawat pagdodoble ng distansya mula sa source, ang intensity ay bumababa ng 3 dB).
Isang flat o two-dimensional na pinagmulan. Bumubuo lamang ito ng mga alon sa isang tiyak na direksyon. Ang isang halimbawa ng naturang pinagmulan ay isang piston na gumagalaw sa isang silindro.

Mga pinagmumulan ng electronic na tunog

Upang lumikha ng sound wave, ang mga elektronikong mapagkukunan ay gumagamit ng isang espesyal na lamad (speaker), na nagsasagawa ng mga mekanikal na vibrations dahil sa phenomenon ng electromagnetic induction. Kasama sa mga mapagkukunang ito ang sumusunod: