Gelombang bunyi: formula, sifat. Sumber gelombang bunyi

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Gelombang bunyi ialah proses gelombang yang berlaku dalam media gas, cecair dan pepejal, yang, apabila ia sampai ke organ pendengaran manusia, dianggap oleh mereka sebagai bunyi. Kekerapan gelombang ini terletak dalam julat dari 20 hingga 20,000 ayunan sesaat. Kami memberikan formula untuk gelombang bunyi dan mempertimbangkan sifatnya dengan lebih terperinci.

Mengapa ada gelombang bunyi?

Ramai orang tertanya-tanya apa itu gelombang bunyi. Sifat bunyi terletak pada berlakunya gangguan dalam medium elastik. Sebagai contoh, apabila gangguan tekanan dalam bentuk mampatan berlaku dalam isipadu udara tertentu, kawasan ini cenderung merebak di angkasa. Proses ini membawa kepada pemampatan udara di kawasan bersebelahan dengan sumber, yang juga cenderung mengembang. Proses ini meliputi lebih banyak ruang sehingga ia mencapai beberapa penerima, contohnya, telinga manusia.

Ciri umum gelombang bunyi

Mari kita pertimbangkan apa itu gelombang bunyi dan bagaimana ia ditanggapi oleh telinga manusia. Gelombang bunyiadalah membujur, ia, apabila ia memasuki cangkerang telinga, menyebabkan getaran gegendang telinga dengan frekuensi dan amplitud tertentu. Anda juga boleh mewakili turun naik ini sebagai perubahan berkala dalam tekanan dalam isipadu mikro udara bersebelahan dengan membran. Pertama, ia meningkat berbanding tekanan atmosfera biasa, dan kemudian menurun, mematuhi undang-undang matematik gerakan harmonik. Amplitud perubahan dalam mampatan udara, iaitu perbezaan antara tekanan maksimum atau minimum yang dicipta oleh gelombang bunyi, dengan tekanan atmosfera adalah berkadar dengan amplitud gelombang bunyi itu sendiri.

Banyak eksperimen fizikal telah menunjukkan bahawa tekanan maksimum yang boleh dirasakan oleh telinga manusia tanpa membahayakannya ialah 2800 µN/cm². Sebagai perbandingan, katakan tekanan atmosfera berhampiran permukaan bumi ialah 10 juta µN/cm^{2. Memandangkan perkadaran tekanan dan amplitud ayunan, kita boleh mengatakan bahawa nilai terakhir adalah tidak penting walaupun untuk gelombang terkuat. Jika kita bercakap tentang panjang gelombang bunyi, maka untuk frekuensi 1000 getaran sesaat, ia akan menjadi seperseribu sentimeter.}

Bunyi paling lemah mencipta turun naik tekanan tertib 0.001µN/cm², amplitud ayunan gelombang yang sepadan untuk frekuensi 1000 Hz ialah 10^{- 9}cm, manakala diameter purata molekul udara ialah 10^{-8 cm, iaitu telinga manusia ialah organ yang sangat sensitif.}

Konsep keamatan gelombang bunyi

Dengan geometriDari sudut pandangan gelombang bunyi, ia adalah getaran bentuk tertentu, dari sudut pandangan fizikal, sifat utama gelombang bunyi adalah keupayaan mereka untuk memindahkan tenaga. Contoh pemindahan tenaga gelombang yang paling penting ialah matahari, yang gelombang elektromagnetnya yang dipancarkan memberikan tenaga kepada seluruh planet kita.

Keamatan gelombang bunyi dalam fizik ditakrifkan sebagai jumlah tenaga yang dibawa oleh gelombang melalui permukaan unit, yang berserenjang dengan perambatan gelombang, dan per unit masa. Ringkasnya, keamatan gelombang ialah kuasanya yang dipindahkan melalui kawasan unit.

Kekuatan gelombang bunyi biasanya diukur dalam desibel, yang berdasarkan skala logaritma, sesuai untuk analisis praktikal keputusan.

Intensiti pelbagai bunyi

Skala desibel berikut memberikan gambaran tentang maksud keamatan bunyi yang berbeza dan sensasi yang ditimbulkannya:

ambang untuk sensasi yang tidak menyenangkan dan tidak selesa bermula pada 120 desibel (dB);
tukul riveting menghasilkan bunyi 95 dB;
kereta api laju - 90 dB;
jalan lalu lintas - 70 dB;
volume perbualan biasa antara orang ialah 65 dB;
Kereta moden yang bergerak pada kelajuan sederhana menghasilkan bunyi 50 dB;
purata volum radio - 40 dB;
perbualan senyap - 20 dB;
bunyi dedaunan pokok - 10 dB;
Ambang sensitiviti bunyi manusia minimum ialah hampir 0 dB.

Sensitiviti telinga manusia bergantung kepadafrekuensi bunyi dan merupakan nilai maksimum untuk gelombang bunyi dengan frekuensi 2000-3000 Hz. Untuk bunyi dalam julat frekuensi ini, ambang bawah sensitiviti manusia ialah 10-5 dB. Frekuensi yang lebih tinggi dan lebih rendah daripada selang yang ditentukan membawa kepada peningkatan dalam ambang kepekaan yang lebih rendah sedemikian rupa sehingga seseorang mendengar frekuensi hampir 20 Hz dan 20,000 Hz hanya pada keamatannya beberapa puluh dB.

Bagi ambang atas keamatan, selepas itu bunyi mula menimbulkan kesulitan bagi seseorang dan juga kesakitan, harus dikatakan bahawa ia secara praktikal tidak bergantung pada kekerapan dan terletak dalam julat 110-130 dB.

Ciri geometri gelombang bunyi

Gelombang bunyi sebenar ialah pakej ayunan kompleks gelombang membujur, yang boleh diuraikan menjadi getaran harmonik ringkas. Setiap ayunan tersebut diterangkan dari sudut geometri dengan ciri-ciri berikut:

Amplitud - sisihan maksimum setiap bahagian gelombang daripada keseimbangan. Untuk nilai ini, sebutan A.
Tempoh. Inilah masa yang diperlukan untuk gelombang mudah untuk melengkapkan ayunan lengkapnya. Selepas masa ini, setiap titik gelombang mula mengulangi proses ayunannya. Tempoh biasanya dilambangkan dengan huruf T dan diukur dalam saat dalam sistem SI.
Kekerapan. Ini ialah kuantiti fizik yang menunjukkan berapa banyak ayunan gelombang yang diberikan sesaat. Iaitu, dalam maknanya, ia adalah nilai songsang kepada tempoh. Ia dilambangkan dengan huruf Latin f. Untuk kekerapan gelombang bunyi, formula untuk menentukannya melalui suatu kala adalah seperti berikut: f=1/T.
Panjang gelombang ialah jarak yang dilaluinya dalam satu tempoh ayunan. Secara geometri, panjang gelombang ialah jarak antara dua maksima terdekat atau dua minima terdekat pada lengkung sinusoidal. Panjang ayunan gelombang bunyi ialah jarak antara kawasan mampatan udara yang terdekat atau tempat yang terdekat bagi jarangnya dalam ruang di mana gelombang bergerak. Ia biasanya dilambangkan dengan huruf Yunani λ.
Kelajuan perambatan gelombang bunyi ialah jarak di mana kawasan mampatan atau kawasan jarang gelombang merambat setiap unit masa. Nilai ini dilambangkan dengan huruf v. Untuk kelajuan gelombang bunyi, formulanya ialah: v=λf.

Geometri gelombang bunyi tulen, iaitu gelombang ketulenan berterusan, mematuhi hukum sinusoidal. Dalam kes umum, formula gelombang bunyi ialah: y=Asin(ωt), dengan y ialah nilai koordinat bagi titik tertentu gelombang, t ialah masa, ω=2pif ialah kekerapan ayunan kitaran.

Bunyi berkala

Banyak sumber bunyi boleh dianggap berkala, contohnya, bunyi daripada alat muzik seperti gitar, piano, seruling, tetapi terdapat juga sejumlah besar bunyi dalam alam yang bersifat aperiodik, iaitu getaran bunyi berubah. kekerapan dan bentuk mereka dalam ruang. Secara teknikal, bunyi seperti ini dipanggil bunyi bising. terangcontoh bunyi aperiodik ialah bunyi bandar, bunyi laut, bunyi daripada alat perkusi, seperti gendang dan lain-lain.

Medium penyebaran bunyi

Berbeza dengan sinaran elektromagnet, yang fotonnya tidak memerlukan medium material untuk perambatannya, sifat bunyi adalah sedemikian rupa sehingga medium tertentu diperlukan untuk perambatannya, iaitu, mengikut undang-undang fizik, gelombang bunyi tidak boleh sebarkan dalam vakum.

Bunyi boleh bergerak melalui gas, cecair dan pepejal. Ciri-ciri utama gelombang bunyi yang merambat dalam medium adalah seperti berikut:

gelombang merambat secara linear;
ia merebak sama rata ke semua arah dalam medium homogen, iaitu bunyi menyimpang dari sumber, membentuk permukaan sfera yang sempurna.
tidak kira amplitud dan kekerapan bunyi, gelombangnya merambat pada kelajuan yang sama dalam medium tertentu.

Kelajuan gelombang bunyi dalam pelbagai media

Kelajuan perambatan bunyi bergantung pada dua faktor utama: medium di mana gelombang bergerak dan suhu. Secara umum, peraturan berikut digunakan: lebih tumpat medium, dan lebih tinggi suhunya, lebih cepat bunyi bergerak di dalamnya.

Sebagai contoh, kelajuan perambatan gelombang bunyi di udara berhampiran permukaan bumi pada suhu 20 ℃ dan kelembapan 50% ialah 1235 km/j atau 343 m/s. Dalam air pada suhu tertentu, bunyi bergerak 4.5 kali lebih cepat, kemudianterdapat kira-kira 5735 km/j atau 1600 m/s. Bagi pergantungan kelajuan bunyi pada suhu di udara, ia meningkat sebanyak 0.6 m / s dengan peningkatan suhu untuk setiap darjah Celsius.

Timbre dan ton

Jika tali atau plat logam dibiarkan bergetar dengan bebas, ia akan menghasilkan bunyi dengan frekuensi yang berbeza. Sangat jarang untuk mencari jasad yang akan mengeluarkan bunyi satu frekuensi tertentu, biasanya bunyi objek mempunyai set frekuensi dalam selang tertentu.

Timbre bunyi ditentukan oleh bilangan harmonik yang terdapat di dalamnya dan keamatan masing-masing. Timbre adalah nilai subjektif, iaitu persepsi objek yang berbunyi oleh orang tertentu. Timbre biasanya dicirikan oleh kata sifat berikut: tinggi, cemerlang, nyaring, melodi dan sebagainya.

Nada ialah sensasi bunyi yang membolehkannya diklasifikasikan sebagai tinggi atau rendah. Nilai ini juga subjektif dan tidak boleh diukur dengan mana-mana instrumen. Nada dikaitkan dengan kuantiti objektif - kekerapan gelombang bunyi, tetapi tidak ada hubungan yang jelas antara mereka. Sebagai contoh, untuk bunyi frekuensi tunggal dengan intensiti malar, nada meningkat apabila kekerapan meningkat. Jika kekerapan bunyi kekal malar, tetapi keamatannya meningkat, maka nada menjadi lebih rendah.

Bentuk sumber bunyi

Mengikut bentuk badan yang bergetar secara mekanikal dan seterusnya menghasilkan bunyi, terdapat tiga jenis sumber utama gelombang bunyi:

Sumber mata. Ia menghasilkan gelombang bunyi yang berbentuk sfera dan mereput dengan cepat dengan jarak dari sumber (kira-kira 6dB jika jarak dari sumber digandakan).
Sumber talian. Ia menghasilkan gelombang silinder yang keamatannya berkurangan lebih perlahan daripada dari sumber titik (untuk setiap penggandaan jarak dari sumber, keamatan berkurangan sebanyak 3 dB).
Sumber rata atau dua dimensi. Ia menghasilkan gelombang hanya dalam arah tertentu. Contoh sumber sedemikian ialah omboh yang bergerak dalam silinder.

Sumber bunyi elektronik

Untuk mencipta gelombang bunyi, sumber elektronik menggunakan membran khas (pembesar suara), yang melakukan getaran mekanikal akibat fenomena aruhan elektromagnet. Sumber ini termasuk yang berikut: