En lydbølge er en mekanisk langsgående bølge med en viss frekvens. I artikkelen vil vi forstå hva langsgående og tverrgående bølger er, hvorfor ikke hver mekanisk bølge er lyd. Finn ut hastigheten til bølgen og frekvensene som lyd oppstår med. La oss finne ut om lyden er den samme i forskjellige miljøer og lære hvordan du finner hastigheten ved hjelp av formelen.
Wave vises
La oss se for oss en vannflate, for eksempel en dam i stille vær. Hvis du kaster en stein, vil vi på overflaten av vannet se sirkler som divergerer fra midten. Og hva vil skje hvis vi ikke tar en stein, men en ball og bringer den i oscillerende bevegelse? Sirklene vil konstant genereres av vibrasjonene til ballen. Vi vil se omtrent det samme som vist i dataanimasjonen.
Hvis vi senker flottøren et stykke fra ballen, vil den også svinge. Når fluktuasjoner divergerer i rommet over tid, kalles denne prosessen en bølge.
For å studere egenskapene til lyd (bølgelengde, bølgehastighet, etc.), er den berømte Rainbow-leken, eller Happy Rainbow, egnet.
La oss strekke våren, la den roe seg og riste den kraftig opp og ned. Vi vil se at en bølge dukket opp, som løp langs våren, og deretter returnerte tilbake. Dette betyr at det reflekteres fra hindringen. Vi observerte hvordan bølgen forplantet seg langs våren over tid. Fjærpartiklene beveget seg opp og ned i forhold til deres likevekt, og bølgen løp til venstre og høyre. En slik bølge kalles en tverrbølge. I den er forplantningsretningen vinkelrett på oscillasjonsretningen til partiklene. I vårt tilfelle var bølgeutbredelsesmediet en fjær.
La oss nå strekke fjæren, la den roe seg og trekke frem og tilbake. Vi vil se at fjærens spiraler er komprimert langs den. Bølgen går i samme retning. Et sted er fjæren mer komprimert, et annet er den mer strukket. En slik bølge kalles longitudinell. Oscillasjonsretningen til partiklene sammenfaller med forplantningsretningen.
La oss forestille oss et tett medium, for eksempel en stiv kropp. Hvis vi deformerer den ved å skjære, vil det oppstå en bølge. Det vil vises på grunn av de elastiske kreftene som bare virker i faste stoffer. Disse kreftene spiller rollen som gjenoppretting og genererer en elastisk bølge.
Du kan ikke deformere en væske ved å skjære. En tverrbølge kan ikke forplante seg i gasser og væsker. En annen ting er langsgående: den sprer seg i alle miljøer der elastiske krefter virker. I en langsgående bølge nærmer partiklene seg hverandre, for så å bevege seg bort, og selve mediet blir komprimert og sjeldnet.
Mange tror at væskerukomprimerbar, men dette er ikke tilfelle. Hvis du trykker på stempelet på sprøyten med vann, vil den krympe litt. I gasser er trykk-strekkdeformasjon også mulig. Trykk på stempelet på en tom sprøyte for å komprimere luften.
Hastighet og bølgelengde
La oss gå tilbake til animasjonen som vi vurderte i begynnelsen av artikkelen. Vi velger et vilkårlig punkt på en av sirklene som divergerer fra den betingede ballen og følger den. Punktet beveger seg bort fra sentrum. Hastigheten den beveger seg med er hastigheten til bølgetoppen. Vi kan konkludere: en av egenskapene til bølgen er bølgens hastighet.
Animasjonen viser at bølgetoppene er plassert i samme avstand. Dette er bølgelengden - en annen av dens egenskaper. Jo hyppigere bølgene er, desto kortere er lengden.
Hvorfor er ikke hver mekanisk bølge lyd
Ta en linjal av aluminium.
Det er sprett, så det er bra for opplevelsen. Vi legger linjalen på kanten av bordet og presser den med hånden slik at den stikker kraftig ut. Vi trykker på kanten og slipper den skarpt - den frie delen begynner å vibrere, men det kommer ingen lyd. Hvis du forlenger linjalen bare litt, vil vibrasjonen av kortsiden skape en lyd.
Hva viser denne opplevelsen? Den demonstrerer at lyd bare oppstår når en kropp beveger seg raskt nok når bølgehastigheten i mediet er høy. La oss introdusere en mer karakteristikk av bølgen - frekvensen. Denne verdien viser hvor mange vibrasjoner per sekund kroppen lager. Når vi lager en bølge i luften, oppstår lyd under visse forhold – når det er nokhøy frekvens.
Det er viktig å forstå at lyd ikke er en bølge, selv om den er relatert til mekaniske bølger. Lyd er følelsen som oppstår når lydbølger (akustiske) kommer inn i øret.
La oss gå tilbake til herskeren. Når den største delen er forlenget, svinger linjalen og lager ingen lyd. Skaper dette en bølge? Jada, men det er en mekanisk bølge, ikke en lydbølge. Nå kan vi definere en lydbølge. Dette er en mekanisk langsgående bølge, hvis frekvens er i området fra 20 Hz til 20 tusen Hz. Hvis frekvensen er mindre enn 20 Hz eller mer enn 20 kHz, vil vi ikke høre den, selv om vibrasjoner vil oppstå.
Lydkilde
Enhver oscillerende kropp kan være en kilde til akustiske bølger, den trenger bare et elastisk medium, for eksempel luft. Ikke bare et fast legeme kan vibrere, men også en væske og en gass. Luft som en blanding av flere gasser kan ikke bare være et forplantningsmedium - den er selv i stand til å generere en akustisk bølge. Det er vibrasjonene hans som ligger til grunn for lyden av blåseinstrumenter. Fløyten eller trompeten vibrerer ikke. Det er luften som sjeldnes og komprimeres, gir en viss hastighet til bølgen, som et resultat av at vi hører lyden.
Spredning av lyd i forskjellige miljøer
Vi fant ut at forskjellige stoffer høres ut: flytende, fast, gassformig. Det samme gjelder evnen til å lede en akustisk bølge. Lyd forplanter seg i et hvilket som helst elastisk medium (flytende, fast, gassformig), bortsett fra vakuum. I et tomt rom, si på månen, vil vi ikke høre lyden av en vibrerende kropp.
De fleste lydene som oppfattes av mennesker er luftbårne. Fisk, maneter hører en akustisk bølge som divergerer gjennom vannet. Vi, hvis vi dykker under vannet, vil også høre støyen fra en motorbåt som passerer. Dessuten vil bølgelengden og bølgehastigheten være høyere enn i luft. Dette betyr at lyden fra motoren vil være den første som blir hørt av en person som dykker under vann. Fiskeren, som sitter i båten sin på samme sted, vil høre støyen senere.
I faste stoffer beveger lyd seg enda bedre, og bølgehastigheten er høyere. Hvis du legger en hard gjenstand, spesielt metall, mot øret og banker på den, vil du høre veldig godt. Et annet eksempel er din egen stemme. Når vi først hører talen vår, tidligere spilt inn på en stemmeopptaker eller fra en video, virker stemmen fremmed. Hvorfor skjer dette? For i livet hører vi ikke så mye lydvibrasjoner fra munnen vår som vibrasjoner av bølger som passerer gjennom hodeskallen vår. Lyden som reflekteres fra disse hindringene endres noe.
Lydhastighet
Hastigheten til en lydbølge, hvis vi vurderer den samme lyden, vil være forskjellig i forskjellige miljøer. Jo tettere mediet er, desto raskere når lyden øret vårt. Toget kan gå så langt fra oss at lyden av hjulene ikke kan høres ennå. Men hvis du legger øret til skinnene, kan vi tydelig høre rumlingen.
Dette antyder at lydbølger beveger seg raskere i faste stoffer enn i luft. Figuren viser lydhastigheten i forskjellige miljøer.
Bølgeligning
Hastighet, frekvens og bølgelengde henger sammen. For kropper som vibrerer med høy frekvens er bølgen kortere. Lavfrekvente lyder kan høres på større avstand fordi de har lengre bølgelengde. Det er to bølgeligninger. De illustrerer den gjensidige avhengigheten av bølgekarakteristikker fra hverandre. Når du kjenner to størrelser fra ligningene, kan du beregne den tredje:
с=ν × λ, der c er hastigheten, ν er frekvensen, λ er bølgelengden.
Andre akustiske bølgeligning:
s=λ / T, hvor T er perioden, dvs. tiden som kroppen gjør en svingning.
