Lydbølge: formel, egenskaper. Kilder til lydbølger

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 05:37

En lydbølge er en bølgeprosess som skjer i gassformige, flytende og faste medier, som når den når de menneskelige hørselsorganene, oppfattes av dem som lyd. Frekvensen til disse bølgene ligger i området fra 20 til 20 000 svingninger per sekund. Vi gir formler for en lydbølge og vurderer dens egenskaper mer detaljert.

Hvorfor er det en lydbølge?

Mange lurer på hva en lydbølge er. Lydens natur ligger i forekomsten av forstyrrelse i et elastisk medium. For eksempel, når en trykkforstyrrelse i form av kompresjon oppstår i et visst volum luft, har dette området en tendens til å spre seg i rommet. Denne prosessen fører til komprimering av luft i områder ved siden av kilden, som også har en tendens til å utvide seg. Denne prosessen dekker mer og mer av plassen til den når en mottaker, for eksempel det menneskelige øret.

Generelle egenskaper for lydbølger

La oss vurdere hva en lydbølge er og hvordan den oppfattes av det menneskelige øret. Lydbølgeer langsgående, forårsaker den, når den kommer inn i øreskallet, vibrasjoner av trommehinnen med en viss frekvens og amplitude. Du kan også representere disse svingningene som periodiske endringer i trykk i mikrovolumet av luft ved siden av membranen. Først øker det i forhold til norm alt atmosfærisk trykk, og avtar deretter, i samsvar med de matematiske lovene for harmonisk bevegelse. Amplituden til endringer i luftkompresjon, det vil si forskjellen mellom maksim alt eller minimumstrykk som skapes av en lydbølge, med atmosfærisk trykk er proporsjonal med amplituden til selve lydbølgen.

Mange fysiske eksperimenter har vist at det maksimale trykket som det menneskelige øret kan oppfatte uten å skade det, er 2800 µN/cm². Til sammenligning, la oss si at det atmosfæriske trykket nær jordoverflaten er 10 millioner µN/cm^{2. Med tanke på proporsjonaliteten til trykk og oscillasjonsamplitude, kan vi si at sistnevnte verdi er ubetydelig selv for de sterkeste bølgene. Hvis vi snakker om lengden på en lydbølge, vil den for en frekvens på 1000 vibrasjoner per sekund være en tusendels centimeter.}

De svakeste lydene skaper trykksvingninger i størrelsesorden 0,001µN/cm², den tilsvarende bølgeoscillasjonsamplituden for en frekvens på 1000 Hz er 10^{- 9}cm, mens gjennomsnittsdiameteren til luftmolekyler er 10^{-8 cm, det vil si at det menneskelige øret er et ekstremt følsomt organ.}

Konseptet med intensiteten til lydbølger

Med geometriskFra synspunktet til en lydbølge er det en vibrasjon av en viss form, fra det fysiske synspunktet er hovedegenskapen til lydbølger deres evne til å overføre energi. Det viktigste eksemplet på overføring av bølgeenergi er solen, hvis utstrålte elektromagnetiske bølger gir energi til hele planeten vår.

Intensiteten til en lydbølge i fysikk er definert som mengden energi som bæres av en bølge gjennom en enhetsoverflate, som er vinkelrett på bølgens utbredelse, og per tidsenhet. Kort sagt, intensiteten til en bølge er dens kraft som overføres gjennom en enhetsareal.

Styrken til lydbølger måles vanligvis i desibel, som er basert på en logaritmisk skala, praktisk for praktisk analyse av resultatene.

Intensitet av forskjellige lyder

Følgende desibelskala gir en idé om betydningen av ulike lydintensiteter og følelsene den forårsaker:

terskel for ubehagelige og ubehagelige opplevelser starter ved 120 desibel (dB);
naglehammer genererer 95 dB støy;
høyhastighetstog - 90 dB;
trafikkgate - 70 dB;
volumet av en vanlig samtale mellom mennesker er 65 dB;
Moderne bil som beveger seg i moderate hastigheter genererer 50 dB støy;
gjennomsnittlig radiovolum - 40 dB;
stille samtale - 20 dB;
støy fra treløvverk - 10 dB;
Minste terskel for menneskelig lydfølsomhet er nær 0 dB.

Følsomheten til det menneskelige øret avhenger avlydfrekvens og er maksimalverdien for lydbølger med en frekvens på 2000-3000 Hz. For en lyd i dette frekvensområdet er den nedre terskelen for menneskelig følsomhet 10-5 dB. Høyere og lavere frekvenser enn det spesifiserte intervallet fører til en økning i den nedre følsomhetsterskelen på en slik måte at en person hører frekvenser nær 20 Hz og 20 000 Hz bare ved en intensitet på flere titalls dB.

Når det gjelder den øvre terskelen for intensitet, hvoretter lyden begynner å forårsake ulempe for en person og til og med smerte, skal det sies at den praktisk t alt ikke er avhengig av frekvens og ligger i området 110-130 dB.

Geometriske egenskaper til en lydbølge

En ekte lydbølge er en kompleks oscillerende pakke av langsgående bølger, som kan dekomponeres til enkle harmoniske vibrasjoner. Hver slik oscillasjon er beskrevet fra et geometrisk synspunkt med følgende egenskaper:

Amplitude - det maksimale avviket for hver del av bølgen fra likevekt. For denne verdien, betegnelsen A.
Periode. Dette er tiden det tar for en enkel bølge å fullføre sin fullstendige svingning. Etter denne tiden begynner hvert punkt i bølgen å gjenta sin oscillerende prosess. Perioden er vanligvis betegnet med bokstaven T og målt i sekunder i SI-systemet.
Frekvens. Dette er en fysisk størrelse som viser hvor mange svingninger en gitt bølge gjør per sekund. Det vil si at det i sin betydning er en verdi omvendt til perioden. Det er betegnet med den latinske bokstaven f. For frekvensen til en lydbølge er formelen for å bestemme den gjennom en periode som følger: f=1/T.
Lengden på en bølge er avstanden den tilbakelegger i en svingningsperiode. Geometrisk er bølgelengden avstanden mellom to nærmeste maksima eller to nærmeste minima på en sinusformet kurve. Oscillasjonslengden til en lydbølge er avstanden mellom de nærmeste områdene med luftkompresjon eller de nærmeste stedene for dens sjeldne i rommet der bølgen beveger seg. Det er vanligvis betegnet med den greske bokstaven λ.
Hastigheten til lydbølgeutbredelse er avstanden som kompresjonsområdet eller sjeldne utbredelse av bølgen forplanter seg over per tidsenhet. Denne verdien er angitt med bokstaven v. For hastigheten til en lydbølge er formelen: v=λf.

Geometrien til en ren lydbølge, det vil si en bølge med konstant renhet, adlyder en sinusformet lov. I det generelle tilfellet er formelen for en lydbølge: y=Asin(ωt), hvor y er verdien av koordinaten til et gitt punkt på bølgen, t er tid, ω=2pif er den sykliske oscillasjonsfrekvensen.

Aperiodisk lyd

Mange lydkilder kan betraktes som periodiske, for eksempel lyden fra musikkinstrumenter som gitar, piano, fløyte, men det er også et stort antall lyder i naturen som er aperiodiske, det vil si at lydvibrasjoner endres deres frekvens og form i rommet. Teknisk sett kalles denne typen lyd støy. lyseksempler på aperiodisk lyd er urban støy, lyden av havet, lyder fra perkusjonsinstrumenter, som en tromme, og andre.

Lydformidlingsmedium

I motsetning til elektromagnetisk stråling, hvis fotoner ikke trenger noe materiell medium for deres forplantning, er lydens natur slik at et bestemt medium er nødvendig for dens forplantning, det vil si at i henhold til fysikkens lover kan ikke lydbølger forplante seg i vakuum.

Lyd kan reise gjennom gasser, væsker og faste stoffer. Hovedkarakteristikkene til en lydbølge som forplanter seg i et medium er som følger:

bølge forplanter seg lineært;
den sprer seg likt i alle retninger i et homogent medium, det vil si at lyd divergerer fra kilden og danner en perfekt sfærisk overflate.
uavhengig av lydens amplitude og frekvens, forplanter bølgene seg med samme hastighet i et gitt medium.

Hastigheten til lydbølger i ulike medier

Hastigheten på lydutbredelsen avhenger av to hovedfaktorer: mediet som bølgen beveger seg i og temperaturen. Generelt gjelder følgende regel: jo tettere mediet er, og jo høyere temperaturen er, desto raskere beveger lyden seg i det.

For eksempel er forplantningshastigheten til en lydbølge i luften nær jordoverflaten ved en temperatur på 20 ℃ og en luftfuktighet på 50 % 1235 km/t eller 343 m/s. I vann ved en gitt temperatur går lyden 4,5 ganger raskere, dadet er ca 5735 km/t eller 1600 m/s. Når det gjelder lydhastighetens avhengighet av temperaturen i luften, øker den med 0,6 m/s med en økning i temperaturen for hver grad Celsius.

Timbre og tone

Hvis en streng eller metallplate får vibrere fritt, vil den produsere lyder med forskjellige frekvenser. Det er svært sjelden å finne en kropp som sender ut en lyd med én bestemt frekvens, vanligvis har lyden til et objekt et sett med frekvenser i et visst intervall.

Klangen til en lyd bestemmes av antall harmoniske som er tilstede i den og deres respektive intensiteter. Timbre er en subjektiv verdi, det vil si at det er oppfatningen av et klingende objekt av en bestemt person. Timbre er vanligvis preget av følgende adjektiv: høy, briljant, klangfull, melodisk og så videre.

Tone er en lydsensasjon som gjør at den kan klassifiseres som høy eller lav. Denne verdien er også subjektiv og kan ikke måles med noe instrument. Tone er assosiert med en objektiv størrelse - frekvensen til en lydbølge, men det er ingen entydig sammenheng mellom dem. For eksempel, for en enkeltfrekvenslyd med konstant intensitet, stiger tonen når frekvensen øker. Hvis frekvensen til lyden forblir konstant, men dens intensitet øker, blir tonen lavere.

Shape of sound sources

I henhold til formen på kroppen som vibrerer mekanisk og derved genererer lyd, er det tre hovedtyper av lydbølgekilder:

Punktkilde. Den produserer lydbølger som er sfæriske i form og avtar raskt med avstand fra kilden (omtrent 6dB hvis avstanden fra kilden dobles).
Linjekilde. Den skaper sylindriske bølger hvis intensitet avtar saktere enn fra en punktkilde (for hver dobling av avstanden fra kilden, reduseres intensiteten med 3 dB).
En flat eller todimensjonal kilde. Det genererer bølger bare i en bestemt retning. Et eksempel på en slik kilde kan være et stempel som beveger seg i en sylinder.

Elektroniske lydkilder

For å lage en lydbølge bruker elektroniske kilder en spesiell membran (høyttaler), som utfører mekaniske vibrasjoner på grunn av fenomenet elektromagnetisk induksjon. Disse kildene inkluderer følgende: