A hanghullám egy bizonyos frekvenciájú mechanikus longitudinális hullám. A cikkből meg fogjuk érteni, mik a longitudinális és keresztirányú hullámok, miért nem minden mechanikai hullám hang. Ismerje meg a hullám sebességét és a hangok előfordulási frekvenciáit. Nézzük meg, hogy a hang ugyanaz-e a különböző környezetekben, és tanuljuk meg, hogyan találjuk meg a sebességét a képlet segítségével.
Hullám jelenik meg
Képzeljünk el egy vízfelületet, például egy tavat nyugodt időben. Ha egy követ dob, akkor a víz felszínén köröket fogunk látni, amelyek eltérnek a középponttól. És mi lesz, ha nem követ, hanem labdát veszünk és rezgőmozgásba visszük? A köröket folyamatosan generálják a labda rezgései. Körülbelül ugyanazt fogjuk látni, mint a számítógépes animáción.
Ha leengedjük az úszót bizonyos távolságra a labdától, akkor az is oszcillálni fog. Amikor a térbeli fluktuációk időben eltérnek, ezt a folyamatot hullámnak nevezik.
A hang tulajdonságainak (hullámhossz, hullámsebesség stb.) tanulmányozásához a híres Rainbow játék vagy a Happy Rainbow alkalmas.
Nyújtsuk ki a rugót, hagyjuk megnyugodni és rázzuk fel-le élesen. Látni fogjuk, hogy megjelent egy hullám, amely végigfutott a forráson, majd visszatért. Ez azt jelenti, hogy visszaverődik az akadályról. Megfigyeltük, hogyan terjed a hullám a rugó mentén az idő múlásával. A rugó részecskéi az egyensúlyi állapotukhoz képest fel-le mozogtak, és a hullám jobbra-balra futott. Az ilyen hullámot keresztirányú hullámnak nevezzük. Ebben a terjedésének iránya merőleges a részecskék lengési irányára. Esetünkben a hullámterjedési közeg egy rugó volt.
Most feszítsük meg a rugót, hagyjuk megnyugodni és húzzuk előre-hátra. Látni fogjuk, hogy a rugó tekercsei összenyomódnak rajta. A hullám ugyanabba az irányba fut. Egyik helyen jobban összenyomódik a rugó, máshol jobban megfeszül. Az ilyen hullámot longitudinálisnak nevezik. A részecskéinek rezgési iránya egybeesik a terjedés irányával.
Képzeljünk el egy sűrű közeget, például egy merev testet. Ha nyírással deformáljuk, hullám keletkezik. A csak szilárd testekben ható rugalmas erők miatt jelenik meg. Ezek az erők a rugalmas hullám helyreállítását és generálását töltik be.
A folyadékot nyírással nem lehet deformálni. A keresztirányú hullám nem terjedhet gázokban és folyadékokban. Egy másik dolog longitudinális: minden olyan környezetben terjed, ahol rugalmas erők hatnak. Egy longitudinális hullámban a részecskék közelednek egymáshoz, majd távolodnak, és maga a közeg összenyomódik és megritkul.
Sokan azt gondolják, hogy a folyadékokösszenyomhatatlan, de ez nem így van. Ha vízzel megnyomja a fecskendő dugattyúját, az kissé összezsugorodik. Gázokban nyomó-húzó alakváltozás is lehetséges. Az üres fecskendő dugattyújának megnyomása összenyomja a levegőt.
Sebesség és hullámhossz
Térjünk vissza a cikk elején tárgy alt animációhoz. A feltételes labdától eltérő körök egyikén kiválasztunk egy tetszőleges pontot, és követjük azt. A pont eltávolodik a középponttól. A sebesség, amellyel mozog, a hullámhegy sebessége. Megállapíthatjuk: a hullám egyik jellemzője a hullám sebessége.
Az animáció azt mutatja, hogy a hullám csúcsai azonos távolságra helyezkednek el. Ez a hullámhossz - egy másik jellemzője. Minél gyakoribbak a hullámok, annál rövidebb a hosszuk.
Miért nem minden mechanikai hullám hangos
Vegyünk egy alumínium vonalzót.
Ugráló, így jót tesz az élménynek. A vonalzót az asztal szélére tesszük és a kezünkkel megnyomjuk, hogy erősen kilógjon. Megnyomjuk a szélét, és élesen elengedjük - a szabad rész vibrálni kezd, de nem lesz hang. Ha csak egy kicsit meghosszabbítja a vonalzót, a rövid él vibrációja hangot kelt.
Mit mutat ez az élmény? Azt demonstrálja, hogy hang csak akkor keletkezik, ha a test elég gyorsan mozog, amikor a közegben a hullámsebesség nagy. Vezessünk be a hullámnak még egy jellemzőjét - a frekvenciát. Ez az érték azt mutatja, hogy másodpercenként hány rezgést kelt a test. Amikor hullámot hozunk létre a levegőben, bizonyos körülmények között hang keletkezik – amikor elégmagas frekvencia.
Fontos megérteni, hogy a hang nem hullám, bár a mechanikai hullámokhoz kapcsolódik. A hang az az érzés, amely akkor keletkezik, amikor hang (akusztikus) hullámok hatolnak be a fülbe.
Térjünk vissza az uralkodóhoz. Ha a nagyobb részt kinyújtjuk, a vonalzó oszcillál, és nem ad ki hangot. Ez hullámot hoz létre? Persze, de ez mechanikus hullám, nem hanghullám. Most már meghatározhatunk egy hanghullámot. Ez egy mechanikus longitudinális hullám, amelynek frekvenciája 20 Hz és 20 ezer Hz közötti tartományban van. Ha a frekvencia 20 Hz-nél kisebb vagy 20 kHz-nél nagyobb, akkor nem halljuk, bár rezgés lép fel.
Hangforrás
Bármilyen rezgő test lehet akusztikus hullámok forrása, csak rugalmas közeg kell hozzá, például levegő. Nemcsak a szilárd test rezeghet, hanem a folyadék és a gáz is. A levegő több gáz keverékeként nemcsak terjedési közeg lehet, hanem maga is képes akusztikus hullám generálására. Az ő rezgései adják a fúvós hangszerek hangját. A furulya vagy a trombita nem rezeg. A levegő az, ami megritkult és összenyomódik, bizonyos sebességet ad a hullámnak, aminek hatására halljuk a hangot.
Hang terjesztése különböző környezetekben
Kiderítettük, hogy különböző anyagok hangzanak: folyékony, szilárd, gáznemű. Ugyanez vonatkozik az akusztikus hullám vezetésének képességére is. A hang bármilyen rugalmas közegben (folyékony, szilárd, gáznemű) terjed, kivéve a vákuumot. Üres térben, mondjuk a Holdon, nem halljuk egy vibráló test hangját.
Az emberek által érzékelt hangok többsége a levegőben terjed. A halak, medúzák egy akusztikus hullámot hallanak, amely a vízben szétáramlik. Mi, ha a víz alá merülünk, egy motoros hajó zaját is halljuk. Ráadásul a hullámhossz és a hullámsebesség nagyobb lesz, mint a levegőben. Ez azt jelenti, hogy a motor hangját fogja először hallani a víz alatt merülő személy. A halász, aki ugyanazon a helyen ül a csónakjában, később hallja a zajt.
Szilárd testben a hang még jobban terjed, és a hullámsebesség is nagyobb. Ha kemény tárgyat, főleg fémet tesz a füléhez, és rákoppint, nagyon jól fog hallani. Egy másik példa a saját hangod. Amikor először halljuk beszédünket, amelyet korábban hangrögzítővel vagy videóról vettünk fel, a hang idegennek tűnik. Miért történik ez? Mert az életben nem annyira hangrezgéseket hallunk a szánkból, mint inkább a koponyánk csontjain áthaladó hullámok rezgéseit. Az ezekről az akadályokról visszaverődő hang némileg megváltozik.
Hangsebesség
A hanghullám sebessége, ha ugyanazt a hangot vesszük figyelembe, különböző környezetekben eltérő lesz. Minél sűrűbb a közeg, annál gyorsabban éri el a hang a fülünket. Olyan messzire mehet tőlünk a vonat, hogy még nem hallatszik a kerekek hangja. Ha azonban a fülét a sínekre helyezi, tisztán halljuk a dübörgést.
Ez arra utal, hogy a hanghullámok gyorsabban terjednek szilárd anyagokban, mint levegőben. Az ábra a hangsebességet mutatja különböző környezetekben.
Hullámegyenlet
A sebesség, a frekvencia és a hullámhossz összekapcsolódik. A magas frekvencián rezgő testeknél a hullám rövidebb. Az alacsony frekvenciájú hangok nagyobb távolságból is hallhatók, mert hosszabb a hullámhosszuk. Két hullámegyenlet létezik. Illusztrálják a hullámkarakterisztikák egymástól való kölcsönös függését. Az egyenletekből bármely két mennyiség ismeretében kiszámíthatja a harmadikat:
с=ν × λ, ahol c a sebesség, ν a frekvencia, λ a hullámhossz.
Második akusztikus hullám egyenlet:
s=λ / T, ahol T a periódus, azaz az az idő, ameddig a test egy rezgést végez.
