A hanghullám egy gáznemű, folyékony és szilárd közegben végbemenő hullámfolyamat, amelyet amikor elér az emberi hallószervekhez, azokat hangként érzékelik. Ezeknek a hullámoknak a frekvenciája másodpercenként 20 és 20 000 oszcilláció közötti tartományba esik. Képleteket adunk egy hanghullámhoz, és részletesebben megvizsgáljuk a tulajdonságait.
Miért van hanghullám?
Sokan kíváncsiak arra, mi az a hanghullám. A hang természete abban rejlik, hogy rugalmas közegben perturbáció lép fel. Például, ha egy bizonyos mennyiségű levegőben nyomászavar lép fel kompresszió formájában, ez a terület hajlamos a térben terjedni. Ez a folyamat a levegő összenyomásához vezet a forrás melletti területeken, amelyek szintén hajlamosak kitágulni. Ez a folyamat a tér egyre nagyobb részét fedi le, amíg el nem ér egy vevőkészüléket, például az emberi fület.
A hanghullámok általános jellemzői
Vizsgáljuk meg, mi a hanghullám, és hogyan érzékeli azt az emberi fül. Hanghullámhosszirányú, a fülkagylóba kerülve meghatározott frekvenciájú és amplitúdójú rezgéseket okoz a dobhártyában. Ezeket az ingadozásokat a membrán melletti levegő mikrotérfogatának periodikus nyomásváltozásaiként is ábrázolhatja. Először a normál légköri nyomáshoz képest növekszik, majd a harmonikus mozgás matematikai törvényeinek engedelmeskedve csökken. A légkompresszió változásának amplitúdója, vagyis a hanghullám által létrehozott maximális vagy minimális nyomás közötti különbség a légköri nyomással arányos magának a hanghullámnak az amplitúdójával.
Számos fizikai kísérlet kimutatta, hogy az emberi fül által érzékelhető maximális nyomás 2800 µN/cm2. Összehasonlításképpen tegyük fel, hogy a légköri nyomás a Föld felszíne közelében 10 millió µN/cm2. Figyelembe véve a nyomás és az oszcillációs amplitúdó arányát, elmondhatjuk, hogy ez utóbbi érték még a legerősebb hullámok esetén is jelentéktelen. Ha a hanghullám hosszáról beszélünk, akkor 1000 rezgés/másodperc frekvencia esetén ez a centiméter ezredrésze.
A leggyengébb hangok 0,001µN/cm2 nagyságrendű nyomásingadozást okoznak, a megfelelő hullámoszcillációs amplitúdó 1000 Hz-es frekvenciánál 10- 9cm, míg a levegőmolekulák átlagos átmérője 10-8 cm, vagyis az emberi fül rendkívül érzékeny szerv.
A hanghullámok intenzitásának fogalma
GometriávalA hanghullám szempontjából egy bizonyos formájú rezgés, fizikai szempontból a hanghullámok fő tulajdonsága az energiaátviteli képesség. A hullámenergia átvitel legfontosabb példája a Nap, amelynek kisugárzott elektromágneses hullámai energiával látják el egész bolygónkat.
A hanghullám intenzitását a fizikában úgy definiáljuk, mint azt az energiamennyiséget, amelyet egy hullám egy egységnyi felületen, a hullám terjedésére merőlegesen szállít, egységnyi idő alatt. Röviden, a hullám intenzitása az egységnyi területen átvitt teljesítmény.
A hanghullámok erősségét általában decibelben mérik, amelyek egy logaritmikus skálán alapulnak, ami kényelmes az eredmények gyakorlati elemzéséhez.
Különféle hangok intenzitása
A következő decibel skála képet ad a különböző hangintenzitások jelentéséről és az általuk keltett érzetekről:
- a kellemetlen és kellemetlen érzések küszöbértéke 120 decibelnél (dB) kezdődik;
- a szegecselő kalapács 95 dB zajt kelt;
- nagy sebességű vonat - 90 dB;
- forgalmi utca - 70 dB;
- egy normális beszélgetés hangereje emberek között 65 dB;
- A mérsékelt sebességgel haladó modern autó 50 dB zajt kelt;
- átlagos rádió hangerő - 40 dB;
- csendes beszélgetés - 20 dB;
- fa lombozatának zaja - 10 dB;
- A minimális emberi hangérzékenységi küszöb közel 0 dB.
Az emberi fül érzékenysége attól függhangfrekvencia és a 2000-3000 Hz frekvenciájú hanghullámok maximális értéke. Ebben a frekvenciatartományban az emberi érzékenység alsó küszöbe 10-5 dB. A megadott intervallumnál magasabb és alacsonyabb frekvenciák az alsó érzékenységi küszöb növekedéséhez vezetnek oly módon, hogy a személy a 20 Hz-hez és a 20 000 Hz-hez közeli frekvenciákat csak néhány tíz dB-es intenzitás mellett hallja.
Ami az intenzitás felső küszöbét illeti, amely után a hang kényelmetlenséget, sőt fájdalmat is okoz az embernek, azt kell mondani, hogy gyakorlatilag nem függ a frekvenciától, és a 110-130 dB tartományba esik..
A hanghullám geometriai jellemzői
A valódi hanghullám longitudinális hullámok összetett oszcilláló csomagja, amely egyszerű harmonikus rezgésekre bontható. Minden egyes ilyen rezgést geometriai szempontból a következő jellemzők írnak le:
- Amplitúdó – a hullám egyes szakaszainak maximális eltérése az egyensúlyi állapottól. Ennél az értéknél az A. jelölés
- Időszak. Ennyi idő kell ahhoz, hogy egy egyszerű hullám befejezze a teljes oszcillációját. Ezen idő elteltével a hullám minden pontja elkezdi megismételni az oszcillációs folyamatát. Az időszakot általában T betűvel jelölik, és az SI rendszerben másodpercben mérik.
- Frekvencia. Ez egy fizikai mennyiség, amely megmutatja, hogy egy adott hullám hány oszcillációt okoz másodpercenként. Vagyis jelentésében a periódussal fordított érték. A latin f betűvel jelöljük. A hanghullám frekvenciájának perióduson keresztüli meghatározásának képlete a következő: f=1/T.
- A hullám hossza az a távolság, amelyet egy rezgésperiódus alatt megtesz. Geometriailag a hullámhossz két legközelebbi maximum vagy két legközelebbi minimum közötti távolság egy szinuszos görbén. A hanghullám oszcillációs hossza a légnyomás legközelebbi területei vagy a legközelebbi ritkulási helyei közötti távolság abban a térben, ahol a hullám mozog. Általában a görög λ betűvel jelölik.
- A hanghullám terjedési sebessége az a távolság, amelyen a hullám kompressziós területe vagy ritkulási területe időegység alatt terjed. Ezt az értéket v betű jelöli. A hanghullám sebességére a képlet a következő: v=λf.
A tiszta hanghullám, vagyis az állandó tisztaságú hullám geometriája egy szinuszos törvénynek engedelmeskedik. Általános esetben a hanghullám képlete: y=Asin(ωt), ahol y a hullám adott pontjának koordinátájának értéke, t az idő, ω=2pif a ciklikus oszcillációs frekvencia.
Időszakos hangzás
Számos hangforrás tekinthető periodikusnak, például a hangszerek, például a gitár, zongora, furulya hangja, de a természetben nagyszámú olyan hang is előfordul, amelyek periodikusak, vagyis a hangrezgés megváltozik. gyakoriságuk és alakjuk a térben. Technikailag ezt a fajta hangot zajnak nevezik. fényesaz időszakos hangzás példái a városi zaj, a tenger hangja, az ütős hangszerek, például a dob hangjai és mások.
Hangterjedési közeg
Eltérően az elektromágneses sugárzástól, amelynek fotonjai nem igényelnek anyagi közeget a terjedéshez, a hang természete olyan, hogy a terjedéséhez szükség van egy bizonyos közegre, vagyis a fizika törvényei szerint a hanghullámok nem képesek vákuumban terjed.
A hang áthaladhat gázokon, folyadékokon és szilárd anyagokon. A közegben terjedő hanghullám fő jellemzői a következők:
- hullám lineárisan terjed;
- homogén közegben minden irányba egyformán terjed, vagyis a hang eltávolodik a forrástól, tökéletes gömbfelületet alkotva.
- a hang amplitúdójától és frekvenciájától függetlenül hullámai azonos sebességgel terjednek egy adott közegben.
A hanghullámok sebessége a különböző médiában
A hang terjedésének sebessége két fő tényezőtől függ: a közegtől, amelyben a hullám mozog, és a hőmérséklettől. Általában a következő szabály érvényes: minél sűrűbb a közeg, és minél magasabb a hőmérséklete, annál gyorsabban mozog benne a hang.
Például egy hanghullám terjedési sebessége a Föld felszínéhez közeli levegőben 20 ℃ hőmérsékleten és 50%-os páratartalom mellett 1235 km/h vagy 343 m/s. Ekkor egy adott hőmérsékletű vízben 4,5-szer gyorsabban terjed a hangkb 5735 km/h vagy 1600 m/s. Ami a hangsebesség levegőhőmérséklettől való függését illeti, a hőmérséklet minden Celsius-fokkal 0,6 m/s-mal növekszik.
Hangszín és hangszín
Ha egy húr vagy fémlemez szabadon rezeg, különböző frekvenciájú hangokat ad ki. Nagyon ritkán találunk olyan testet, amely egy bizonyos frekvenciájú hangot bocsát ki, általában egy objektum hangjának frekvenciái vannak egy bizonyos intervallumban.
Egy hang hangszínét a benne lévő harmonikusok száma és azok intenzitása határozza meg. A hangszín szubjektív érték, vagyis egy hangzó tárgy konkrét személy általi észlelése. A hangszínt általában a következő melléknevek jellemzik: magas, ragyogó, hangzatos, dallamos stb.
A hang olyan hangérzet, amely lehetővé teszi, hogy magasra vagy halkra besoroljuk. Ez az érték szintén szubjektív, és semmilyen műszerrel nem mérhető. A hang egy objektív mennyiséghez kapcsolódik - a hanghullám frekvenciájához, de nincs egyértelmű kapcsolat közöttük. Például egy állandó intenzitású egyfrekvenciás hangnál a hangszín a frekvencia növekedésével emelkedik. Ha a hang frekvenciája állandó marad, de az intenzitása nő, akkor a hangszín alacsonyabb lesz.
Hangforrások alakja
A test mechanikusan vibráló és ezáltal hangot generáló alakja szerint a hanghullámok forrásának három fő típusa van:
- Pontforrás. Olyan hanghullámokat hoz létre, amelyek gömb alakúak, és a forrástól való távolság függvényében gyorsan csillapodnak (kb. 6 dB, ha a forrástól való távolság megduplázódik).
- Vonalforrás. Hengeres hullámokat hoz létre, amelyek intenzitása lassabban csökken, mint a pontforrástól (a forrástól való távolság minden megkétszerezésekor az intenzitás 3 dB-lel csökken).
- Sík vagy kétdimenziós forrás. Csak egy bizonyos irányú hullámot generál. Ilyen forrás például a hengerben mozgó dugattyú.
Elektronikus hangforrások
A hanghullám létrehozásához az elektronikus források speciális membránt (hangszórót) használnak, amely az elektromágneses indukció jelensége miatt mechanikai rezgéseket hajt végre. Ezek a források a következők:
- lejátszók különféle lemezekhez (CD, DVD és egyebek);
- kazettás magnók;
- rádiók;
- TV-k és néhány más.
