Äänia alto on tietyn taajuuden mekaaninen pitkittäisa alto. Artikkelissa ymmärrämme, mitä pitkittäiset ja poikittaiset aallot ovat, miksi kaikki mekaaniset aallot eivät ole ääntä. Selvitä aallon nopeus ja taajuudet, joilla ääni esiintyy. Selvitetään, onko ääni sama eri ympäristöissä ja opimme selvittämään sen nopeuden kaavan avulla.
A alto ilmestyy
Kuvitellaan veden pintaa, esimerkiksi lampi tyynellä säällä. Jos heität kiven, näemme veden pinnalla ympyröitä, jotka poikkeavat keskustasta. Ja mitä tapahtuu, jos emme ota kiveä vaan palloa ja saatamme sen värähtelevään liikkeeseen? Ympyrät syntyvät jatkuvasti pallon värähtelyjen vaikutuksesta. Näemme suunnilleen saman kuin tietokoneanimaatiossa.
Jos laskemme kellunta jonkin matkan päässä pallosta, se myös värähtelee. Kun vaihtelut hajoavat avaruudessa ajan myötä, tätä prosessia kutsutaan aalloksi.
Äänen ominaisuuksien (aallonpituus, aallonnopeus jne.) tutkimiseen sopii kuuluisa Rainbow-lelu eli Happy Rainbow.
Veytetään jousta, annetaan sen rauhoittua ja ravistellaan ylös ja alas jyrkästi. Näemme, että ilmestyi a alto, joka juoksi jousta pitkin ja palasi sitten takaisin. Tämä tarkoittaa, että se heijastuu esteestä. Havaitsimme kuinka a alto eteni jousta pitkin ajan myötä. Jousen hiukkaset liikkuivat ylös ja alas suhteessa tasapainoon, ja a alto juoksi vasemmalle ja oikealle. Tällaista a altoa kutsutaan poikittaiseksi aalloksi. Siinä sen etenemissuunta on kohtisuorassa hiukkasten värähtelysuuntaan nähden. Meidän tapauksessamme aallon etenemisväliaine oli jousi.
Nyt venytetään jousta, annetaan sen rauhoittua ja vedetään edestakaisin. Näemme, että jousen käämit puristuvat sitä pitkin. A alto kulkee samaan suuntaan. Yhdessä paikassa jousi on enemmän puristettu, toisessa enemmän venytetty. Tällaista a altoa kutsutaan pituussuuntaiseksi. Sen hiukkasten värähtelysuunta on sama kuin etenemissuunta.
Kuvitellaan tiheä väliaine, esimerkiksi jäykkä runko. Jos muotoilemme sen leikkaamalla, syntyy a alto. Se näkyy vain kiinteisiin aineisiin vaikuttavien elastisten voimien vuoksi. Nämä voimat palauttavat ja luovat elastisen aallon.
Nestettä ei voi muuttaa leikkausvoimalla. Poikittaisa alto ei voi levitä kaasuissa ja nesteissä. Toinen asia on pitkittäinen: se leviää kaikissa ympäristöissä, joissa elastiset voimat vaikuttavat. Pitkittäisessä aallossa hiukkaset lähestyvät toisiaan, sitten siirtyvät pois, ja itse väliaine puristuu ja harvennetaan.
Monet ihmiset ajattelevat, että nesteetpuristamaton, mutta näin ei ole. Jos painat ruiskun mäntää vedellä, se kutistuu hieman. Kaasuissa puristus-vetomuodonmuutos on myös mahdollinen. Tyhjän ruiskun männän painaminen puristaa ilman.
Nopeus ja aallonpituus
Palataanpa animaatioon, jota tarkastelimme artikkelin alussa. Valitsemme mieliv altaisen pisteen yhdestä ehdollisesta pallosta poikkeavasta ympyrästä ja seuraamme sitä. Piste siirtyy pois keskustasta. Nopeus, jolla se liikkuu, on aallon harjanteen nopeus. Voimme päätellä: yksi aallon ominaisuuksista on aallon nopeus.
Animaatio osoittaa, että aallon harjat sijaitsevat samalla etäisyydellä. Tämä on aallonpituus - toinen sen ominaisuuksista. Mitä useammin aallot ovat, sitä lyhyempi niiden pituus.
Miksi ei jokainen mekaaninen a alto ole ääntä
Ota alumiiniviivain.
Se on pomppiva, joten se on hyvä kokemukselle. Laitamme viivaimen pöydän reunaan ja painamme sitä kädellä niin, että se työntyy voimakkaasti esiin. Painamme sen reunaa ja vapautamme sen jyrkästi - vapaa osa alkaa värisemään, mutta ääntä ei kuulu. Jos pidentää viivain vain hieman, lyhyen reunan värähtely luo äänen.
Mitä tämä kokemus osoittaa? Se osoittaa, että ääntä syntyy vain, kun keho liikkuu tarpeeksi nopeasti, kun aallonnopeus väliaineessa on korkea. Esitetään vielä yksi aallon ominaisuus - taajuus. Tämä arvo näyttää kuinka monta värähtelyä sekunnissa keho tekee. Kun luomme aallon ilmaan, ääni esiintyy tietyissä olosuhteissa - kun tarpeeksikorkea taajuus.
On tärkeää ymmärtää, että ääni ei ole a alto, vaikka se liittyy mekaanisiin a altoihin. Ääni on tunne, joka syntyy, kun (akustiset) aallot tulevat korvaan.
Palataanpa hallitsijaan. Kun suurempi osa on pidennetty, viivain värähtelee eikä anna ääntä. Luoko tämä aallon? Toki, mutta se on mekaaninen a alto, ei äänia alto. Nyt voimme määritellä ääniaallon. Tämä on mekaaninen pitkittäinen a alto, jonka taajuus on välillä 20 Hz - 20 tuhatta Hz. Jos taajuus on alle 20 Hz tai yli 20 kHz, emme kuule sitä, vaikka tärinää esiintyy.
Äänilähde
Mikä tahansa värähtelevä kappale voi olla akustisten a altojen lähde, se tarvitsee vain joustavan väliaineen, esimerkiksi ilman. Ei vain kiinteä kappale voi täristä, vaan myös neste ja kaasu. Ilma useiden kaasujen seoksena ei voi olla vain etenemisväliaine - se itse pystyy synnyttämään akustisen aallon. Hänen värähtelynsä ovat puhallinsoittimien äänen taustalla. Huilu tai trumpetti ei värise. Se on ilma, joka harvennetaan ja puristuu, antaa aallolle tietyn nopeuden, jonka seurauksena kuulemme äänen.
äänen levittäminen eri ympäristöissä
Havaitsimme, että eri aineet kuulostavat: nestemäiset, kiinteät, kaasumaiset. Sama koskee kykyä johtaa akustista a altoa. Ääni etenee missä tahansa elastisessa väliaineessa (nestemäinen, kiinteä, kaasumainen), paitsi tyhjiössä. Tyhjässä tilassa, esimerkiksi kuussa, emme kuule värähtelevän kehon ääntä.
Suurin osa ihmisten havaitsemista äänistä kuuluu ilmassa. Kalat, meduusat kuulevat akustisen aallon poikkeavan veden läpi. Me, jos sukeltamme veden alle, kuulemme myös ohi kulkevan moottoriveneen äänen. Lisäksi aallonpituus ja aallon nopeus ovat korkeammat kuin ilmassa. Tämä tarkoittaa, että veden alla sukeltava henkilö kuulee ensimmäisenä moottorin äänen. Kalastaja, joka istuu veneessään samassa paikassa, kuulee melun myöhemmin.
Kiinteissä aineissa ääni kulkee vielä paremmin ja aallonnopeus on suurempi. Jos laitat kovaa esinettä, erityisesti metallia, korvallesi ja naputat sitä, kuulet erittäin hyvin. Toinen esimerkki on oma äänesi. Kun kuulemme ensimmäisen kerran puheemme, joka on tallennettu aiemmin äänittimeen tai videolta, ääni näyttää viera alta. Miksi tämä tapahtuu? Koska elämässä emme kuule niinkään äänivärähtelyjä suustamme kuin kallomme luiden läpi kulkevien a altojen värähtelyä. Näistä esteistä heijastuva ääni muuttuu jonkin verran.
Äänennopeus
Ääniaallon nopeus, jos tarkastelemme samaa ääntä, on erilainen eri ympäristöissä. Mitä tiheämpi väliaine, sitä nopeammin ääni saavuttaa korvamme. Juna voi mennä niin kauas meistä, että pyörien ääni ei vielä kuulu. Kuitenkin, jos laitat korvasi kaiteisiin, kuulemme selvästi jyrinän.
Tämä viittaa siihen, että ääniaallot kulkevat nopeammin kiinteissä aineissa kuin ilmassa. Kuvassa näkyy äänen nopeus eri ympäristöissä.
A altoyhtälö
Nopeus, taajuus ja aallonpituus ovat yhteydessä toisiinsa. Korkealla taajuudella värähtelevien kappaleiden a alto on lyhyempi. Matalataajuiset äänet voidaan kuulla pidemmältä etäisyydeltä, koska niillä on pidempi aallonpituus. On olemassa kaksi a altoyhtälöä. Ne kuvaavat a altojen ominaisuuksien keskinäistä riippuvuutta toisistaan. Kun tiedät mitkä tahansa kaksi yhtälöiden määrää, voit laskea kolmannen:
с=ν × λ, jossa c on nopeus, ν on taajuus, λ on aallonpituus.
Toinen akustinen a altoyhtälö:
s=λ / T, jossa T on jakso, eli aika, jonka keho tekee yhden värähtelyn.
