Äänia alto on kaasumaisessa, nestemäisessä ja kiinteässä väliaineessa tapahtuva a altoprosessi, joka saavuttaessaan ihmisen kuuloelimet havaitaan äänenä. Näiden a altojen taajuus on välillä 20 - 20 000 värähtelyä sekunnissa. Annamme ääniaallon kaavat ja tarkastelemme sen ominaisuuksia tarkemmin.
Miksi on äänia alto?
Monet ihmiset ihmettelevät, mitä äänia alto on. Äänen luonne on häiriön esiintyminen elastisessa väliaineessa. Esimerkiksi kun tietyssä ilmamäärässä tapahtuu puristuksen muodossa oleva painehäiriö, tällä alueella on taipumus levitä avaruudessa. Tämä prosessi johtaa ilman puristumiseen lähteen viereisillä alueilla, joilla on myös taipumus laajentua. Tämä prosessi kattaa yhä suuremman osan tilasta, kunnes se saavuttaa jonkin vastaanottimen, esimerkiksi ihmisen korvan.
Äänia altojen yleiset ominaisuudet
Mietitään, mitä äänia alto on ja miten ihmiskorva sen havaitsee. Äänia altoon pitkittäinen, se, astuessaan korvakuoreen, aiheuttaa tärykalvon värähtelyjä tietyllä taajuudella ja amplitudilla. Voit myös esittää nämä vaihtelut jaksollisina paineen muutoksina kalvon vieressä olevan ilman mikrotilavuudessa. Ensin se kasvaa suhteessa normaaliin ilmanpaineeseen ja laskee sitten harmonisen liikkeen matemaattisia lakeja noudattaen. Ilman puristuksen muutosten amplitudi, eli ääniaallon aiheuttaman maksimi- tai minimipaineen ero ilmanpaineen kanssa on verrannollinen itse ääniaallon amplitudiin.
Monet fyysiset kokeet ovat osoittaneet, että suurin paine, jonka ihmiskorva voi havaita vahingoittamatta sitä, on 2800 µN/cm2. Vertailun vuoksi sanotaan, että ilmanpaine lähellä maan pintaa on 10 miljoonaa µN/cm2. Paineen ja värähtelyamplitudin suhteellisuus huomioon ottaen voidaan sanoa, että jälkimmäinen arvo on merkityksetön jopa voimakkaimmilla aalloilla. Jos puhumme ääniaallon pituudesta, niin taajuudella 1000 värähtelyä sekunnissa se on senttimetrin tuhannesosa.
Heikoimmat äänet aiheuttavat suuruusluokkaa 0,001µN/cm2, vastaava aallon värähtelyamplitudi taajuudella 1000 Hz on 10- 9cm, kun ilmamolekyylien keskimääräinen halkaisija on 10-8 cm, eli ihmisen korva on erittäin herkkä elin.
Äänia altojen intensiteetin käsite
GeometriallaÄäniaallon näkökulmasta se on tietyn muotoinen värähtely, fysikaalisesta näkökulmasta äänia altojen pääominaisuus on niiden kyky siirtää energiaa. Tärkein esimerkki a altoenergian siirrosta on aurinko, jonka säteilemät sähkömagneettiset aallot tarjoavat energiaa koko planeetallemme.
Fysiikassa ääniaallon intensiteetti määritellään energiamääräksi, jonka a alto kuljettaa yksikköpinnan läpi, joka on kohtisuorassa aallon etenemiseen nähden, ja aikayksikköä kohti. Lyhyesti sanottuna aallon intensiteetti on sen teho, joka siirtyy pinta-alayksikköön.
Äänia altojen voimakkuus mitataan yleensä desibeleinä, jotka perustuvat logaritmiseen asteikkoon, joka on kätevä tulosten käytännön analysoinnissa.
Erilaisten äänien voimakkuus
Seuraava desibeliasteikko antaa käsityksen eri äänivoimakkuuksien merkityksestä ja niiden aiheuttamista tuntemuksista:
- epämiellyttävän ja epämukavan tunteen kynnys alkaa 120 desibelistä (dB);
- niitausvasara tuottaa 95 dB melua;
- suurnopeusjuna - 90 dB;
- liikennekatu - 70 dB;
- normaalin ihmisten välisen keskustelun äänenvoimakkuus on 65 dB;
- Kohdilla nopeuksilla liikkuva nykyaikainen auto tuottaa 50 dB melua;
- radion keskimääräinen äänenvoimakkuus - 40 dB;
- hiljainen keskustelu - 20 dB;
- puiden lehtien melu - 10 dB;
- Ihmisen ääniherkkyyden vähimmäiskynnys on lähellä 0 dB.
Ihmiskorvan herkkyys riippuuäänen taajuus ja on maksimiarvo ääniaalloille, joiden taajuus on 2000-3000 Hz. Tämän taajuusalueen äänelle ihmisen herkkyyden alempi kynnys on 10-5 dB. Määritettyä aikaväliä korkeammat ja alhaisemmat taajuudet johtavat alemman herkkyyskynnyksen nousuun siten, että ihminen kuulee taajuuksia, jotka ovat lähellä 20 Hz ja 20 000 Hz vain niiden useiden kymmenien dB:n intensiteetillä.
Mitä tulee intensiteetin ylärajaan, jonka jälkeen ääni alkaa aiheuttaa ihmiselle haittaa ja jopa kipua, on sanottava, että se ei käytännössä riipu taajuudesta ja on alueella 110-130 dB.
Ääniaallon geometriset ominaisuudet
Todellinen äänia alto on monimutkainen pitkittäisten a altojen värähtelevä paketti, joka voidaan hajottaa yksinkertaisiksi harmonisiksi värähtelyiksi. Jokainen tällainen värähtely kuvataan geometrisesta näkökulmasta seuraavilla ominaisuuksilla:
- Amplitudi - aallon kunkin osan suurin poikkeama tasapainosta. Tälle arvolle merkintä A.
- Kausi. Tämä on aika, joka kuluu yksinkertaisen aallon täydelliseen värähtelyyn. Tämän ajan jälkeen jokainen aallon piste alkaa toistaa värähtelyprosessiaan. Jakso merkitään yleensä kirjaimella T ja mitataan sekunteina SI-järjestelmässä.
- Taajuus. Tämä on fysikaalinen suure, joka osoittaa kuinka monta värähtelyä tietty a alto tekee sekunnissa. Eli merkitykseltään se on ajanjaksolle käänteinen arvo. Se on merkitty latinalaisella kirjaimella f. Ääniaallon taajuudelle kaava sen määrittämiseksi jakson kautta on seuraava: f=1/T.
- Aallon pituus on matka, jonka se kulkee yhden värähtelyjakson aikana. Geometrisesti aallonpituus on kahden lähimmän maksimin tai kahden lähimmän minimin välinen etäisyys sinimuotoisella käyrällä. Ääniaallon värähtelypituus on etäisyys lähimpien ilmanpuristusalueiden tai lähimpien sen harvinaistumispaikkojen välillä tilassa, jossa a alto liikkuu. Se merkitään yleensä kreikkalaisella kirjaimella λ.
- Ääniaallon etenemisnopeus on etäisyys, jonka yli aallon puristus- tai harvinaisuusalue etenee aikayksikköä kohti. Tämä arvo on merkitty kirjaimella v. Ääniaallon nopeuden kaava on: v=λf.
Puhtaan ääniaallon, toisin sanoen jatkuvan puhtauden aallon, geometria noudattaa sinimuotoista lakia. Yleisessä tapauksessa ääniaallon kaava on: y=Asin(ωt), missä y on aallon tietyn pisteen koordinaatin arvo, t on aika, ω=2pif on syklinen värähtelytaajuus.
Ajoittainen ääni
Monet äänilähteet voidaan pitää jaksollisina, esimerkiksi musiikki-instrumenttien, kuten kitaran, pianon, huilun, ääntä, mutta luonnossa on myös suuri määrä ääniä, jotka ovat jaksollisia, eli äänen värähtelyt muuttuvat. niiden taajuus ja muoto avaruudessa. Teknisesti tällaista ääntä kutsutaan meluksi. kirkasesimerkkejä jaksollisesta äänestä ovat kaupunkimelu, meren ääni, lyömäsoittimien, kuten rummun, äänet ja muut.
Äänen levitysväline
Toisin kuin sähkömagneettinen säteily, jonka fotonit eivät tarvitse mitään aineellista väliainetta leviäkseen, äänen luonne on sellainen, että sen etenemiseen tarvitaan tietty väliaine, eli fysiikan lakien mukaan ääniaallot eivät voi levitä tyhjiössä.
Ääni voi kulkea kaasujen, nesteiden ja kiinteiden aineiden läpi. Väliaineessa etenevän ääniaallon pääominaisuudet ovat seuraavat:
- a alto etenee lineaarisesti;
- se leviää tasaisesti kaikkiin suuntiin homogeenisessa väliaineessa, eli ääni poikkeaa lähteestä muodostaen täydellisen pallomaisen pinnan.
- äänen amplitudista ja taajuudesta riippumatta sen aallot etenevät samalla nopeudella tietyssä väliaineessa.
Äänia altojen nopeus eri medioissa
Äänen etenemisnopeus riippuu kahdesta päätekijästä: väliaineesta, jossa a alto liikkuu, ja lämpötilasta. Yleensä pätee seuraava sääntö: mitä tiheämpi väliaine ja mitä korkeampi sen lämpötila, sitä nopeammin ääni liikkuu siinä.
Esimerkiksi ääniaallon etenemisnopeus ilmassa lähellä maan pintaa lämpötilassa 20 ℃ ja kosteudessa 50 % on 1235 km/h tai 343 m/s. Tietyn lämpötilan vedessä ääni kulkee 4,5 kertaa nopeamminsiellä on noin 5735 km/h tai 1600 m/s. Mitä tulee äänen nopeuden riippuvuuteen ilman lämpötilasta, se kasvaa 0,6 m/s lämpötilan noustessa joka celsiusasteella.
Sävy ja sävy
Jos kielen tai metallilevyn annetaan värähtää vapaasti, se tuottaa eri taajuisia ääniä. On hyvin harvinaista löytää kappaletta, joka lähettäisi tietyn taajuuden äänen, yleensä kohteen äänellä on joukko taajuuksia tietyllä aikavälillä.
Äänen sointi määräytyy siinä olevien harmonisten lukumäärän ja niiden voimakkuuksien mukaan. Sävy on subjektiivinen arvo, eli se on tietyn henkilön näkemys kuulostavasta esineestä. Sävyä kuvaavat yleensä seuraavat adjektiivit: korkea, loistava, soinnillinen, melodinen ja niin edelleen.
Sävy on äänituntuma, jonka avulla se voidaan luokitella korkeaksi tai matalaksi. Tämä arvo on myös subjektiivinen, eikä sitä voida mitata millään laitteella. Ääni liittyy objektiiviseen suureen - ääniaallon taajuuteen, mutta niiden välillä ei ole yksiselitteistä yhteyttä. Esimerkiksi vakiointensiteetin yksitaajuisen äänen sävy nousee taajuuden kasvaessa. Jos äänen taajuus pysyy vakiona, mutta sen voimakkuus kasvaa, äänenvoimakkuus laskee.
Äänilähteiden muoto
Mekaanisesti värähtelevän ja siten ääntä synnyttävän rungon muodon mukaan äänia altojen lähteitä on kolme päätyyppiä:
- Pistelähde. Se tuottaa äänia altoja, jotka ovat pallomaisia ja vaimenevat nopeasti lähteen etäisyyden mukaan (noin 6 dB, jos etäisyys lähteestä kaksinkertaistuu).
- Linelähde. Se luo sylinterimäisiä a altoja, joiden intensiteetti laskee hitaammin kuin pistelähteestä (jokaisella lähteen etäisyyden kaksinkertaisella intensiteetillä intensiteetti pienenee 3 dB).
- Litteä tai kaksiulotteinen lähde. Se tuottaa a altoja vain tiettyyn suuntaan. Esimerkki tällaisesta lähteestä olisi mäntä, joka liikkuu sylinterissä.
Elektroniset äänilähteet
Elektroniset lähteet käyttävät ääniaallon luomiseksi erityistä kalvoa (kaiutinta), joka suorittaa mekaanisia värähtelyjä sähkömagneettisen induktion ilmiöstä johtuen. Näitä lähteitä ovat seuraavat:
- soittimet eri levyille (CD, DVD ja muut);
- kasettinauhurit;
- radiot;
- televisiot ja jotkut muut.
