Mitä ovat ääniaallot fysiikassa. Koulujen tietosanakirja. Absorptio sisäisen kitkan ja lämmönjohtavuuden vuoksi

Ääniaaltojen ominaisuudet jaetaan ääniilmiöihin: ääniaaltojen heijastus, kaiku; taittuminen; absorptio; diffraktio; häiriöitä; resonanssi.

1. ÄÄNEN HEIJASTAMINEN - ilmiö, joka ilmenee ääniaallon putoaessa kahden elastisen väliaineen rajapinnalle ja muodostuu aaltojen muodostumisesta, jotka etenevät rajapinnasta samaan väliaineeseen, josta tuleva aalto tuli.

2. Kaiku - fyysinen ilmiö, jossa havaitsija hyväksyy esteistä (sähkömagneettisesta, äänestä jne.) heijastuneen aallon

3. Taittuminen (taittuminen) - sähkömagneettisen säteilyn aaltojen (säteiden) etenemissuunnan muutos, joka tapahtuu kahden näille aalloilla läpinäkyvän väliaineen rajapinnassa tai sellaisen väliaineen paksuudessa, jonka ominaisuudet muuttuvat jatkuvasti, erityisesti jossa etenemisnopeus ei ole sama.

4.ÄÄNEN VAIMISTUS - ilmiö, jossa ääniaallon energia muuttuu peruuttamattomasti muun tyyppiseksi energiaksi, pääasiassa lämmöksi.

5. Aaltodiffraktio - ilmiö, joka ilmenee poikkeamana geometrisen optiikan laeista aaltojen etenemisen aikana. Se on universaali aaltoilmiö, ja sille on ominaista samat lait, kun havainnoidaan erilaisia aaltokenttiä.

6. Aaltohäiriöt - kahden tai useamman koherentin aallon tuloksena olevan amplitudin keskinäinen kasvu tai lasku, kun ne asetetaan päällekkäin. Siihen liittyy intensiteetin maksimien (antinodit) ja minimien (solmut) vuorottelua avaruudessa. Häiriön tulos (häiriökuvio) riippuu päällekkäisten aaltojen vaihe-erosta.

7. Resonanssi - pakotettujen värähtelyjen amplitudin jyrkän kasvun ilmiö, joka tapahtuu, kun luonnollisten värähtelyjen taajuus on sama kuin käyttövoiman värähtelyn taajuus.

19. Newtonin klassinen gravitaatioteoria (Newtonin yleisen painovoiman laki) - gravitaatiovuorovaikutusta kuvaava laki klassisen mekaniikan puitteissa. Newton löysi tämän lain noin vuonna 1666. Siinä sanotaan, että painovoiman vetovoima kahden aineellisen massapisteen ja etäisyyden erottamana välillä on verrannollinen molempiin massoihin ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön - eli:

Painovoima - voima, joka vaikuttaa mihin tahansa materiaaliseen kappaleeseen, joka sijaitsee lähellä maan pintaa tai muuta tähtitieteellistä kappaletta.

Määritelmän mukaan painovoima planeetan pinnalla on planeetan painovoiman ja planeetan vuorokausikierron aiheuttaman keskipakoisvoiman summa.

20. Maan keinotekoiset satelliitit.

Keinotekoinen satelliitti Maa (satelliitti) - avaruusalus, joka pyörii maan ympäri geosentrisellä kiertoradalla.

18. helmikuuta 2016

Kotiviihteen maailma on varsin monipuolinen ja siihen voi kuulua: elokuvan katsominen hyvässä kotiteatterijärjestelmässä; hauska ja koukuttava peli tai musiikin kuuntelu. Yleensä jokainen löytää jotain omaa tältä alueelta tai yhdistää kaiken kerralla. Mutta riippumatta siitä, mitkä ovat henkilön tavoitteet vapaa-ajan järjestämisessä ja riippumatta siitä, mihin äärimmäisyyksiin hän menee, kaikki nämä linkit liittyvät tiukasti yhteen yksinkertaiseen ja ymmärrettävään sanaan - "ääni". Todellakin, kaikissa näissä tapauksissa meitä johdetaan ääniraidan kahvasta. Mutta tämä kysymys ei ole niin yksinkertainen ja triviaali, varsinkin tapauksissa, joissa halutaan saavuttaa korkealaatuinen ääni huoneessa tai muissa olosuhteissa. Tätä varten ei aina tarvitse ostaa kalliita hi-fi- tai hi-end-komponentteja (vaikka se on erittäin hyödyllistä), mutta hyvä fysiikan teorian tuntemus riittää, mikä voi poistaa suurimman osan kaikille esiin tulevista ongelmista joka haluaa saada korkealaatuista ääninäyttelijää.

Seuraavaksi tarkastellaan äänen ja akustiikan teoriaa fysiikan näkökulmasta. Tässä tapauksessa yritän tehdä sen mahdollisimman helposti ymmärrettäväksi kenelle tahansa henkilölle, joka ehkä on kaukana fysikaalisten lakien tai kaavojen tuntemisesta, mutta kuitenkin haaveilee intohimoisesti unelman toteuttamisesta täydellisen akustiikan luomisesta. järjestelmä. En väitä, että saavuttaaksesi hyviä tuloksia tällä alueella kotona (tai esimerkiksi autossa) sinun tulee tuntea nämä teoriat perusteellisesti, mutta perusasioiden ymmärtäminen välttää monia typeriä ja absurdeja virheitä ja mahdollistaa Voit saavuttaa järjestelmän suurimman äänitehosteen.

Yleinen ääniteoria ja musiikillinen terminologia

Mikä on ääni? Tämä on tunne, jonka kuuloelin havaitsee. "korva"(ilmiö itsessään on olemassa myös ilman "korvan" osallistumista prosessiin, mutta se on helpompi ymmärtää näin), mikä tapahtuu, kun tärykalvo kiihtyy ääniaallon vaikutuksesta. Korva toimii tässä tapauksessa eri taajuuksien ääniaaltojen "vastaanottimena".
Ääniaalto Se on itse asiassa peräkkäinen sarja eri taajuuksilla olevia väliaineen (useimmiten ilmaympäristön normaaleissa olosuhteissa) tiivisteitä ja purkauksia. Ääniaaltojen luonne on värähtelevä, minkä tahansa kappaleen värähtely aiheuttaa ja tuottaa. Klassisen ääniaallon synty ja leviäminen on mahdollista kolmessa elastisessa väliaineessa: kaasumaisessa, nestemäisessä ja kiinteässä. Kun ääniaalto tapahtuu jossakin tämän tyyppisessä tilassa, itse väliaineessa tapahtuu väistämättä joitain muutoksia, esimerkiksi ilman tiheyden tai paineen muutos, ilmamassojen hiukkasten liike jne.

Koska ääniaalto on värähtelevä luonne, sillä on sellainen ominaisuus kuin taajuus. Taajuus mitattuna hertseinä (saksalaisen fyysikon Heinrich Rudolf Hertzin kunniaksi) ja ilmaisee värähtelyjen määrää yhden sekunnin ajanjaksolla. Nuo. esimerkiksi taajuus 20 Hz tarkoittaa 20 värähtelyn jaksoa yhdessä sekunnissa. Sen korkeuden subjektiivinen käsite riippuu myös äänen taajuudesta. Mitä enemmän äänivärähtelyjä syntyy sekunnissa, sitä "korkeammalta" ääni näyttää. Ääniaalolla on myös yksi lisää tärkein ominaisuus, jota kutsutaan aallonpituudeksi. Aallonpituus On tapana ottaa huomioon matka, jonka tietyn taajuuden ääni kulkee yhden sekunnin jaksossa. Esimerkiksi ihmisen kuultavissa olevan alueen alimman äänen aallonpituus 20 Hz:llä on 16,5 metriä ja korkeimman äänen aallonpituus 20 000 Hz:llä 1,7 senttimetriä.

Ihmisen korva on suunniteltu siten, että se pystyy havaitsemaan aaltoja vain rajoitetulla alueella, noin 20 Hz - 20 000 Hz (joku kuulee tietyn henkilön ominaisuuksista riippuen hieman enemmän, joku vähemmän) . Tämä ei siis tarkoita, etteikö näiden taajuuksien ala- tai yläpuolella olevia ääniä olisi olemassa, ihmiskorva ei yksinkertaisesti havaitse niitä, vaan ne ylittävät kuuloalueen. Kuuloalueen yläpuolella olevaa ääntä kutsutaan ultraääni, kutsutaan äänialueen alapuolella olevaa ääntä infraääni. Jotkut eläimet pystyvät havaitsemaan ultra- ja infraääniä, jotkut jopa käyttävät tätä aluetta avaruudessa suuntautumiseen (lepakat, delfiinit). Jos ääni kulkee sellaisen väliaineen läpi, joka ei ole suoraan kosketuksissa ihmisen kuuloelimeen, tällaista ääntä ei ehkä kuulla tai se voi heiketä myöhemmin suuresti.

Äänen musiikillisessa terminologiassa on sellaisia tärkeitä nimityksiä kuin äänen oktaavi, sävy ja ylisävy. Oktaavi tarkoittaa intervallia, jossa äänten taajuuksien suhde on 1:2. Oktaavi on yleensä hyvin kuultavissa, kun taas tämän intervallin äänet voivat olla hyvin samankaltaisia keskenään. Oktaavia voidaan kutsua myös ääneksi, joka tuottaa kaksi kertaa enemmän värähtelyjä kuin toinen ääni samalla ajanjaksolla. Esimerkiksi 800 Hz:n taajuus ei ole muuta kuin korkeampi 400 Hz:n oktaavi, ja taajuus 400 Hz on puolestaan seuraava äänen oktaavi 200 Hz:n taajuudella. Oktaavi koostuu sävelistä ja ylisävelistä. Ihmiskorva havaitsee yhden taajuuden harmonisen ääniaallon muuttuvat värähtelyt musiikillinen sävy. Korkeataajuiset värähtelyt voidaan tulkita korkeiksi ääniksi, matalataajuiset värähtelyt mataliksi ääniksi. Ihmiskorva pystyy erottamaan selkeästi äänet yhden sävyn erolla (alueella 4000 Hz asti). Tästä huolimatta musiikissa käytetään erittäin vähän ääniä. Tämä selitetään harmonisen konsonanssin periaatteen perusteella, kaikki perustuu oktaavien periaatteeseen.

Harkitse musiikin sävelten teoriaa käyttämällä esimerkkiä tietyllä tavalla venytetystä kielestä. Tällainen merkkijono, riippuen jännitysvoimasta, "viritetään" yhdelle tietylle taajuudelle. Kun tämä merkkijono altistuu jollekin tietyllä voimalla, joka saa sen värähtelemään, yksi tietty äänisävy havaitaan tasaisesti, kuulemme halutun viritystaajuuden. Tätä ääntä kutsutaan perusääneksi. Musiikkikentän päääänelle ensimmäisen oktaavin sävelen "la" taajuus, joka on 440 Hz, on virallisesti hyväksytty. Useimmat soittimet eivät kuitenkaan koskaan toista puhtaita perussävyjä yksinään, vaan niihin liittyy väistämättä ylisävyjä ns. ylisävyjä. Tässä on aiheellista palauttaa mieleen tärkeä musiikillisen akustiikan määritelmä, äänisävelin käsite. Sävy- Tämä on musiikillisten äänien ominaisuus, joka antaa soittimille ja äänille niiden ainutlaatuisen tunnistettavan äänispesifisyyden, vaikka verrattaisiin saman korkeuden ja voimakkuuden ääniä. Kunkin soittimen sointisävy riippuu äänienergian jakautumisesta ylisävelten yli äänen ilmestymishetkellä.

Ylisävelet muodostavat perusäänen tietyn värin, jonka avulla voimme helposti tunnistaa ja tunnistaa tietyn instrumentin sekä erottaa sen äänen selvästi toisesta instrumentista. Ylisävyjä on kahdenlaisia: harmonisia ja ei-harmonisia. Harmoniset sävyt ovat määritelmän mukaan perustaajuuden kerrannaisia. Päinvastoin, jos ylisävyt eivät ole moninkertaisia ja poikkeavat huomattavasti arvoista, niitä kutsutaan epäharmoninen. Musiikissa ei-moninkertaisten ylisävelten toiminta on käytännössä suljettu pois, joten termi rajoittuu käsitteeseen "yläsävel", joka tarkoittaa harmonista. Joillakin soittimilla, esimerkiksi pianolla, pääääni ei ehdi edes muodostua, lyhyessä ajassa ylisävelten äänienergia kasvaa, ja sitten lasku tapahtuu yhtä nopeasti. Monet soittimet luovat niin sanotun "siirtymäsävel"-efektin, jolloin tiettyjen ylisävyjen energia on maksimissaan tietyllä hetkellä, yleensä aivan alussa, mutta sitten muuttuu äkillisesti ja siirtyy muihin ylisävyihin. Kunkin instrumentin taajuusaluetta voidaan tarkastella erikseen, ja sitä rajoittavat yleensä perusäänien taajuudet, joita tämä instrumentti pystyy toistamaan.

Ääniteoriassa on myös sellainen asia kuin NOISE. Melu- tämä on mikä tahansa ääni, joka syntyy keskenään ristiriitaisten lähteiden yhdistelmästä. Kaikki ovat hyvin tietoisia puiden lehtien äänestä, tuulen heilumasta jne.

Mikä määrää äänenvoimakkuuden? On selvää, että tällainen ilmiö riippuu suoraan ääniaallon kuljettaman energian määrästä. Äänenvoimakkuuden kvantitatiivisten indikaattoreiden määrittämiseksi on olemassa käsite - äänenvoimakkuus. Äänen intensiteetti määritellään energiavirraksi, joka kulkee jonkin avaruusalueen (esimerkiksi cm2) läpi aikayksikköä kohti (esimerkiksi sekunnissa). Normaalissa keskustelussa intensiteetti on noin 9 tai 10 W/cm2. Ihmiskorva pystyy havaitsemaan ääniä melko laajalla herkkyysalueella, kun taas taajuuksien herkkyys ei ole yhtenäinen äänispektrissä. Joten paras havaittu taajuusalue on 1000 Hz - 4000 Hz, joka kattaa laajimmin ihmisen puheen.

Koska äänien voimakkuus vaihtelee niin paljon, on helpompi ajatella sitä logaritmisena arvona ja mitata se desibeleinä (skotlantilaisen tiedemiehen Alexander Graham Bellin mukaan). Ihmiskorvan kuuloherkkyyden alakynnys on 0 dB, ylempi kynnys on 120 dB, sitä kutsutaan myös " kipukynnys". Ihmiskorva ei myöskään havaitse herkkyyden ylärajaa samalla tavalla, vaan se riippuu tietystä taajuudesta. Matalataajuisten äänien tulee olla paljon voimakkaampia kuin korkeilla, jotta ne aiheuttaisivat kipukynnyksen. Esim. kipukynnys matalalla 31,5 Hz:n taajuudella esiintyy 135 dB:n ääniteholla, kun taajuudella 2000 Hz kiputuntemusta ilmenee jo 112 dB:llä. On olemassa myös äänenpaineen käsite, joka itse asiassa laajentaa tavallinen selitys ääniaallon etenemiselle ilmassa. Äänenpaine- tämä on muuttuva ylipaine, joka syntyy elastisessa väliaineessa ääniaallon kulkeutuessa sen läpi.

Äänen aaltollinen luonne

Ymmärtääksesi paremmin ääniaaltojen generointijärjestelmää, kuvittele klassinen kaiutin, joka sijaitsee ilmalla täytettyyn putkeen. Jos kaiutin tekee jyrkän liikkeen eteenpäin, niin diffuusorin välittömässä läheisyydessä oleva ilma puristuu hetkeksi. Sen jälkeen ilma laajenee ja työntää paineilma-alueen putkea pitkin.
Tämä aaltoliike on myöhemmin ääni, kun se saavuttaa kuuloelimen ja "kiihottaa" tärykalvoa. Kun kaasussa esiintyy ääniaalto, syntyy ylipainetta ja tiheyttä, ja hiukkaset liikkuvat vakionopeudella. Ääniaaltojen osalta on tärkeää muistaa, että aine ei liiku ääniaallon mukana, vaan tapahtuu vain tilapäinen ilmamassojen häiriö.

Jos kuvittelemme männän, joka on ripustettu vapaaseen tilaan jousella ja tekee toistuvia liikkeitä "eteen- ja taaksepäin", niin tällaisia värähtelyjä kutsutaan harmonisiksi tai sinimuotoisiksi (jos edustamme aaltoa kaavion muodossa, niin tässä tapauksessa saamme puhdas siniaalto toistuvine nousuineen ja laskuineen). Jos kuvittelemme putkessa olevan kaiuttimen (kuten yllä kuvatussa esimerkissä), joka suorittaa harmonisia värähtelyjä, niin tällä hetkellä kaiutin liikkuu "eteenpäin", saadaan jo tunnettu ilmanpuristuksen vaikutus ja kun kaiutin liikkuu "taakse" , saadaan harvinaistumisen käänteinen vaikutus. Tässä tapauksessa vuorottelevien puristusten ja harventumisen aalto etenee putken läpi. Vierekkäisten maksimien tai minimien (vaiheiden) välinen etäisyys putkea kutsutaan aallonpituus. Jos hiukkaset värähtelevät samansuuntaisesti aallon etenemissuunnan kanssa, niin aaltoa kutsutaan pituussuuntainen. Jos ne värähtelevät kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden, aaltoa kutsutaan poikittainen. Yleensä ääniaallot kaasuissa ja nesteissä ovat pitkittäisiä, kun taas kiinteissä aineissa voi esiintyä molempia aaltoja. Kiinteissä aineissa poikittaiset aallot syntyvät muodonmuutosvastuksen vuoksi. Suurin ero näiden kahden aaltotyypin välillä on, että poikittaisella aallolla on polarisaation ominaisuus (värähtelyjä esiintyy tietyssä tasossa), kun taas pitkittäisaalto ei.

Äänen nopeus

Äänen nopeus riippuu suoraan sen väliaineen ominaisuuksista, jossa se etenee. Sen määrää (riippuvainen) kaksi väliaineen ominaisuutta: materiaalin elastisuus ja tiheys. Äänen nopeus kiinteissä aineissa riippuu suoraan materiaalin tyypistä ja sen ominaisuuksista. Nopeus kaasumaisissa väliaineissa riippuu vain yhdestä väliaineen muodonmuutoksesta: puristus-harvinaisuudesta. Ääniaallon paineen muutos tapahtuu ilman lämmönvaihtoa ympäröivien hiukkasten kanssa ja sitä kutsutaan adiabaattiseksi.
Äänen nopeus kaasussa riippuu pääasiassa lämpötilasta - se kasvaa lämpötilan noustessa ja pienenee laskeessaan. Myös äänen nopeus kaasumaisessa väliaineessa riippuu itse kaasumolekyylien koosta ja massasta - mitä pienempi hiukkasten massa ja koko, sitä suurempi on aallon "johtavuus" ja sitä suurempi nopeus.

Nestemäisissä ja kiinteissä väliaineissa äänen etenemisperiaate ja nopeus ovat samanlaisia kuin aallon ilmassa eteneminen: puristuspurkauksella. Mutta näissä väliaineissa saman lämpötilariippuvuuden lisäksi väliaineen tiheys ja sen koostumus/rakenne ovat varsin tärkeitä. Mitä pienempi aineen tiheys, sitä suurempi äänen nopeus ja päinvastoin. Riippuvuus väliaineen koostumuksesta on monimutkaisempi ja määräytyy kussakin tapauksessa ottaen huomioon molekyylien/atomien sijainti ja vuorovaikutus.

Äänen nopeus ilmassa t, °C 20: 343 m/s
Äänen nopeus tislatussa vedessä t, °C 20: 1481 m/s
Äänen nopeus teräksessä t, °C 20: 5000 m/s

Seisovat aallot ja häiriöt

Kun kaiutin luo ääniaaltoja suljetussa tilassa, syntyy väistämättä aallon heijastuksen vaikutus rajoista. Tämän seurauksena useimmiten häiriövaikutus- kun kaksi tai useampi ääniaalto asetetaan päällekkäin. Erikoistilanteet Häiriöilmiöitä ovat: 1) lyöntiaaltojen tai 2) seisovien aaltojen muodostuminen. Aaltojen syke- tämä on tilanne, kun on lisätty aaltoja, joilla on läheiset taajuudet ja amplitudit. Lyöntien esiintymismalli: kun kaksi taajuudeltaan samanlaista aaltoa asettuvat päällekkäin. Jossain vaiheessa tällaisella päällekkäisyydellä amplitudihuiput voivat kohdata "vaiheessa", ja myös "antifaasin" taantumat voivat myös osua yhteen. Näin äänibiittiä luonnehditaan. On tärkeää muistaa, että toisin kuin seisovissa aalloissa, huippujen vaiheiden yhteensattumia ei tapahdu jatkuvasti, vaan tietyin aikavälein. Korvan mukaan tällainen lyöntimalli eroaa melko selvästi, ja se kuullaan jaksoittaisena äänenvoimakkuuden kasvuna ja laskuna. Tämän vaikutuksen esiintymismekanismi on äärimmäisen yksinkertainen: huippujen yhteensopivuuden hetkellä tilavuus kasvaa, taantumien yhteensopivuuden hetkellä tilavuus pienenee.

seisovat aallot syntyvät kahden saman amplitudin, vaiheen ja taajuuden omaavien aaltojen superpositiossa, kun tällaiset aallot "tapaavat" toinen liikkuu eteenpäin ja toinen vastakkaiseen suuntaan. Avaruuden alueella (jossa muodostui seisova aalto) syntyy kuva kahden taajuusamplitudin superpositiosta vuorotellen maksimilla (niin sanotut antisolmut) ja minimit (ns. solmut). Tämän ilmiön esiintyessä aallon taajuus, vaihe ja vaimennuskerroin heijastuskohdassa ovat erittäin tärkeitä. Toisin kuin liikkuvissa aalloissa, seisovassa aallossa ei tapahdu energiansiirtoa, koska tämän aallon muodostavat eteenpäin- ja taaksepäin-aallot kuljettavat energiaa yhtä paljon eteenpäin ja vastakkaisiin suuntiin. Pysyvän aallon esiintymisen visuaalista ymmärtämistä varten kuvitellaan esimerkki kodin akustiikasta. Oletetaan, että meillä on lattiakaiuttimet rajoitetussa tilassa (huoneessa). Saatuamme heidät soittamaan jonkin kappaleen, jossa on paljon bassoa, yritetään muuttaa kuuntelijan sijaintia huoneessa. Siten kuuntelija, joka on päässyt seisovan aallon minimivyöhykkeelle (vähennys), tuntee vaikutuksen, että basso on tullut hyvin pieneksi, ja jos kuuntelija tulee taajuuksien maksimialueelle (lisäys), niin päinvastoin. saadaan aikaan merkittävä bassoalueen lisäyksen vaikutus. Tässä tapauksessa vaikutus havaitaan kaikissa perustaajuuden oktaaveissa. Esimerkiksi, jos perustaajuus on 440 Hz, niin "lisäys" tai "vähennys" havaitaan myös taajuuksilla 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz jne.

Resonanssi-ilmiö

Useimmilla kiinteillä aineilla on oma resonanssitaajuus. Tämän vaikutuksen ymmärtäminen on melko yksinkertaista tavanomaisen putken esimerkissä, joka on auki vain toisesta päästä. Kuvitellaanpa tilanne, jossa putken toisesta päästä on kytketty kaiutin, joka voi toistaa jonkin vakiotaajuuden, sitä voidaan myös muuttaa myöhemmin. Eli putkella on oma resonanssitaajuutensa selkeää kieltä on taajuus, jolla trumpetti "resonoi" tai antaa oman äänensä. Jos kaiuttimen taajuus (säädön seurauksena) on sama kuin putken resonanssitaajuus, äänenvoimakkuus kasvaa useita kertoja. Tämä johtuu siitä, että kaiutin virittää putken ilmapatsaan värähtelyt merkittävällä amplitudilla, kunnes löydetään sama "resonanssitaajuus" ja syntyy lisävaikutus. Tuloksena oleva ilmiö voidaan kuvata seuraavasti: tämän esimerkin putki "auttaa" kaiutinta resonoimalla tietyllä taajuudella, heidän ponnistelunsa summautuvat ja "vuodaavat" kuuluvaksi äänekkääksi efektiksi. Soittimien esimerkissä tämä ilmiö on helppo jäljittää, koska enemmistön suunnittelu sisältää elementtejä, joita kutsutaan resonaattoreiksi. Ei ole vaikea arvata, mikä palvelee tietyn taajuuden tai musiikin sävyn vahvistamista. Esimerkiksi: kitaran runko, jossa on resonaattori, joka on sovitettu äänenvoimakkuuteen; Putken suunnittelu urassa (ja yleensä kaikki putket); Rummun rungon sylinterimäinen muoto, joka itse on tietyn taajuuden resonaattori.

Äänen taajuusspektri ja taajuusvaste

Koska käytännössä ei käytännössä ole samantaajuisia aaltoja, tulee tarpeelliseksi hajottaa koko kuuloalueen äänispektri yliääniksi tai harmonisiksi. Näitä tarkoituksia varten on olemassa kaavioita, jotka näyttävät äänen värähtelyjen suhteellisen energian riippuvuuden taajuudesta. Tällaista kuvaajaa kutsutaan äänitaajuusspektrigraafiksi. Äänen taajuusspektri Niitä on kahta tyyppiä: diskreetti ja jatkuva. Diskreetin spektrin kaavio näyttää taajuudet yksitellen tyhjillä välilyönneillä erotettuina. Jatkuvassa spektrissä kaikki äänitaajuudet ovat läsnä kerralla.
Musiikin tai akustiikan osalta käytetään useimmiten tavanomaista aikataulua. Huipusta taajuuteen -ominaisuudet(lyhennetty "AFC"). Tämä kaavio näyttää äänen värähtelyjen amplitudin riippuvuuden taajuudesta koko taajuusspektrin (20 Hz - 20 kHz) läpi. Tällaista kuvaajaa tarkasteltaessa on helppo ymmärtää esimerkiksi tietyn kaiuttimen tai kaiutinjärjestelmän vahvuudet tai heikkoudet kokonaisuutena, voimakkaimmat energianpalautuksen alueet, taajuuden laskut ja nousut, vaimennus sekä jäljittää laskun jyrkkyys.

Ääniaaltojen leviäminen, vaihe ja vastavaihe

Ääniaaltojen etenemisprosessi tapahtuu kaikkiin suuntiin lähteestä. Yksinkertaisin esimerkki tämän ilmiön ymmärtämiseksi: veteen heitetty kivi.
Kiven putoamispaikasta aallot alkavat erota veden pinnalla kaikkiin suuntiin. Kuvittelemme kuitenkin tilannetta, jossa kaiutinta käytetään tietyllä äänenvoimakkuudella, vaikkapa suljettu laatikko, joka on kytketty vahvistimeen ja soittaa jonkinlaista musiikkisignaalia. On helppo huomata (varsinkin jos annat voimakkaan matalataajuisen signaalin, kuten bassorummun), että kaiutin tekee nopean liikkeen "eteenpäin" ja sitten saman nopean liikkeen "taakse". On vielä ymmärrettävä, että kun kaiutin liikkuu eteenpäin, se lähettää ääniaallon, jonka kuulemme jälkeenpäin. Mutta mitä tapahtuu, kun kaiutin liikkuu taaksepäin? Mutta paradoksaalisesti sama asia tapahtuu, kaiutin antaa saman äänen, vain se leviää esimerkissämme kokonaan laatikon äänenvoimakkuuden sisällä, ylittämättä sitä (laatikko on kiinni). Yleisesti ottaen yllä olevassa esimerkissä voidaan havaita melko paljon mielenkiintoisia fysikaalisia ilmiöitä, joista merkittävin on vaiheen käsite.

Ääniaalto, jonka kaiutin äänenvoimakkuutena säteilee kuuntelijan suuntaan - on "vaiheessa". Käänteinen aalto, joka menee laatikon tilavuuteen, on vastaavasti vastavaiheinen. Jää vain ymmärtää, mitä nämä käsitteet tarkoittavat? Signaalivaihe- tämä on nykyisen ajan äänenpainetaso jossain pisteessä avaruudessa. Vaihe on helpoimmin ymmärrettävissä esimerkkinä musiikkimateriaalin toistosta perinteisellä stereolattiakaiuttimella. Kuvitellaan, että kaksi tällaista lattiakaiutinta asennetaan tiettyyn huoneeseen ja ne soivat. Molemmat kaiuttimet toistavat tässä tapauksessa synkronisen säädettävän äänenpainesignaalin, ja lisäksi yhden kaiuttimen äänenpaine lisätään toisen kaiuttimen äänenpaineeseen. Samanlainen vaikutus johtuu vasemman ja oikean kaiuttimen signaalin toiston synkronoinnista, toisin sanoen vasemman ja oikean kaiuttimen lähettämien aaltojen huiput ja laaksot osuvat yhteen.

Kuvitellaan nyt, että äänenpaineet muuttuvat edelleen samalla tavalla (eivät ole muuttuneet), mutta nyt ne ovat vastakkaisia toisiaan vastaan. Tämä voi tapahtua, jos liität toisen kahdesta kaiuttimesta käänteisesti ("+"-kaapeli vahvistimesta kaiutinjärjestelmän "-"-liittimeen ja "-"-kaapeli vahvistimesta kaiuttimen "+"-liittimeen järjestelmä). Tässä tapauksessa vastakkainen signaali aiheuttaa paine-eron, joka voidaan esittää numeroina seuraavasti: vasen kaiutin luo paineen "1 Pa" ja oikea kaiutin luo paineen "miinus 1 Pa" ". Tämän seurauksena kokonaisäänenvoimakkuus kuuntelijan paikalla on nolla. Tätä ilmiötä kutsutaan antifaasiksi. Jos tarkastellaan esimerkkiä yksityiskohtaisemmin ymmärtämisen vuoksi, käy ilmi, että kaksi "vaiheessa" leikkivää dynamiikkaa luovat samat ilmanpuristus- ja harventumisalueet, jotka todella auttavat toisiaan. Ideaalisen vastavaiheen tapauksessa yhden kaiuttimen luomaan ilmatilan tiivistymisalueeseen liittyy toisen kaiuttimen luoma ilmatilan harventumisen alue. Se näyttää suunnilleen aaltojen keskinäisen synkronisen vaimennuksen ilmiöltä. Totta, käytännössä äänenvoimakkuus ei putoa nollaan, ja kuulemme voimakkaasti vääristyneen ja vaimennetun äänen.

Selkeimmällä tavalla tätä ilmiötä voidaan kuvata seuraavasti: kaksi signaalia, joilla on samat värähtelyt (taajuudet), mutta ajassa siirtyneet. Tämän vuoksi on kätevämpää esittää nämä siirtymäilmiöt tavallisten pyöreiden kellojen esimerkillä. Kuvitellaan, että seinällä roikkuu useita identtisiä pyöreitä kelloja. Kun näiden kellojen sekuntiosoittimet toimivat synkronoidusti, 30 sekuntia toisessa ja 30 sekuntia toisessa, tämä on esimerkki signaalista, joka on samassa vaiheessa. Jos sekuntiosoittimet käyvät vaihdolla, mutta nopeus on silti sama, esimerkiksi yhdellä kellolla 30 sekuntia ja toisella 24 sekuntia, niin tämä on klassinen esimerkki vaihesiirrosta (shift). Samalla tavalla vaihe mitataan asteina virtuaalisen ympyrän sisällä. Tässä tapauksessa, kun signaaleja siirretään suhteessa toisiinsa 180 astetta (puolet jaksosta), saadaan klassinen vastavaihe. Usein käytännössä tapahtuu pieniä vaihesiirtymiä, jotka voidaan myös määrittää asteittain ja poistaa onnistuneesti.

Aallot ovat litteitä ja pallomaisia. Tasainen aaltorintama etenee vain yhteen suuntaan ja sitä tavataan harvoin käytännössä. Pallomainen aaltorintama on yksinkertainen aaltotyyppi, joka säteilee yhdestä pisteestä ja etenee kaikkiin suuntiin. Ääniaalloilla on omaisuutta diffraktio, eli kyky välttää esteitä ja esineitä. Verhokäyrän aste riippuu ääniaallon pituuden suhteesta esteen tai reiän mittoihin. Diffraktiota esiintyy myös silloin, kun äänen tiellä on este. Tässä tapauksessa kaksi skenaariota ovat mahdollisia: 1) Jos esteen mitat ovat paljon suuremmat kuin aallonpituus, ääni heijastuu tai absorboituu (riippuen materiaalin absorptioasteesta, esteen paksuudesta jne.). ), ja esteen taakse muodostuu "akustinen varjo" -vyöhyke. 2) Jos esteen mitat ovat verrattavissa aallonpituuteen tai jopa sitä pienempiä, ääni taittuu jossain määrin kaikkiin suuntiin. Jos ääniaalto, liikkuessaan yhdessä väliaineessa, osuu rajapintaan toisen väliaineen kanssa (esimerkiksi ilmaväliaineeseen kiinteän väliaineen kanssa), voi syntyä kolme skenaariota: 1) aalto heijastuu rajapinnasta 2) aalto voi siirtyä toiseen väliaineeseen suuntaa muuttamatta 3) aalto voi siirtyä toiseen väliaineeseen suunnanmuutoksella rajalla, tätä kutsutaan "aallon taitumuksi".

Ääniaallon ylipaineen suhdetta värähtelevän tilavuusnopeuteen kutsutaan aaltoimpedanssiksi. Yksinkertaisin sanoin, väliaineen aallonvastus voidaan kutsua kyvyksi absorboida ääniaaltoja tai "vastustaa" niitä. Heijastus- ja lähetyskertoimet riippuvat suoraan näiden kahden väliaineen aaltoimpedanssien suhteesta. Aallonvastus kaasuväliaineessa on paljon pienempi kuin vedessä tai kiinteissä aineissa. Siksi, jos ilmassa oleva ääniaalto osuu kiinteään esineeseen tai syvän veden pinnalle, ääni joko heijastuu pinnasta tai absorboituu suuressa määrin. Se riippuu pinnan paksuudesta (vesi tai kiinteä aine), jolle haluttu ääniaalto putoaa. Kiinteän tai nestemäisen väliaineen alhaisella paksuudella ääniaallot "läpäisevät" melkein kokonaan ja päinvastoin, kun väliaineen paksuus on suuri, aallot heijastuvat useammin. Ääniaaltojen heijastuksen tapauksessa tämä prosessi tapahtuu tunnetun fysikaalisen lain mukaan: "Tulemiskulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma." Tässä tapauksessa, kun aalto pienemmän tiheyden omaavasta väliaineesta osuu rajalle, jolla on suurempi tiheys, ilmiö tapahtuu taittuminen. Se koostuu ääniaallon taivutuksesta (taittamisesta) esteen "tapaamisen" jälkeen, ja siihen liittyy välttämättä nopeuden muutos. Taittuminen riippuu myös sen väliaineen lämpötilasta, jossa heijastus tapahtuu.

Ääniaaltojen etenemisprosessissa avaruudessa niiden intensiteetti väistämättä laskee, voimme sanoa aaltojen vaimenemisen ja äänen heikkenemisen. Käytännössä tällainen vaikutus on melko yksinkertaista: esimerkiksi jos kaksi ihmistä seisoo pellolla lähellä (metrin tai lähempänä) ja alkavat puhua toisilleen. Jos lisäät myöhemmin ihmisten välistä etäisyyttä (jos he alkavat siirtyä pois toisistaan), sama keskustelun äänenvoimakkuus tulee yhä vähemmän kuultavissa. Samanlainen esimerkki osoittaa selvästi ääniaaltojen intensiteetin vähentämisen ilmiön. Miksi tämä tapahtuu? Syynä tähän ovat erilaiset lämmönsiirtoprosessit, molekyylien vuorovaikutus ja ääniaaltojen sisäinen kitka. Useimmiten käytännössä tapahtuu äänienergian muuntaminen lämpöenergiaksi. Tällaisia prosesseja syntyy väistämättä missä tahansa kolmesta äänen etenemisvälineestä, ja niitä voidaan luonnehtia seuraavasti ääniaaltojen absorptio.

Ääniaaltojen intensiteetti ja absorptioaste riippuu monista tekijöistä, kuten väliaineen paineesta ja lämpötilasta. Myös absorptio riippuu äänen erityisestä taajuudesta. Kun ääniaalto etenee nesteissä tai kaasuissa, syntyy eri hiukkasten välillä kitkavaikutus, jota kutsutaan viskositeetiksi. Tämän molekyylitason kitkan seurauksena tapahtuu prosessi, jossa aalto muuttuu äänestä lämpöiseksi. Toisin sanoen mitä korkeampi väliaineen lämmönjohtavuus on, sitä pienempi aallon absorptioaste. Äänen absorptio kaasumaisissa väliaineissa riippuu myös paineesta (ilmakehän paine muuttuu korkeuden kasvaessa suhteessa merenpintaan). Mitä tulee absorptioasteen riippuvuuteen äänen taajuudesta, niin ottaen huomioon edellä mainitut viskositeetin ja lämmönjohtavuuden riippuvuudet, äänen absorptio on mitä suurempi, sitä korkeampi sen taajuus. Esimerkiksi normaalissa lämpötilassa ja paineessa ilmassa aallon, jonka taajuus on 5000 Hz, absorptio on 3 dB / km, ja aallon, jonka taajuus on 50 000 Hz, absorptio on jo 300 dB / m.

Kiinteissä väliaineissa kaikki yllä mainitut riippuvuudet (lämmönjohtavuus ja viskositeetti) säilyvät, mutta tähän lisätään muutama ehto. Ne liittyvät kiinteiden materiaalien molekyylirakenteeseen, joka voi olla erilainen ja jolla on omat epähomogeenisyydet. Tästä sisäisestä kiinteästä molekyylirakenteesta riippuen ääniaaltojen absorptio voi tässä tapauksessa olla erilainen ja riippuu tietyn materiaalin tyypistä. Kun ääni kulkee kiinteän kappaleen läpi, aalto käy läpi sarjan muutoksia ja vääristymiä, mikä useimmiten johtaa äänienergian siroamiseen ja absorptioon. Molekyylitasolla voi esiintyä dislokaatioiden vaikutusta, kun ääniaalto aiheuttaa atomitasojen siirtymän, jotka sitten palaavat alkuperäiseen asentoonsa. Tai dislokaatioiden liike johtaa törmäykseen niihin kohtisuorassa olevien dislokaatioiden kanssa tai kiderakenteen virheisiin, mikä aiheuttaa niiden hidastumista ja sen seurauksena jonkin verran ääniaallon absorptiota. Ääniaalto voi kuitenkin myös resonoida näiden vikojen kanssa, mikä johtaa alkuperäisen aallon vääristymiseen. Ääniaallon energia vuorovaikutuksen hetkellä materiaalin molekyylirakenteen elementtien kanssa hajoaa sisäisten kitkaprosessien seurauksena.

Pyrin analysoimaan ihmisen kuuloaistin ominaisuuksia ja joitain äänen leviämisen hienouksia ja piirteitä.

Ääni on väliaineessa (usein ilmassa) olevia elastisia aaltoja, jotka ovat näkymättömiä mutta havaittavissa ihmiskorvalle (aalto vaikuttaa tärykalvoon). Ääniaalto on pitkittäinen puristus- ja harventumisaalto.

Jos luomme tyhjiön, voimmeko erottaa äänet? Robert Boyle asetti kellon lasiastiaan vuonna 1660. Kun hän pumppaa ilmaa, hän ei kuullut ääntä. Kokemus sen todistaa äänen levittämiseen tarvitaan väline.

Ääni voi levitä myös nestemäisessä ja kiinteässä väliaineessa. Veden alla kuulet selvästi kivien törmäyksen. Aseta kello puulevyn toiseen päähän. Laittamalla korvasi toiseen päähän, kuulet selkeästi kellon tikityksen.

Ääniaalto etenee puun läpi

Äänen lähde on välttämättä värähtelevä kappale. Esimerkiksi kitaran kieli normaalitilassaan ei soi, mutta heti kun saamme sen värähtelemään, syntyy ääniaalto.

Kokemus kuitenkin osoittaa, että jokainen värähtelevä keho ei ole äänen lähde. Esimerkiksi lankaan ripustettu paino ei pidä ääntä. Tosiasia on, että ihmiskorva ei havaitse kaikkia aaltoja, vaan vain niitä, jotka luovat kappaleita, jotka värähtelevät taajuudella 16 Hz - 20 000 Hz. Tällaisia aaltoja kutsutaan ääni. Värähtelyjä, joiden taajuus on alle 16 Hz, kutsutaan infraääni. Värähtelyjä, joiden taajuus on suurempi kuin 20 000 Hz, kutsutaan ultraääni.

Äänen nopeus

Ääniaallot eivät etene välittömästi, vaan tietyllä äärellisellä nopeudella (samanlainen kuin tasaisen liikkeen nopeus).

Siksi ukkosmyrskyn aikana näemme ensin salaman, eli valon (valon nopeus on paljon suurempi kuin äänen nopeus), ja sitten ääni kuuluu.

Äänen nopeus riippuu väliaineesta: kiinteissä aineissa ja nesteissä äänen nopeus on paljon suurempi kuin ilmassa. Nämä ovat taulukkona mitattuja vakioita. Väliaineen lämpötilan noustessa äänen nopeus kasvaa, laskussa se pienenee.

Äänet ovat erilaisia. Äänen karakterisoimiseksi otetaan käyttöön erityisiä suureita: äänen voimakkuus, sävelkorkeus ja sointi.

Äänen voimakkuus riippuu värähtelyjen amplitudista: mitä suurempi värähtelyjen amplitudi, sitä kovempi ääni. Lisäksi se, miten korvamme havaitsee äänen voimakkuuden, riippuu ääniaallon värähtelytaajuudesta. Korkeamman taajuuden aallot koetaan kovemmiksi.

Ääniaallon taajuus määrää äänenkorkeuden. Mitä korkeampi äänilähteen värähtelytaajuus on, sitä korkeampi on sen tuottama ääni. Ihmisäänet on jaettu useisiin alueisiin äänenkorkeuden mukaan.

Äänet alkaen eri lähteistä on eri taajuuksien harmonisten värähtelyjen yhdistelmä. Suurimman jakson (matalimman taajuuden) komponenttia kutsutaan perusääneksi. Loput äänikomponentit ovat ylisävyjä. Näiden komponenttien sarja luo värityksen, äänen sointin. Ylisävelten kokonaisuus eri ihmisten äänissä eroaa ainakin hieman, mutta tämä määrittää tietyn äänen sointin.

Kaiku. Kaiku muodostuu äänen heijastuksen seurauksena erilaisista esteistä - vuorista, metsistä, muureista, suurista rakennuksista jne. Kaiku syntyy vain, kun heijastunut ääni havaitaan erillään alun perin puhutusta äänestä. Jos heijastavia pintoja on monia ja ne ovat eri etäisyyksillä ihmisestä, niin heijastuneet ääniaallot saavuttavat hänet eri aikoina. Tässä tapauksessa kaiku on moninkertainen. Esteen on oltava 11 metrin etäisyydellä henkilöstä voidakseen kuulla kaiun.

Äänen heijastus.Ääni pomppii sileiltä pinnoilta. Siksi torvea käytettäessä ääniaallot eivät hajoa kaikkiin suuntiin, vaan muodostavat kapean säteen, jonka ansiosta ääniteho kasvaa ja se leviää pidemmälle.

Jotkut eläimet (esimerkiksi lepakko, delfiini) lähettävät ultraäänivärähtelyjä ja havaitsevat sitten esteistä heijastuneen aallon. Joten ne määrittävät sijainnin ja etäisyyden ympäröiviin esineisiin.

Kaikulokaatio. Tämä on menetelmä kappaleiden sijainnin määrittämiseksi niistä heijastuvilla ultraäänisignaaleilla. Käytetään laajasti navigoinnissa. Asennettu laivoihin kaikuluotaimet- laitteet vedenalaisten kohteiden tunnistamiseen ja pohjan syvyyden ja topografian määrittämiseen. Aluksen pohjalle on sijoitettu lähetin ja äänivastaanotin. Lähetin antaa lyhyitä signaaleja. Analysoimalla palautuvien signaalien viiveaikaa ja suuntaa tietokone määrittää äänen heijastaneen kohteen sijainnin ja koon.

Ultraäänellä havaitaan ja määritetään erilaisia koneenosien vaurioita (tyhjiöt, halkeamat jne.). Tähän tarkoitukseen käytetty laite on ns ultraääni vianilmaisin. Tutkittavaan osaan ohjataan virta lyhyitä ultraäänisignaaleja, jotka heijastuvat sen sisällä olevista epähomogeenisuuksista ja putoavat takaisin vastaanottimeen. Niissä paikoissa, joissa ei ole vikoja, signaalit kulkevat osan läpi ilman merkittävää heijastusta, eikä vastaanotin tallenna niitä.

Ultraääntä käytetään laajalti lääketieteessä tiettyjen sairauksien diagnosointiin ja hoitoon. Toisin kuin röntgensäteilyllä, sen aalloilla ei ole haitallista vaikutusta kudoksiin. Diagnostiikka ultraäänitutkimukset(ultraääni) sallia ilman kirurginen interventio tunnistaa patologiset muutokset elimissä ja kudoksissa. Erityinen laite lähettää ultraääniaaltoja taajuudella 0,5–15 MHz tiettyyn kehon osaan, ne heijastuvat tutkittavasta elimestä ja tietokone näyttää sen kuvan näytöllä.

Infraäänelle on ominaista alhainen absorptio eri väliaineissa, minkä seurauksena infraääniaallot ilmassa, vedessä ja maankuoressa voivat levitä hyvin pitkiä matkoja. Tämä ilmiö löytää käytännön sovelluksen määrittäviä paikkoja voimakkaita räjähdyksiä tai ampuvan aseen asentoa. Infraäänen leviäminen pitkiä matkoja meressä mahdollistaa sen luonnonkatastrofien ennusteet-tsunami. Meduusat, äyriäiset jne. pystyvät havaitsemaan infraäänet ja tuntemaan sen lähestyvän kauan ennen myrskyn alkua.

Esiintyy kaasumaisissa, nestemäisissä ja kiinteissä väliaineissa, jotka ihmisen kuuloelimiin saavuttaessaan ne havaitsevat äänenä. Näiden aaltojen taajuus on välillä 20 - 20 000 värähtelyä sekunnissa. Annamme ääniaallon kaavat ja tarkastelemme sen ominaisuuksia yksityiskohtaisemmin.

Miksi ääniaalto ilmestyy?

Monet ihmiset ihmettelevät, mitä ääniaalto on. Äänen luonne piilee häiriöiden esiintymisessä elastisessa väliaineessa. Esimerkiksi kun painehäiriö esiintyy puristuksen muodossa tietyssä ilmamäärässä, tällä alueella on taipumus levitä avaruuteen. Tämä prosessi johtaa ilman puristumiseen lähteen viereisillä alueilla, joilla on myös taipumus laajentua. Tämä prosessi kattaa yhä enemmän tilaa, kunnes se saavuttaa jonkin vastaanottimen, esimerkiksi ihmisen korvan.

Ääniaaltojen yleiset ominaisuudet

Mieti kysymyksiä siitä, mikä ääniaalto on ja miten ihmiskorva sen havaitsee. Ääniaalto on pitkittäinen; kun se tulee korvakuoreen, se saa tärykalvon värähtelemään tietyllä taajuudella ja amplitudilla. Voit myös esittää nämä vaihtelut jaksollisina paineen muutoksina kalvon vieressä olevan ilman mikrotilavuudessa. Ensin se kasvaa suhteessa normaaliin ilmanpaineeseen ja sitten laskee harmonisen liikkeen matemaattisten lakien mukaisesti. Ilman puristuksen muutosten amplitudi, eli ääniaallon aiheuttaman maksimi- tai minimipaineen ero ilmanpaineen kanssa on verrannollinen itse ääniaallon amplitudiin.

Monet fysikaaliset kokeet ovat osoittaneet, että suurin paine, jonka ihmiskorva voi havaita vahingoittamatta sitä, on 2800 µN/cm 2 . Vertailun vuoksi sanotaan, että ilmanpaine lähellä maan pintaa on 10 miljoonaa µN/cm 2 . Paineen ja värähtelyjen amplitudin 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 paineenvaihteluita luokkaa 0,001 μN / cm 2, vastaava aaltovärähtelyjen amplitudi taajuudella 1000 Hz on 10 -9 cm, kun taas ilmamolekyylien keskimääräinen halkaisija on 10 -8 cm, eli ihmisen korva on erittäin herkkä elin.

Ääniaaltojen intensiteetin käsite

Geometrialta katsottuna ääniaalto on tietyn muotoinen värähtely, mutta fysikaalisesta näkökulmasta ääniaaltojen pääominaisuus on niiden kyky siirtää energiaa. Tärkein esimerkki aaltoenergian siirrosta on aurinko, jonka säteilemät sähkömagneettiset aallot tarjoavat energiaa koko planeetallemme.

Fysiikassa ääniaallon intensiteetti määritellään energiamääränä, jonka aalto kuljettaa yksikköpinnan läpi, joka on kohtisuorassa aallon etenemiseen nähden, ja aikayksikköä kohti. Lyhyesti sanottuna aallon intensiteetti on sen teho, joka siirtyy yksikköpinta-alan läpi.

Ääniaaltojen voimakkuus mitataan yleensä desibeleinä, jotka perustuvat logaritmiseen asteikkoon, joka on kätevä tulosten käytännön analysoinnissa.

Erilaisten äänien voimakkuus

Seuraava desibeliasteikko antaa käsityksen eri merkityksestä ja sen aiheuttamista tuntemuksista:

epämiellyttävien ja epämiellyttävien tunteiden kynnys alkaa 120 desibelistä (dB);
niittausvasara tuottaa 95 dB:n melun;
suurnopeusjuna - 90 dB;
katu, jolla on paljon liikennettä - 70 dB;
normaalin ihmisten välisen keskustelun äänenvoimakkuus - 65 dB;
nykyaikainen auto, joka liikkuu kohtuullisilla nopeuksilla, tuottaa 50 dB:n melua;
radion keskimääräinen äänenvoimakkuus - 40 dB;
hiljainen keskustelu - 20 dB;
puiden lehtien melu - 10 dB;
ihmisen ääniherkkyyden vähimmäiskynnys on lähellä 0 dB.

Ihmisen korvan herkkyys riippuu äänen taajuudesta ja on maksimiarvo ääniaalloille, joiden taajuus on 2000-3000 Hz. Tämän taajuusalueen äänelle ihmisen herkkyyden alaraja on 10 -5 dB. Määrättyä aikaväliä korkeammat ja matalammat taajuudet johtavat alemman herkkyyskynnyksen nousuun siten, että ihminen kuulee lähellä 20 Hz ja 20 000 Hz olevia taajuuksia vain niiden useiden kymmenien dB intensiteetillä.

Mitä tulee ylempään intensiteetin kynnykseen, jonka jälkeen ääni alkaa aiheuttaa haittaa henkilölle ja jopa kipua, on sanottava, että se ei käytännössä riipu taajuudesta ja on alueella 110-130 dB.

Ääniaallon geometriset ominaisuudet

Todellinen ääniaalto on monimutkainen pitkittäisten aaltojen värähtelevä paketti, joka voidaan hajottaa yksinkertaisiksi harmonisiksi värähtelyiksi. Jokainen tällainen värähtely kuvataan geometrisesta näkökulmasta seuraavilla ominaisuuksilla:

Amplitudi - aallon kunkin osan suurin poikkeama tasapainosta. Tämä arvo on merkitty 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 sekunneissa SI-järjestelmässä.
Taajuus. Tämä on fysikaalinen suure, joka osoittaa kuinka monta värähtelyä tietty aalto tekee sekunnissa. Eli merkitykseltään se on ajanjaksolle käänteinen arvo. Se on merkitty f. Ääniaallon taajuudelle kaava sen määrittämiseksi jaksolla on seuraava: f = 1/T.
Aallonpituus 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 aalto liikkuu. Sitä merkitään yleensä kreikkalaisella kirjaimella λ.
Ääniaallon etenemisnopeus on etäisyys, jonka yli aallon puristumis- tai harventumisalue etenee aikayksikköä kohti. Tämä arvo on merkitty kirjaimella v. Ääniaallon nopeudelle kaava on: v = λ*f.

Puhtaan ääniaallon, toisin sanoen jatkuvan puhtauden aallon, geometria noudattaa sinimuotoista lakia. Yleisessä tapauksessa ääniaallon kaava on: y = A*sin(ωt), missä y on aallon tietyn pisteen koordinaatin arvo, t on aika, ω = 2*pi*f on syklinen värähtelytaajuus.

jaksollinen ääni

Monia äänilähteitä voidaan pitää jaksollisina, esimerkiksi musiikki-instrumenttien, kuten kitaran, pianon, huilun, ääntä, mutta luonnossa on myös suuri määrä ääniä, jotka ovat jaksottaisia, eli äänivärähtelyt muuttavat taajuutta ja muotoaan. avaruudessa. Teknisesti tällaista ääntä kutsutaan meluksi. Eläviä esimerkkejä jaksollisesta äänestä ovat kaupunkimelu, meren ääni, lyömäsoittimien äänet, esimerkiksi rummusta, ja muut.

Äänen leviämisväline

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 levitä kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa. Väliaineessa etenevän ääniaallon pääominaisuudet ovat seuraavat:

aalto etenee lineaarisesti;
se etenee tasaisesti kaikkiin suuntiin homogeenisessa väliaineessa, eli ääni poikkeaa lähteestä muodostaen ihanteellisen pallomaisen pinnan.
äänen amplitudista ja taajuudesta riippumatta sen aallot etenevät samalla nopeudella tietyssä väliaineessa.

Ääniaaltojen nopeus eri medioissa

Äänen etenemisnopeus riippuu kahdesta päätekijästä: väliaineesta, jossa aalto kulkee, ja lämpötilasta. Yleensä pätee seuraava sääntö: mitä tiheämpi väliaine ja mitä korkeampi sen lämpötila, sitä nopeammin ääni kulkee siinä.

Esimerkiksi ääniaallon etenemisnopeus ilmassa lähellä maan pintaa lämpötilassa 20 ℃ ja kosteudessa 50 % on 1235 km/h tai 343 m/s. Vedessä ääni kulkee tietyssä lämpötilassa 4,5 kertaa nopeammin, eli noin 5735 km/h tai 1600 m/s. Mitä tulee äänen nopeuden riippuvuuteen ilman lämpötilasta, se kasvaa 0,6 m / s lämpötilan noustessa joka celsiusastetta kohti.

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 esineen äänellä on joukko taajuuksia tietyllä aikavälillä.

Äänen sointi määräytyy siinä olevien harmonisten lukumäärän ja niiden intensiteetin mukaan. Sävy on subjektiivinen arvo, eli se on tietyn henkilön näkemys kuulostavasta esineestä. Sävylle on yleensä ominaista seuraavat adjektiivit: korkea, loistava, soinnollinen, melodinen ja niin edelleen.

Ääni 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 ja sen voimakkuus kasvaa, äänenvoimakkuus laskee.

Äänilähteiden muoto

Mekaanisia värähtelyjä ja siten aaltoja synnyttävän rungon muodon mukaan on kolme päätyyppiä:

pistelähde. Se tuottaa ääniaaltoja, jotka ovat pallomaisia ja vaimenevat nopeasti lähteen etäisyyden mukaan (noin 6 dB, jos etäisyys lähteestä kaksinkertaistuu).
linjan lähde. Se muodostaa lieriömäisiä aaltoja, joiden intensiteetti laskee hitaammin kuin pistelähteestä (jokaisella lähteestä olevan etäisyyden kaksinkertaistamisella intensiteetti pienenee 3 dB).
Litteä tai kaksiulotteinen lähde. Se tuottaa aaltoja vain tiettyyn suuntaan. Esimerkki tällaisesta lähteestä olisi mäntä, joka liikkuu sylinterissä.

Elektroniset äänilähteet

Ääniaallon luomiseksi elektroniset lähteet käyttävät erityistä kalvoa (kaiutinta), joka suorittaa mekaanisia värähtelyjä sähkömagneettisen induktion ilmiön vuoksi. Tällaisia lähteitä ovat mm.

eri levyjen soittimet (CD, DVD ja muut);
kasettinauhurit;
radiovastaanottimet;
televisiot ja jotkut muut.