Een geluidsgolf is een mechanische longitudinale golf van een bepaalde frequentie. In het artikel zullen we begrijpen wat longitudinale en transversale golven zijn, waarom niet elke mechanische golf geluid is. Ontdek de snelheid van de golf en de frequenties waarop geluid optreedt. Laten we eens kijken of het geluid hetzelfde is in verschillende omgevingen en leren hoe we de snelheid kunnen vinden met behulp van de formule.
Wave verschijnt
Stel je een wateroppervlak voor, bijvoorbeeld een vijver bij rustig weer. Als je een steen gooit, zullen we op het wateroppervlak cirkels zien die vanuit het midden divergeren. En wat gebeurt er als we geen steen, maar een bal nemen en deze in een oscillerende beweging brengen? De cirkels worden constant gegenereerd door de trillingen van de bal. We zullen ongeveer hetzelfde zien als in de computeranimatie.
Als we de vlotter op enige afstand van de bal laten zakken, zal deze ook oscilleren. Wanneer fluctuaties in de ruimte in de tijd uiteenlopen, wordt dit proces een golf genoemd.
Om de eigenschappen van geluid (golflengte, golfsnelheid, enz.) te bestuderen, is het beroemde Rainbow-speelgoed, of Happy Rainbow, geschikt.
Laten we de lente strekken, laten kalmeren en krachtig op en neer schudden. We zullen zien dat er een golf verscheen, die langs de bron liep en toen terugkeerde. Dit betekent dat het wordt weerkaatst door het obstakel. We hebben waargenomen hoe de golf zich in de loop van de tijd langs de bron voortplant. De deeltjes van de veer bewogen op en neer ten opzichte van hun evenwicht, en de golf liep naar links en rechts. Zo'n golf wordt een transversale golf genoemd. Daarin staat de voortplantingsrichting loodrecht op de oscillatierichting van de deeltjes. In ons geval was het voortplantingsmedium van de golf een veer.
Laten we nu de veer strekken, laten kalmeren en heen en weer trekken. We zullen zien dat de windingen van de veer erlangs worden samengedrukt. De golf loopt in dezelfde richting. Op de ene plaats is de veer meer samengedrukt, op een andere plaats is hij meer uitgerekt. Zo'n golf wordt longitudinaal genoemd. De oscillatierichting van zijn deeltjes v alt samen met de voortplantingsrichting.
Laten we ons een dicht medium voorstellen, bijvoorbeeld een stijf lichaam. Als we het door afschuiving vervormen, ontstaat er een golf. Het zal verschijnen vanwege de elastische krachten die alleen in vaste stoffen werken. Deze krachten spelen de rol van herstel en genereren een elastische golf.
Je kunt een vloeistof niet vervormen door afschuiving. Een transversale golf kan zich niet voortplanten in gassen en vloeistoffen. Een ander ding is longitudinaal: het verspreidt zich in alle omgevingen waar elastische krachten werken. In een longitudinale golf naderen de deeltjes elkaar, gaan dan weg, en het medium zelf wordt samengeperst en ijlt.
Veel mensen denken dat vloeistoffenniet samendrukbaar, maar dit is niet het geval. Als u met water op de zuiger van de spuit drukt, krimpt deze een beetje. In gassen is ook druk-trekvervorming mogelijk. Door op de zuiger van een lege spuit te drukken, wordt de lucht samengeperst.
Snelheid en golflengte
Laten we terugkeren naar de animatie die we aan het begin van het artikel hebben overwogen. We kiezen een willekeurig punt op een van de cirkels die afwijken van de voorwaardelijke bal en volgen het. Het punt beweegt weg van het midden. De snelheid waarmee het beweegt is de snelheid van de golftop. We kunnen concluderen: een van de kenmerken van de golf is de snelheid van de golf.
De animatie laat zien dat de toppen van de golf zich op dezelfde afstand bevinden. Dit is de golflengte - nog een van zijn kenmerken. Hoe frequenter de golven, hoe korter hun lengte.
Waarom is niet elke mechanische golf geluid
Neem een aluminium liniaal.
Het is veerkrachtig, dus het is goed voor de ervaring. We leggen de liniaal op de rand van de tafel en drukken erop met onze hand zodat deze sterk uitsteekt. We drukken op de rand en laten het krachtig los - het vrije deel begint te trillen, maar er is geen geluid. Als u de liniaal een klein beetje uitschuift, zal de trilling van de korte rand een geluid produceren.
Wat laat deze ervaring zien? Het laat zien dat geluid alleen optreedt als een lichaam snel genoeg beweegt als de golfsnelheid in het medium hoog is. Laten we nog een kenmerk van de golf introduceren: de frequentie. Deze waarde geeft aan hoeveel trillingen het lichaam per seconde maakt. Wanneer we een golf in de lucht creëren, treedt geluid op onder bepaalde omstandigheden - wanneer genoeghoge frequentie.
Het is belangrijk om te begrijpen dat geluid geen golf is, hoewel het verband houdt met mechanische golven. Geluid is de sensatie die optreedt wanneer (akoestische) geluidsgolven het oor binnenkomen.
Laten we teruggaan naar de liniaal. Wanneer het grootste deel is uitgeschoven, oscilleert de liniaal en maakt geen geluid. Zorgt dit voor een golf? Zeker, maar het is een mechanische golf, geen geluidsgolf. Nu kunnen we een geluidsgolf definiëren. Dit is een mechanische longitudinale golf, waarvan de frequentie ligt in het bereik van 20 Hz tot 20 duizend Hz. Als de frequentie lager is dan 20 Hz of meer dan 20 kHz, dan zullen we het niet horen, hoewel er trillingen zullen optreden.
Geluidsbron
Elk oscillerend lichaam kan een bron van akoestische golven zijn, het heeft alleen een elastisch medium nodig, bijvoorbeeld lucht. Niet alleen een vast lichaam kan trillen, maar ook een vloeistof en een gas. Lucht als een mengsel van verschillende gassen kan niet alleen een voortplantingsmedium zijn - het is zelf in staat om een akoestische golf te genereren. Het zijn zijn trillingen die ten grondslag liggen aan het geluid van blaasinstrumenten. De fluit of trompet trilt niet. Het is de lucht die ijl en gecomprimeerd wordt, geeft een bepaalde snelheid aan de golf, waardoor we het geluid horen.
Geluid verspreiden in verschillende omgevingen
We kwamen erachter dat verschillende stoffen klinken: vloeibaar, vast, gasvormig. Hetzelfde geldt voor het vermogen om een akoestische golf te geleiden. Geluid plant zich voort in elk elastisch medium (vloeibaar, vast, gasvormig), behalve vacuüm. In een lege ruimte, zeg maar op de maan, zullen we het geluid van een trillend lichaam niet horen.
De meeste geluiden die door mensen worden waargenomen, zijn in de lucht. Vissen, kwallen horen een akoestische golf divergeren door het water. Ook wij, als we onder water duiken, horen het geluid van een passerende motorboot. Bovendien zullen de golflengte en golfsnelheid hoger zijn dan in lucht. Dit betekent dat het geluid van de motor het eerst zal worden gehoord door een persoon die onder water duikt. De visser, die op dezelfde plek in zijn boot zit, zal het geluid later horen.
In vaste stoffen verplaatst geluid zich nog beter en is de golfsnelheid hoger. Als je een hard voorwerp, vooral metaal, tegen je oor houdt en erop tikt, hoor je het heel goed. Een ander voorbeeld is je eigen stem. Wanneer we onze spraak voor het eerst horen, eerder opgenomen op een voicerecorder of van een video, lijkt de stem vreemd. Waarom gebeurt dit? Want in het leven horen we niet zozeer geluidstrillingen uit onze mond als wel trillingen van golven die door de botten van onze schedel gaan. Het geluid dat door deze obstakels wordt weerkaatst, verandert enigszins.
Geluidssnelheid
De snelheid van een geluidsgolf, als we hetzelfde geluid beschouwen, zal in verschillende omgevingen anders zijn. Hoe dichter het medium, hoe sneller het geluid ons oor bereikt. De trein kan zo ver van ons af rijden dat het geluid van de wielen nog niet te horen is. Als u echter uw oor tegen de rails houdt, kunnen we het gerommel duidelijk horen.
Dit suggereert dat geluidsgolven sneller reizen in vaste stoffen dan in lucht. De afbeelding toont de geluidssnelheid in verschillende omgevingen.
Golfvergelijking
Snelheid, frequentie en golflengte zijn met elkaar verbonden. Voor lichamen die met een hoge frequentie trillen, is de golf korter. Laagfrequente geluiden kunnen op grotere afstand worden gehoord omdat ze een langere golflengte hebben. Er zijn twee golfvergelijkingen. Ze illustreren de onderlinge afhankelijkheid van golfkarakteristieken van elkaar. Als je twee grootheden uit de vergelijkingen kent, kun je de derde berekenen:
с=ν × λ, waar c is de snelheid, ν is de frequentie, λ is de golflengte.
Tweede akoestische golfvergelijking:
s=λ / T, waarbij T de periode is, d.w.z. de tijd waarvoor het lichaam één trilling maakt.
