Geluidsgolf: formule, eigenschappen. Bronnen van geluidsgolven

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 05:37

Een geluidsgolf is een golfproces dat optreedt in gasvormige, vloeibare en vaste media, dat, wanneer het de menselijke gehoororganen bereikt, door hen als geluid wordt waargenomen. De frequentie van deze golven ligt in het bereik van 20 tot 20.000 trillingen per seconde. We geven formules voor een geluidsgolf en bekijken de eigenschappen ervan in meer detail.

Waarom is er een geluidsgolf?

Veel mensen vragen zich af wat een geluidsgolf is. De aard van geluid ligt in het optreden van verstoring in een elastisch medium. Wanneer bijvoorbeeld een drukverstoring in de vorm van compressie optreedt in een bepaald luchtvolume, heeft dit gebied de neiging zich in de ruimte te verspreiden. Dit proces leidt tot compressie van lucht in gebieden naast de bron, die ook de neiging hebben om uit te zetten. Dit proces beslaat steeds meer van de ruimte totdat het een ontvanger bereikt, bijvoorbeeld het menselijk oor.

Algemene kenmerken van geluidsgolven

Laten we eens kijken wat een geluidsgolf is en hoe deze door het menselijk oor wordt waargenomen. Geluidsgolflongitudinaal is, veroorzaakt het, wanneer het de oorschelp binnenkomt, trillingen van het trommelvlies met een bepaalde frequentie en amplitude. Je kunt deze fluctuaties ook weergeven als periodieke veranderingen in druk in het microvolume lucht naast het membraan. Ten eerste neemt het toe ten opzichte van de normale atmosferische druk en neemt vervolgens af, gehoorzaam aan de wiskundige wetten van harmonische beweging. De amplitude van veranderingen in luchtcompressie, dat wil zeggen het verschil tussen de maximale of minimale druk gecreëerd door een geluidsgolf, met atmosferische druk is evenredig met de amplitude van de geluidsgolf zelf.

Vele fysieke experimenten hebben aangetoond dat de maximale druk die het menselijk oor kan waarnemen zonder het te beschadigen 2800 µN/cm is². Ter vergelijking: laten we zeggen dat de atmosferische druk nabij het aardoppervlak 10 miljoen µN/cm^{2 is. Gezien de evenredigheid van druk en oscillatie-amplitude, kunnen we zeggen dat de laatste waarde onbeduidend is, zelfs voor de sterkste golven. Als we het hebben over de lengte van een geluidsgolf, dan is dat voor een frequentie van 1000 trillingen per seconde een duizendste van een centimeter.}

De zwakste geluiden veroorzaken drukschommelingen in de orde van grootte van 0,001µN/cm², de corresponderende golfoscillatie-amplitude voor een frequentie van 1000 Hz is 10^{- 9}cm, terwijl de gemiddelde diameter van luchtmoleculen 10^{-8 cm is, dat wil zeggen, het menselijk oor is een extreem gevoelig orgaan.}

Het concept van de intensiteit van geluidsgolven

Met geometrischeVanuit het oogpunt van een geluidsgolf is het een trilling van een bepaalde vorm, vanuit fysiek oogpunt is de belangrijkste eigenschap van geluidsgolven hun vermogen om energie over te dragen. Het belangrijkste voorbeeld van overdracht van golfenergie is de zon, wiens uitgestraalde elektromagnetische golven onze hele planeet van energie voorzien.

De intensiteit van een geluidsgolf in de natuurkunde wordt gedefinieerd als de hoeveelheid energie die door een golf wordt gedragen door een eenheidsoppervlak, dat loodrecht staat op de voortplanting van de golf, en per tijdseenheid. Kortom, de intensiteit van een golf is de kracht die wordt overgedragen door een oppervlakte-eenheid.

De sterkte van geluidsgolven wordt meestal gemeten in decibel, gebaseerd op een logaritmische schaal, handig voor praktische analyse van de resultaten.

Intensiteit van verschillende geluiden

De volgende decibelschaal geeft een idee van de betekenis van verschillende geluidsintensiteiten en de sensaties die het veroorzaakt:

drempel voor onaangename en ongemakkelijke sensaties begint bij 120 decibel (dB);
klinkhamer genereert 95 dB geluid;
hogesnelheidstrein - 90 dB;
verkeersstraat - 70 dB;
het volume van een normaal gesprek tussen mensen is 65 dB;
Moderne auto die met matige snelheden rijdt, genereert 50 dB geluid;
gemiddeld radiovolume - 40 dB;
stille conversatie - 20 dB;
geluid van gebladerte - 10 dB;
De minimale gevoeligheidsdrempel voor menselijk geluid ligt dicht bij 0 dB.

De gevoeligheid van het menselijk oor hangt af vanfrequentie van geluid en is de maximale waarde voor geluidsgolven met een frequentie van 2000-3000 Hz. Voor een geluid in dit frequentiebereik is de ondergrens van de menselijke gevoeligheid 10-5 dB. Hogere en lagere frequenties dan het gespecificeerde interval leiden tot een verhoging van de onderste gevoeligheidsdrempel, zodanig dat een persoon frequenties dichtbij 20 Hz en 20.000 Hz pas hoort bij hun intensiteit van enkele tientallen dB.

Wat betreft de bovenste intensiteitsdrempel, waarna het geluid ongemak voor een persoon en zelfs pijn begint te veroorzaken, moet worden gezegd dat het praktisch niet afhankelijk is van de frequentie en in het bereik van 110-130 dB ligt.

Geometrische kenmerken van een geluidsgolf

Een echte geluidsgolf is een complex oscillerend pakket van longitudinale golven, die kunnen worden ontleed in eenvoudige harmonische trillingen. Elke dergelijke oscillatie wordt vanuit een geometrisch oogpunt beschreven door de volgende kenmerken:

Amplitude - de maximale afwijking van elk deel van de golf van evenwicht. Voor deze waarde is de aanduiding A.
Periode. Dit is de tijd die een simpele golf nodig heeft om zijn volledige oscillatie te voltooien. Na deze tijd begint elk punt van de golf zijn oscillerende proces te herhalen. De periode wordt meestal aangegeven met de letter T en gemeten in seconden in het SI-systeem.
Frequentie. Dit is een fysieke grootheid die aangeeft hoeveel trillingen een bepaalde golf per seconde maakt. Dat wil zeggen, in zijn betekenis is het een waarde die omgekeerd is aan de periode. Het wordt aangeduid met de Latijnse letter f. Voor de frequentie van een geluidsgolf is de formule voor het bepalen ervan door een periode als volgt: f=1/T.
De lengte van een golf is de afstand die hij aflegt in één oscillatieperiode. Geometrisch is golflengte de afstand tussen twee dichtstbijzijnde maxima of twee dichtstbijzijnde minima op een sinusvormige curve. De oscillatielengte van een geluidsgolf is de afstand tussen de dichtstbijzijnde gebieden van luchtcompressie of de dichtstbijzijnde plaatsen van verdunning in de ruimte waar de golf beweegt. Het wordt meestal aangeduid met de Griekse letter λ.
De voortplantingssnelheid van geluidsgolven is de afstand waarover het compressiegebied of het rarefactiegebied van de golf zich per tijdseenheid voortplant. Deze waarde wordt aangegeven met de letter v. Voor de snelheid van een geluidsgolf is de formule: v=λf.

De geometrie van een zuivere geluidsgolf, dat wil zeggen een golf van constante zuiverheid, gehoorzaamt aan een sinusoïdale wet. In het algemeen is de formule van een geluidsgolf: y=Asin(ωt), waarbij y de waarde is van de coördinaat van een bepaald punt van de golf, t is tijd, ω=2pif is de cyclische oscillatiefrequentie.

Aperiodiek geluid

Veel geluidsbronnen kunnen als periodiek worden beschouwd, bijvoorbeeld het geluid van muziekinstrumenten zoals gitaar, piano, fluit, maar er zijn ook een groot aantal geluiden in de natuur die aperiodiek zijn, dat wil zeggen, geluidstrillingen veranderen hun frequentie en vorm in de ruimte. Technisch gezien wordt dit soort geluid ruis genoemd. heldervoorbeelden van aperiodiek geluid zijn stadslawaai, het geluid van de zee, geluiden van percussie-instrumenten, zoals een trommel, en andere.

Geluidsverspreidingsmedium

In tegenstelling tot elektromagnetische straling, waarvan de fotonen geen materieel medium nodig hebben voor hun voortplanting, is de aard van geluid zodanig dat een bepaald medium nodig is voor de voortplanting ervan, dat wil zeggen, volgens de natuurwetten kunnen geluidsgolven niet propageren in vacuüm.

Geluid kan door gassen, vloeistoffen en vaste stoffen reizen. De belangrijkste kenmerken van een geluidsgolf die zich in een medium voortplant, zijn als volgt:

golf plant zich lineair voort;
het verspreidt zich gelijkmatig in alle richtingen in een homogeen medium, dat wil zeggen, geluid divergeert van de bron en vormt een perfect bolvormig oppervlak.
ongeacht de amplitude en frequentie van geluid, planten de golven zich met dezelfde snelheid voort in een bepaald medium.

De snelheid van geluidsgolven in verschillende media

Het vliegtuig doorbreekt de geluidsbarrière

De snelheid van geluidsvoortplanting hangt af van twee hoofdfactoren: het medium waarin de golf beweegt en de temperatuur. Over het algemeen geldt de volgende regel: hoe dichter het medium en hoe hoger de temperatuur, hoe sneller het geluid erin beweegt.

De voortplantingssnelheid van een geluidsgolf in de lucht nabij het aardoppervlak bij een temperatuur van 20 ℃ en een luchtvochtigheid van 50% is bijvoorbeeld 1235 km/u of 343 m/s. In water bij een bepaalde temperatuur reist geluid 4,5 keer sneller daner is ongeveer 5735 km/u of 1600 m/s. Wat betreft de afhankelijkheid van de geluidssnelheid van de temperatuur in de lucht, deze neemt toe met 0,6 m / s met een stijging van de temperatuur voor elke graad Celsius.

Timbre en toon

Als een snaar of metalen plaat vrij mag trillen, zal deze geluiden met verschillende frequenties produceren. Het is zeer zeldzaam om een lichaam te vinden dat een geluid van een bepaalde frequentie zou uitzenden, meestal heeft het geluid van een object een reeks frequenties in een bepaald interval.

Het timbre van een geluid wordt bepaald door het aantal aanwezige harmonischen en hun respectieve intensiteiten. Timbre is een subjectieve waarde, dat wil zeggen, het is de perceptie van een klinkend object door een specifieke persoon. Timbre wordt meestal gekenmerkt door de volgende bijvoeglijke naamwoorden: hoog, briljant, sonoor, melodisch, enzovoort.

Tone is een geluidssensatie waarmee het als hoog of laag kan worden geclassificeerd. Deze waarde is ook subjectief en kan door geen enkel instrument worden gemeten. Toon wordt geassocieerd met een objectieve grootheid - de frequentie van een geluidsgolf, maar er is geen eenduidige relatie tussen hen. Voor een geluid met een enkele frequentie en een constante intensiteit, stijgt de toon bijvoorbeeld naarmate de frequentie toeneemt. Als de frequentie van het geluid constant blijft, maar de intensiteit ervan toeneemt, wordt de toon lager.

Vorm van geluidsbronnen

Volgens de vorm van het lichaam dat mechanisch trilt en daardoor geluid genereert, zijn er drie hoofdtypen bronnen van geluidsgolven:

Punt bron. Het produceert geluidsgolven die bolvormig zijn en snel afnemen met de afstand tot de bron (ongeveer 6 dB als de afstand tot de bron wordt verdubbeld).
Lijnbron. Het creëert cilindrische golven waarvan de intensiteit langzamer afneemt dan bij een puntbron (bij elke verdubbeling van de afstand tot de bron neemt de intensiteit met 3 dB af).
Een platte of tweedimensionale bron. Het genereert alleen golven in een bepaalde richting. Een voorbeeld van zo'n bron is een zuiger die in een cilinder beweegt.

Elektronische geluidsbronnen

Om een geluidsgolf te creëren, gebruiken elektronische bronnen een speciaal membraan (luidspreker), dat mechanische trillingen uitvoert als gevolg van het fenomeen van elektromagnetische inductie. Deze bronnen omvatten het volgende: