Garso banga yra tam tikro dažnio mechaninė išilginė banga. Straipsnyje suprasime, kas yra išilginės ir skersinės bangos, kodėl ne kiekviena mechaninė banga yra garsas. Išsiaiškinkite bangos greitį ir dažnius, kuriais sklinda garsas. Išsiaiškinkime, ar garsas yra vienodas skirtingose aplinkose, ir sužinokime, kaip nustatyti jo greitį pagal formulę.
Pasirodo banga
Įsivaizduokime vandens paviršių, pavyzdžiui, tvenkinį ramiu oru. Jei messite akmenį, vandens paviršiuje pamatysime apskritimus, besiskiriančius nuo centro. O kas bus, jei paimsime ne akmenį, o rutulį ir sukelsime jį į svyruojantį judėjimą? Apskritimai bus nuolat generuojami rutulio vibracijos. Pamatysime maždaug tą patį, kaip parodyta kompiuterinėje animacijoje.
Jei nuleisime plūdę tam tikru atstumu nuo rutulio, jis taip pat svyruos. Kai laikui bėgant erdvės svyravimai skiriasi, šis procesas vadinamas banga.
Norint ištirti garso savybes (bangos ilgį, bangos greitį ir kt.), tinka garsusis žaislas Rainbow arba Happy Rainbow.
Ištempkime spyruoklę, leiskite jai nurimti ir smarkiai pakratykite aukštyn žemyn. Pamatysime, kad atsirado banga, kuri bėgo palei š altinį, o paskui grįžo atgal. Tai reiškia, kad tai atsispindi nuo kliūties. Stebėjome, kaip banga laikui bėgant sklinda išilgai spyruoklės. Spyruoklės dalelės judėjo aukštyn ir žemyn, palyginti su jų pusiausvyra, o banga bėgo į kairę ir į dešinę. Tokia banga vadinama skersine banga. Jame jo sklidimo kryptis yra statmena dalelių svyravimo krypčiai. Mūsų atveju bangos sklidimo terpė buvo spyruoklė.
Dabar ištempkime spyruoklę, tegul nurimsta ir traukime pirmyn ir atgal. Pamatysime, kad išilgai jos suspaustos spyruoklės ritės. Banga eina ta pačia kryptimi. Vienur spyruoklė labiau suspausta, kitur labiau ištempta. Tokia banga vadinama išilgine. Jo dalelių svyravimo kryptis sutampa su sklidimo kryptimi.
Įsivaizduokime tankią terpę, pavyzdžiui, standų kūną. Jei deformuosime jį kirpdami, kils banga. Tai atsiras dėl tamprumo jėgų, veikiančių tik kietąsias medžiagas. Šios jėgos atkuria ir sukuria elastinę bangą.
Negalite deformuoti skysčio šlyties būdu. Skersinė banga negali sklisti dujose ir skysčiuose. Kitas dalykas – išilginis: jis plinta visose aplinkose, kuriose veikia tamprumo jėgos. Išilginėje bangoje dalelės artėja viena prie kitos, tada tolsta, o pati terpė suspaudžiama ir retėja.
Daugelis žmonių mano, kad skysčiainesuspaustas, bet taip nėra. Jei paspausite švirkšto stūmoklį vandeniu, jis šiek tiek susitrauks. Dujose taip pat galima gniuždymo-tempimo deformacija. Paspaudus tuščio švirkšto stūmoklį, oras suspaudžiamas.
Greitis ir bangos ilgis
Grįžkime prie animacijos, apie kurią kalbėjome straipsnio pradžioje. Mes pasirenkame savavališką tašką viename iš apskritimų, besiskiriančių nuo sąlyginio rutulio, ir sekame juo. Taškas nutolsta nuo centro. Greitis, kuriuo jis juda, yra bangos keteros greitis. Galime daryti išvadą: viena iš bangos charakteristikų yra bangos greitis.
Animacija rodo, kad bangos keteros yra vienodu atstumu. Tai yra bangos ilgis – dar viena jo charakteristika. Kuo dažnesnės bangos, tuo trumpesnis jų ilgis.
Kodėl ne kiekviena mechaninė banga yra garsi
Paimkite aliuminio liniuotę.
Jis šokinėja, todėl naudinga patirtis. Padedame liniuotę ant stalo krašto ir paspaudžiame ranka, kad stipriai išsikištų. Paspaudžiame jo kraštą ir staigiai atleidžiame – laisva dalis pradės vibruoti, bet garso nebus. Jei liniuotę šiek tiek pailginsite, trumpojo krašto vibracija sukurs garsą.
Ką rodo ši patirtis? Tai parodo, kad garsas atsiranda tik tada, kai kūnas juda pakankamai greitai, kai bangos greitis terpėje yra didelis. Įveskime dar vieną bangos charakteristiką – dažnį. Ši vertė parodo, kiek vibracijų per sekundę daro kūnas. Kai sukuriame bangą ore, garsas atsiranda tam tikromis sąlygomis – kai pakankaaukšto dažnio.
Svarbu suprasti, kad garsas nėra banga, nors ir susijęs su mechaninėmis bangomis. Garsas yra pojūtis, atsirandantis, kai garso (akustinės) bangos patenka į ausį.
Grįžkime prie valdovo. Ištiesus didesnę dalį, liniuotė svyruoja ir neskleidžia jokio garso. Ar tai sukuria bangą? Žinoma, bet tai mechaninė banga, o ne garso banga. Dabar galime apibrėžti garso bangą. Tai mechaninė išilginė banga, kurios dažnis yra nuo 20 Hz iki 20 tūkstančių Hz. Jei dažnis yra mažesnis nei 20 Hz arba didesnis nei 20 kHz, mes jo negirdėsime, nors atsiras vibracijos.
Garso š altinis
Bet koks svyruojantis kūnas gali būti akustinių bangų š altinis, jam reikia tik tamprios terpės, pavyzdžiui, oro. Vibruoti gali ne tik kietas kūnas, bet ir skystis bei dujos. Oras kaip kelių dujų mišinys gali būti ne tik sklidimo terpė – jis pats gali generuoti akustinę bangą. Būtent jo vibracijos yra pučiamųjų instrumentų skambesio pagrindas. Fleita ar trimitas nevibruoja. Būtent oras retinamas ir suspaudžiamas, suteikia bangai tam tikrą greitį, dėl ko girdime garsą.
Garso skleidimas įvairiose aplinkose
Sužinojome, kad skamba įvairios medžiagos: skystos, kietos, dujinės. Tas pats pasakytina ir apie gebėjimą pravesti akustinę bangą. Garsas sklinda bet kurioje elastingoje terpėje (skystoje, kietoje, dujinėje), išskyrus vakuumą. Tuščioje erdvėje, tarkime, mėnulyje, negirdėsime vibruojančio kūno garso.
Dauguma žmonių suvokiamų garsų sklinda ore. Žuvys, medūzos girdi akustinę bangą, besiskiriančią per vandenį. Mes, jei nardysime po vandeniu, taip pat išgirsime pro šalį važiuojančios motorinės v alties triukšmą. Be to, bangos ilgis ir greitis bus didesni nei ore. Tai reiškia, kad variklio garsą pirmasis išgirs po vandeniu nardantis žmogus. Toje pačioje vietoje savo v altyje sėdintis žvejys triukšmą išgirs vėliau.
Kietose medžiagose garsas sklinda dar geriau, o bangos greitis yra didesnis. Jei prie ausies prisidėsite kietą daiktą, ypač metalinį, ir bakstelėsite, girdėsite labai gerai. Kitas pavyzdys – jūsų paties balsas. Kai pirmą kartą išgirstame savo kalbą, anksčiau įrašytą į diktofoną arba iš vaizdo įrašo, balsas atrodo svetimas. Kodėl tai vyksta? Nes gyvenime iš burnos girdime ne tiek garso virpesius, kiek bangų virpesius, einančius per mūsų kaukolės kaulus. Nuo šių kliūčių atsispindėjęs garsas šiek tiek pasikeičia.
Garso greitis
Garso bangos greitis, jei svarstysime tą patį garsą, skirtingose aplinkose skirsis. Kuo tankesnė terpė, tuo greičiau garsas pasiekia mūsų ausį. Traukinys gali nuvažiuoti taip toli nuo mūsų, kad dar nesigirdi ratų garso. Tačiau jei pridedate ausį prie bėgių, aiškiai girdėsime ūžesį.
Tai rodo, kad garso bangos kietose medžiagose sklinda greičiau nei ore. Paveikslėlyje parodytas garso greitis įvairiose aplinkose.
Bangų lygtis
Greitis, dažnis ir bangos ilgis yra tarpusavyje susiję. Kūnų, kurie vibruoja aukštu dažniu, banga yra trumpesnė. Žemo dažnio garsai gali būti girdimi didesniu atstumu, nes jie turi ilgesnį bangos ilgį. Yra dvi bangų lygtys. Jie iliustruoja bangų charakteristikų tarpusavio priklausomybę viena nuo kitos. Žinodami bet kuriuos du dydžius iš lygčių, galite apskaičiuoti trečiąjį:
с=ν × λ, kur c yra greitis, ν yra dažnis, λ yra bangos ilgis.
Antroji akustinės bangos lygtis:
s=λ / T, kur T yra periodas, t.y. laikas, per kurį kūnas svyruoja.
