Garso banga: formulė, savybės. Garso bangų š altiniai

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 05:34

Garso banga – tai dujinėse, skystose ir kietose terpėse vykstantis banginis procesas, kuris, pasiekęs žmogaus klausos organus, yra suvokiamas kaip garsas. Šių bangų dažnis svyruoja nuo 20 iki 20 000 virpesių per sekundę. Pateikiame garso bangos formules ir išsamiau aptariame jos savybes.

Kodėl yra garso banga?

Daugelis žmonių stebisi, kas yra garso banga. Garso prigimtis slypi perturbacijos atsiradime elastingoje terpėje. Pavyzdžiui, kai tam tikrame oro tūryje atsiranda slėgio perturbacija suspaudimo forma, ši sritis linkusi plisti erdvėje. Šis procesas sukelia oro suspaudimą šalia š altinio esančiose vietose, kurios taip pat linkusios plėstis. Šis procesas apima vis daugiau vietos, kol pasiekia kokį nors imtuvą, pavyzdžiui, žmogaus ausį.

Bendrosios garso bangų charakteristikos

Panagrinėkime, kas yra garso banga ir kaip ją suvokia žmogaus ausis. Garso bangayra išilginis, jis, patekęs į ausies kiautą, sukelia tam tikro dažnio ir amplitudės būgnelio virpesius. Šiuos svyravimus taip pat galite pateikti kaip periodinius slėgio pokyčius greta membranos esančio oro mikrotūrio. Pirma, jis didėja, palyginti su įprastu atmosferos slėgiu, o paskui mažėja, paklusdamas matematiniams harmoninio judėjimo dėsniams. Oro suspaudimo pokyčių amplitudė, ty skirtumas tarp didžiausio arba mažiausio garso bangos sukuriamo slėgio ir atmosferos slėgio, yra proporcinga pačios garso bangos amplitudei.

Daugelis fizinių eksperimentų parodė, kad didžiausias slėgis, kurį žmogaus ausis gali suvokti nepažeisdama jai, yra 2800 µN/cm². Palyginimui, tarkime, kad atmosferos slėgis netoli žemės paviršiaus yra 10 milijonų µN/cm^{2. Atsižvelgiant į slėgio ir virpesių amplitudės proporcingumą, galima teigti, kad pastaroji reikšmė yra nereikšminga net ir stipriausioms bangoms. Jei kalbėsime apie garso bangos ilgį, tada, kai dažnis yra 1000 virpesių per sekundę, tai bus tūkstantoji centimetro dalis.}

Silpniausi garsai sukuria slėgio svyravimus, kurių dydis yra 0,001µN/cm², atitinkama bangos virpesių amplitudė 1000 Hz dažniui yra 10^{- 9}cm, o vidutinis oro molekulių skersmuo yra 10^{-8 cm, tai yra, žmogaus ausis yra itin jautrus organas.}

Garso bangų intensyvumo samprata

Su geometrineGarso bangos požiūriu tai yra tam tikros formos vibracija, fiziniu požiūriu pagrindinė garso bangų savybė yra jų gebėjimas perduoti energiją. Svarbiausias bangų energijos perdavimo pavyzdys yra saulė, kurios skleidžiamos elektromagnetinės bangos aprūpina energiją visai mūsų planetai.

Fizikoje garso bangos intensyvumas apibrėžiamas kaip energijos kiekis, kurį banga per laiko vienetą perneša per vienetinį paviršių, kuris yra statmenas bangos sklidimui. Trumpai tariant, bangos intensyvumas yra jos galia, perduodama per ploto vienetą.

Garso bangų stiprumas paprastai matuojamas decibelais, kurie yra pagrįsti logaritmine skale, patogia praktinei rezultatų analizei.

Įvairių garsų intensyvumas

Ši decibelų skalė suteikia supratimą apie skirtingo garso intensyvumo reikšmę ir jų sukeliamus pojūčius:

• nemalonių ir nepatogių pojūčių slenkstis prasideda nuo 120 decibelų (dB);
• kniedijimo plaktukas sukuria 95 dB triukšmą;
• greitasis traukinys – 90 dB;
• eismo gatvė - 70 dB;
• įprasto žmonių pokalbio garsumas yra 65 dB;
• Šiuolaikinis automobilis, judantis vidutiniu greičiu, sukuria 50 dB triukšmą;
• vidutinis radijo garsas - 40 dB;
• tylus pokalbis – 20 dB;
• medžių lapijos triukšmas – 10 dB;
• Mažiausias žmogaus garso jautrumo slenkstis yra artimas 0 dB.

Žmogaus ausies jautrumas priklauso nuogarso dažnis ir yra didžiausia 2000–3000 Hz dažnio garso bangų vertė. Šio dažnių diapazono garsui apatinė žmogaus jautrumo riba yra 10-5 dB. Aukštesni ir žemesni dažniai nei nurodytas intervalas padidina apatinę jautrumo slenkstį taip, kad žmogus girdi dažnius, artimus 20 Hz ir 20 000 Hz, tik kelių dešimčių dB intensyvumu.

Kalbant apie viršutinę intensyvumo ribą, po kurios garsas pradeda kelti žmogui nepatogumų ir net skausmą, reikia pasakyti, kad jis praktiškai nepriklauso nuo dažnio ir yra 110-130 dB diapazone..

Garso bangos geometrinės charakteristikos

Tikra garso banga yra sudėtingas svyruojantis išilginių bangų paketas, kurį galima suskaidyti į paprastas harmonines vibracijas. Kiekvienas toks svyravimas geometriniu požiūriu apibūdinamas šiomis charakteristikomis:

1. Amplitudė – didžiausias kiekvienos bangos atkarpos nuokrypis nuo pusiausvyros. Šiai vertei žymėjimas A.
2. Laikotarpis. Tai laikas, per kurį paprasta banga užbaigia visą savo svyravimą. Po šio laiko kiekvienas bangos taškas pradeda kartoti savo virpesių procesą. Laikotarpis paprastai žymimas raide T ir matuojamas sekundėmis SI sistemoje.
3. Dažnis. Tai fizinis dydis, rodantis, kiek svyravimų tam tikra banga sukelia per sekundę. Tai yra, savo reikšme tai yra periodui atvirkštinė vertė. Jis žymimas lotyniška raide f. Garso bangos dažniui nustatyti formulė per periodą yra tokia: f=1/T.
4. Bangos ilgis yra atstumas, kurį ji nukeliauja per vieną svyravimų periodą. Geometriškai bangos ilgis yra atstumas tarp dviejų artimiausių maksimumų arba dviejų artimiausių minimumų sinusoidinėje kreivėje. Garso bangos virpesių ilgis yra atstumas tarp artimiausių oro suspaudimo zonų arba artimiausių jos retėjimo vietų erdvėje, kurioje banga juda. Paprastai jis žymimas graikiška raide λ.
5. Garso bangos sklidimo greitis yra atstumas, per kurį bangos suspaudimo arba retėjimo plotas sklinda per laiko vienetą. Ši reikšmė žymima raide v. Garso bangos greičio formulė yra tokia: v=λf.

Gryno garso bangos geometrija, tai yra nuolatinio grynumo banga, paklūsta sinusoidiniam dėsniui. Bendruoju atveju garso bangos formulė yra tokia: y=Asin(ωt), kur y – tam tikro bangos taško koordinatės reikšmė, t – laikas, ω=2pif yra ciklinis virpesių dažnis.

Periodinis garsas

Daugelis garso š altinių gali būti laikomi periodiniais, pavyzdžiui, muzikos instrumentų, tokių kaip gitara, fortepijonas, fleita, garsas, tačiau gamtoje taip pat yra daug garsų, kurie yra periodiniai, tai yra, keičiasi garso vibracijos. jų dažnis ir forma erdvėje. Techniškai toks garsas vadinamas triukšmu. šviesusperiodinio garso pavyzdžiai yra miesto triukšmas, jūros ošimas, mušamųjų instrumentų, pvz., būgno, garsai ir kt.

Garso sklidimo terpė

Skirtingai nuo elektromagnetinės spinduliuotės, kurios fotonams sklisti nereikia jokios materialinės terpės, garso prigimtis yra tokia, kad jam sklisti reikalinga tam tikra terpė, tai yra pagal fizikos dėsnius garso bangos negali skleisti vakuume.

Garsas gali sklisti per dujas, skysčius ir kietas medžiagas. Pagrindinės garso bangos, sklindančios terpėje, charakteristikos yra šios:

• banga sklinda tiesiškai;
• vienatėje terpėje jis sklinda vienodai visomis kryptimis, tai yra, garsas skiriasi nuo š altinio, sudarydamas tobulą sferinį paviršių.
• nepriklausomai nuo garso amplitudės ir dažnio, jo bangos tam tikroje terpėje sklinda tokiu pačiu greičiu.

Garso bangų greitis įvairiose laikmenose

Garso sklidimo greitis priklauso nuo dviejų pagrindinių veiksnių: terpės, kurioje juda banga, ir temperatūros. Apskritai galioja tokia taisyklė: kuo tankesnė terpė ir kuo aukštesnė jos temperatūra, tuo garsas joje juda greičiau.

Pavyzdžiui, garso bangos sklidimo greitis ore šalia žemės paviršiaus esant 20 ℃ temperatūrai ir 50 % oro drėgnumui yra 1235 km/h arba 343 m/s. Tada tam tikros temperatūros vandenyje garsas sklinda 4,5 karto greičiauyra apie 5735 km/h arba 1600 m/s. Kalbant apie garso greičio priklausomybę nuo oro temperatūros, jis padidėja 0,6 m/s, temperatūrai didėjant kiekvienu Celsijaus laipsniu.

Tembras ir tonas

Jei stygai ar metalinei plokštelei leidžiama laisvai vibruoti, ji skleis skirtingų dažnių garsus. Labai retai galima rasti kūną, kuris skleistų vieno konkretaus dažnio garsą, dažniausiai objekto garsas turi dažnių rinkinį tam tikru intervalu.

Garso tembrą lemia jame esančių harmonikų skaičius ir atitinkamas jų intensyvumas. Tembras yra subjektyvi vertybė, tai yra konkretaus žmogaus suvokimas apie skambantį objektą. Tembras paprastai apibūdinamas šiais būdvardžiais: aukštas, puikus, skambus, melodingas ir pan.

Tonas yra garso pojūtis, leidžiantis jį klasifikuoti kaip aukštą arba žemą. Ši vertė taip pat yra subjektyvi ir negali būti išmatuota jokiu prietaisu. Tonas siejamas su objektyviu dydžiu – garso bangos dažniu, tačiau tarp jų nėra vienareikšmio ryšio. Pavyzdžiui, vieno dažnio pastovaus intensyvumo garsui tonas pakyla, kai dažnis didėja. Jei garso dažnis išlieka pastovus, bet jo intensyvumas didėja, tada tonas tampa žemesnis.

Garso š altinių forma

Pagal kūno formą, kuri vibruoja mechaniškai ir taip sukuria garsą, yra trys pagrindiniai garso bangų š altinių tipai:

1. Taškinis š altinis. Jis sukuria sferinės formos garso bangas, kurios greitai nyksta, atsižvelgiant į atstumą nuo š altinio (maždaug 6 dB, jei atstumas nuo š altinio padvigubinamas).
2. Linijos š altinis. Jis sukuria cilindrines bangas, kurių intensyvumas mažėja lėčiau nei taškinio š altinio (kiekvieną kartą padvigubėjus atstumui nuo š altinio, intensyvumas sumažėja 3 dB).
3. Plokščias arba dvimatis š altinis. Jis generuoja bangas tik tam tikra kryptimi. Tokio š altinio pavyzdys būtų stūmoklis, judantis cilindre.

Elektroniniai garso š altiniai

Garso bangai sukurti elektroniniuose š altiniuose naudojama speciali membrana (garsiakalbis), kuri atlieka mechaninius virpesius dėl elektromagnetinės indukcijos reiškinio. Šie š altiniai yra šie:

• įvairių diskų (CD, DVD ir kitų) grotuvai;
• kasetiniai grotuvai;
• radijas;
• televizoriai ir kai kurie kiti.