Skaņas vilnis ir mehānisks gareniskais vilnis ar noteiktu frekvenci. Rakstā mēs sapratīsim, kas ir garenvirziena un šķērsviļņi, kāpēc ne katrs mehāniskais vilnis ir skaņa. Uzziniet viļņa ātrumu un frekvences, kurās rodas skaņa. Noskaidrosim, vai skaņa dažādās vidēs ir vienāda, un uzzināsim, kā noteikt tās ātrumu, izmantojot formulu.
Parādās vilnis
Iedomāsimies ūdens virsmu, piemēram, dīķi mierīgā laikā. Ja jūs metīsit akmeni, tad uz ūdens virsmas mēs redzēsim apļus, kas novirzās no centra. Un kas notiks, ja paņemsim nevis akmeni, bet lodi un ievedīsim to svārstīgā kustībā? Apļus pastāvīgi ģenerēs bumbas vibrācijas. Mēs redzēsim aptuveni to pašu, kas parādīts datora animācijā.
Ja nolaidīsim pludiņu kādā attālumā no bumbiņas, tas arī svārstīsies. Ja laika gaitā svārstības telpā atšķiras, šo procesu sauc par vilni.
Skaņas īpašību (viļņa garuma, viļņa ātruma u.c.) izpētei ir piemērota slavenā Rainbow rotaļlieta jeb Happy Rainbow.
Izstiepsim atsperi, ļausim tai nomierināties un krasi to uz augšu un uz leju. Mēs redzēsim, ka parādījās vilnis, kas skrēja gar avotu un pēc tam atgriezās atpakaļ. Tas nozīmē, ka tas atspīd no šķēršļa. Mēs novērojām, kā vilnis laika gaitā izplatījās gar avotu. Atsperes daļiņas pārvietojās uz augšu un uz leju attiecībā pret to līdzsvaru, un vilnis skrēja pa kreisi un pa labi. Šādu vilni sauc par šķērsvilni. Tajā tā izplatīšanās virziens ir perpendikulārs daļiņu svārstību virzienam. Mūsu gadījumā viļņu izplatīšanās vide bija atspere.
Tagad izstiepsim atsperi, ļausim tai nomierināties un vilksim uz priekšu un atpakaļ. Mēs redzēsim, ka atsperes spoles ir saspiestas gar to. Vilnis iet tajā pašā virzienā. Vienā vietā atspere vairāk saspiesta, citur vairāk izstiepta. Šādu vilni sauc par garenvirzienu. Tā daļiņu svārstību virziens sakrīt ar izplatīšanās virzienu.
Iedomāsimies blīvu vidi, piemēram, stingru ķermeni. Ja mēs to deformēsim, bīdot, radīsies vilnis. Tas parādīsies elastīgo spēku dēļ, kas darbojas tikai cietās vielās. Šie spēki atjauno un rada elastīgu vilni.
Šķidrumu nevar deformēt ar bīdes palīdzību. Šķērsvilnis nevar izplatīties gāzēs un šķidrumos. Vēl viena lieta ir gareniskā: tā izplatās visās vidēs, kur darbojas elastīgie spēki. Gareniskā viļņā daļiņas tuvojas viena otrai, tad attālinās, un pati vide tiek saspiesta un retināta.
Daudzi cilvēki domā, ka šķidruminesaspiežams, bet tas tā nav. Nospiežot šļirces virzuli ar ūdeni, tā nedaudz saruks. Gāzēs iespējama arī spiedes un stiepes deformācija. Nospiežot tukšas šļirces virzuli, gaiss tiek saspiests.
Ātrums un viļņa garums
Atgriezīsimies pie animācijas, kuru apskatījām raksta sākumā. Mēs izvēlamies patvaļīgu punktu vienā no apļiem, kas atšķiras no nosacītās bumbiņas, un sekojam tam. Punkts attālinās no centra. Ātrums, ar kādu tas pārvietojas, ir viļņu virsotnes ātrums. Varam secināt: viens no viļņa raksturlielumiem ir viļņa ātrums.
Animācija parāda, ka viļņa virsotnes atrodas vienādā attālumā. Tas ir viļņa garums - vēl viens no tā raksturlielumiem. Jo biežāki viļņi, jo īsāks to garums.
Kāpēc ne katrs mehāniskais vilnis ir skaņa
Paņemiet alumīnija lineālu.
Tas ir elastīgs, tāpēc tas ir labs pieredzei. Lineālu uzliekam uz galda malas un piespiežam ar roku, lai tas stipri izvirzās uz āru. Nospiežam uz tās malas un strauji atlaižam - brīvā daļa sāks vibrēt, bet skaņas nebūs. Ja jūs nedaudz pagarināsiet lineālu, īsās malas vibrācija radīs skaņu.
Par ko liecina šī pieredze? Tas parāda, ka skaņa rodas tikai tad, ja ķermenis pārvietojas pietiekami ātri, kad viļņu ātrums vidē ir augsts. Ieviesīsim vēl vienu viļņa raksturlielumu - frekvenci. Šī vērtība parāda, cik vibrācijas sekundē rada ķermenis. Kad mēs radām vilni gaisā, skaņa rodas noteiktos apstākļos – kad pietiekaugsta frekvence.
Ir svarīgi saprast, ka skaņa nav vilnis, lai gan tā ir saistīta ar mehāniskiem viļņiem. Skaņa ir sajūta, kas rodas, kad ausī iekļūst skaņas (akustiskie) viļņi.
Atgriezīsimies pie lineāla. Kad lielākā daļa ir izstiepta, lineāls svārstās un nerada skaņu. Vai tas rada vilni? Protams, bet tas ir mehānisks vilnis, nevis skaņas vilnis. Tagad mēs varam definēt skaņas vilni. Tas ir mehānisks gareniskais vilnis, kura frekvence ir diapazonā no 20 Hz līdz 20 tūkstošiem Hz. Ja frekvence ir mazāka par 20 Hz vai lielāka par 20 kHz, mēs to nedzirdēsim, lai gan radīsies vibrācijas.
Skaņas avots
Jebkurš oscilējošs ķermenis var būt akustisko viļņu avots, tam nepieciešama tikai elastīga vide, piemēram, gaiss. Vibrēt var ne tikai ciets ķermenis, bet arī šķidrums un gāze. Gaiss kā vairāku gāzu maisījums var būt ne tikai izplatīšanās vide – tas pats spēj radīt akustisku viļņu. Tieši viņa vibrācijas ir pūšamo instrumentu skaņas pamatā. Flauta vai trompete nevibrē. Tieši gaiss tiek retināts un saspiests, dod vilnim noteiktu ātrumu, kā rezultātā mēs dzirdam skaņu.
Skaņas izplatīšana dažādās vidēs
Mēs noskaidrojām, ka skan dažādas vielas: šķidra, cieta, gāzveida. Tas pats attiecas uz spēju vadīt akustisko vilni. Skaņa izplatās jebkurā elastīgā vidē (šķidrā, cietā, gāzveida), izņemot vakuumu. Tukšā vietā, piemēram, uz Mēness, mēs nedzirdēsim vibrējoša ķermeņa skaņas.
Lielākā daļa cilvēku uztverto skaņu ir gaisā. Zivis, medūzas dzird akustisku vilni, kas novirzās pa ūdeni. Arī mēs, ja nirsim zem ūdens, dzirdēsim garām braucošas motorlaivas troksni. Turklāt viļņa garums un viļņu ātrums būs lielāki nekā gaisā. Tas nozīmē, ka dzinēja skaņa būs pirmā, ko dzirdēs cilvēks, kas nirst zem ūdens. Zvejnieks, kurš sēž savā laivā tajā pašā vietā, troksni dzirdēs vēlāk.
Cietās daļiņās skaņa izplatās vēl labāk, un viļņu ātrums ir lielāks. Pieliekot pie auss cietu priekšmetu, īpaši metālu, un piesitot tam, jūs dzirdēsiet ļoti labi. Vēl viens piemērs ir jūsu balss. Kad mēs pirmo reizi dzirdam savu runu, kas iepriekš ierakstīta balss ierakstītājā vai no video, balss šķiet sveša. Kāpēc tas notiek? Jo dzīvē mēs dzirdam ne tik daudz skaņas vibrācijas no savas mutes, cik viļņu vibrācijas, kas iet caur mūsu galvaskausa kauliem. No šiem šķēršļiem atstarotā skaņa nedaudz mainās.
Skaņas ātrums
Skaņas viļņa ātrums, ja ņemam vērā vienu un to pašu skaņu, dažādās vidēs būs atšķirīgs. Jo blīvāks vide, jo ātrāk skaņa sasniedz mūsu ausi. Vilciens var aizbraukt no mums tik tālu, ka vēl nebūs dzirdama riteņu skaņa. Tomēr, ja pieliekat ausi pie sliedēm, mēs skaidri dzirdēsim dārdoņu.
Tas liecina, ka skaņas viļņi cietās vielās pārvietojas ātrāk nekā gaisā. Attēlā parādīts skaņas ātrums dažādās vidēs.
Viļņu vienādojums
Ātrums, frekvence un viļņa garums ir savstarpēji saistīti. Ķermeņiem, kas vibrē ar augstu frekvenci, vilnis ir īsāks. Zemas frekvences skaņas var dzirdēt lielākā attālumā, jo tām ir garāks viļņa garums. Ir divi viļņu vienādojumi. Tie ilustrē viļņu raksturlielumu savstarpējo atkarību viena no otras. Zinot jebkurus divus lielumus no vienādojumiem, varat aprēķināt trešo:
с=ν × λ, kur c ir ātrums, ν ir frekvence, λ ir viļņa garums.
Otrais akustiskā viļņa vienādojums:
s=λ/T, kur T ir periods, t.i., laiks, kurā ķermenis veic vienu svārstību.
