Skaņas vilnis ir viļņu process, kas notiek gāzveida, šķidrā un cietā vidē, ko, sasniedzot cilvēka dzirdes orgānus, tie uztver kā skaņu. Šo viļņu frekvence ir diapazonā no 20 līdz 20 000 svārstībām sekundē. Mēs sniedzam skaņas viļņa formulas un sīkāk apsveram tā īpašības.
Kāpēc ir skaņas vilnis?
Daudzi cilvēki brīnās, kas ir skaņas vilnis. Skaņas būtība ir saistīta ar traucējumu rašanos elastīgā vidē. Piemēram, ja noteiktā gaisa tilpumā rodas spiediena traucējumi saspiešanas veidā, šai zonai ir tendence izplatīties telpā. Šis process noved pie gaisa saspiešanas zonās, kas atrodas blakus avotam, kurām arī ir tendence paplašināties. Šis process aptver arvien vairāk vietas, līdz tas sasniedz kādu uztvērēju, piemēram, cilvēka ausi.
Skaņas viļņu vispārīgie raksturlielumi
Apdomāsim, kas ir skaņas vilnis un kā to uztver cilvēka auss. Skaņu vilnisir gareniska, tā, nonākot auss čaulā, rada bungādiņas vibrācijas ar noteiktu frekvenci un amplitūdu. Šīs svārstības var attēlot arī kā periodiskas spiediena izmaiņas gaisa mikrotilpumā, kas atrodas blakus membrānai. Pirmkārt, tas palielinās attiecībā pret parasto atmosfēras spiedienu un pēc tam samazinās, ievērojot harmoniskās kustības matemātiskos likumus. Gaisa kompresijas izmaiņu amplitūda, tas ir, starpība starp maksimālo vai minimālo spiedienu, ko rada skaņas vilnis, ar atmosfēras spiedienu ir proporcionāla paša skaņas viļņa amplitūdai.
Daudzi fiziski eksperimenti ir parādījuši, ka maksimālais spiediens, ko cilvēka auss var uztvert, tai nekaitējot, ir 2800 µN/cm2. Salīdzinājumam pieņemsim, ka atmosfēras spiediens pie zemes virsmas ir 10 miljoni µN/cm2. Ņemot vērā spiediena un svārstību amplitūdas proporcionalitāti, varam teikt, ka pēdējā vērtība ir nenozīmīga pat spēcīgākajiem viļņiem. Ja runājam par skaņas viļņa garumu, tad frekvencei 1000 vibrācijas sekundē tā būs centimetra tūkstošdaļa.
Vājākās skaņas rada spiediena svārstības 0,001µN/cm2, atbilstošā viļņu svārstību amplitūda 1000 Hz frekvencei ir 10- 9cm, savukārt gaisa molekulu vidējais diametrs ir 10-8 cm, tas ir, cilvēka auss ir ārkārtīgi jutīgs orgāns.
Skaņas viļņu intensitātes jēdziens
Ar ģeometriskuNo skaņas viļņa viedokļa tā ir noteiktas formas vibrācija, no fiziskā viedokļa skaņas viļņu galvenā īpašība ir to spēja nodot enerģiju. Vissvarīgākais viļņu enerģijas pārneses piemērs ir saule, kuras izstarotie elektromagnētiskie viļņi nodrošina enerģiju visai mūsu planētai.
Skaņas viļņa intensitāti fizikā definē kā enerģijas daudzumu, ko vilnis nes caur virsmas vienības virsmu, kas ir perpendikulāra viļņa izplatībai, un laika vienībā. Īsāk sakot, viļņa intensitāte ir tā jauda, kas tiek pārnesta caur laukuma vienību.
Skaņas viļņu stiprumu parasti mēra decibelos, kuru pamatā ir logaritmiska skala, kas ir ērta rezultātu praktiskai analīzei.
Dažādu skaņu intensitāte
Šā decibelu skala sniedz priekšstatu par dažādu skaņas intensitātes nozīmi un to radītajām sajūtām:
- nepatīkamu un neērtu sajūtu slieksnis sākas ar 120 decibeliem (dB);
- kniedēšanas āmurs rada 95 dB troksni;
- ātrvilciens - 90 dB;
- satiksmes iela - 70 dB;
- parastas sarunas skaļums starp cilvēkiem ir 65 dB;
- Mūsdienu automašīna, kas pārvietojas mērenā ātrumā, rada 50 dB troksni;
- vidējais radio skaļums - 40 dB;
- klusa saruna - 20 dB;
- koku lapotnes troksnis - 10 dB;
- Minimālais cilvēka skaņas jutības slieksnis ir tuvu 0 dB.
Cilvēka auss jutīgums ir atkarīgs noskaņas frekvence un ir maksimālā vērtība skaņas viļņiem ar frekvenci 2000-3000 Hz. Skaņai šajā frekvenču diapazonā cilvēka jutīguma apakšējais slieksnis ir 10-5 dB. Augstākas un zemākas frekvences par norādīto intervālu noved pie zemākā jutības sliekšņa palielināšanās tā, ka cilvēks dzird frekvences, kas ir tuvu 20 Hz un 20 000 Hz, tikai to intensitātē, kas ir vairāki desmiti dB.
Kas attiecas uz augšējo intensitātes slieksni, pēc kura skaņa sāk cilvēkam sagādāt neērtības un pat sāpes, tad jāsaka, ka tas praktiski nav atkarīgs no frekvences un atrodas 110-130 dB robežās..
Skaņas viļņa ģeometriskie raksturlielumi
Īsts skaņas vilnis ir sarežģīta svārstību garenviļņu pakete, ko var sadalīt vienkāršās harmoniskās vibrācijās. Katru šādu svārstību no ģeometriskā viedokļa raksturo šādi raksturlielumi:
- Amplitūda - katras viļņa sekcijas maksimālā novirze no līdzsvara. Šai vērtībai apzīmējums A.
- Periods. Šis ir laiks, kas nepieciešams, lai vienkāršs vilnis pabeigtu tās svārstības. Pēc šī laika katrs viļņa punkts sāk atkārtot savu svārstību procesu. Periodu parasti apzīmē ar burtu T un mēra sekundēs SI sistēmā.
- Biežums. Šis ir fizisks lielums, kas parāda, cik svārstības dotais vilnis veic sekundē. Tas nozīmē, ka tā ir vērtība, kas ir apgriezta periodam. To apzīmē ar latīņu burtu f. Skaņas viļņa frekvencei formula tās noteikšanai pēc perioda ir šāda: f=1/T.
- Viļņa garums ir attālums, ko tas veic vienā svārstību periodā. Ģeometriski viļņa garums ir attālums starp diviem tuvākajiem maksimumiem vai diviem tuvākajiem minimumiem sinusoidālajā līknē. Skaņas viļņa svārstību garums ir attālums starp tuvākajām gaisa saspiešanas zonām vai tuvākajām tā retināšanas vietām telpā, kur vilnis pārvietojas. To parasti apzīmē ar grieķu burtu λ.
- Skaņas viļņu izplatīšanās ātrums ir attālums, kādā laika vienībā izplatās viļņa saspiešanas vai retināšanas laukums. Šo vērtību apzīmē ar burtu v. Skaņas viļņa ātrumam formula ir šāda: v=λf.
Tīra skaņas viļņa, tas ir, nemainīgas tīrības viļņa, ģeometrija pakļaujas sinusoidālajam likumam. Vispārīgā gadījumā skaņas viļņa formula ir: y=Asin(ωt), kur y ir dotā viļņa punkta koordinātes vērtība, t ir laiks, ω=2pif ir ciklisko svārstību frekvence.
Periodiska skaņa
Daudzus skaņas avotus var uzskatīt par periodiskiem, piemēram, skaņu no tādiem mūzikas instrumentiem kā ģitāra, klavieres, flauta, taču dabā ir arī liels skaits skaņu, kas ir aperiodiskas, tas ir, skaņas vibrācijas mainās to biežums un forma telpā. Tehniski šāda veida skaņu sauc par troksni. gaišsaperiodiskas skaņas piemēri ir pilsētas troksnis, jūras skaņa, skaņas no sitaminstrumentiem, piemēram, bungas, un citi.
Skaņas izplatīšanās līdzeklis
Atšķirībā no elektromagnētiskā starojuma, kura fotonu izplatībai nav nepieciešama materiāla vide, skaņas raksturs ir tāds, ka tās izplatībai ir nepieciešama noteikta vide, tas ir, saskaņā ar fizikas likumiem skaņas viļņi nevar izplatīt vakuumā.
Skaņa var izplatīties caur gāzēm, šķidrumiem un cietām vielām. Skaņas viļņa, kas izplatās vidē, galvenie raksturlielumi ir šādi:
- vilnis izplatās lineāri;
- viendabīgā vidē tas izplatās vienādi visos virzienos, tas ir, skaņa novirzās no avota, veidojot perfektu sfērisku virsmu.
- neatkarīgi no skaņas amplitūdas un frekvences, tās viļņi noteiktā vidē izplatās ar tādu pašu ātrumu.
Skaņas viļņu ātrums dažādos medijos
Skaņas izplatīšanās ātrums ir atkarīgs no diviem galvenajiem faktoriem: vides, kurā vilnis pārvietojas, un temperatūras. Kopumā ir spēkā šāds noteikums: jo blīvāks vide un augstāka tā temperatūra, jo ātrāk skaņa tajā pārvietojas.
Piemēram, skaņas viļņa izplatīšanās ātrums gaisā netālu no zemes virsmas 20 ℃ temperatūrā un 50% mitrumā ir 1235 km/h jeb 343 m/s. Ūdenī noteiktā temperatūrā skaņa izplatās 4,5 reizes ātrāktur ir aptuveni 5735 km/h jeb 1600 m/s. Runājot par skaņas ātruma atkarību no gaisa temperatūras, tas palielinās par 0,6 m/s, temperatūrai paaugstinoties par katru grādu pēc Celsija.
Tembrs un tonis
Ja stīgai vai metāla plāksnei ļauj brīvi vibrēt, tā radīs dažādu frekvenču skaņas. Ļoti reti var atrast ķermeni, kas izstaro vienas noteiktas frekvences skaņu, parasti objekta skaņai ir noteikta frekvenču kopa noteiktā intervālā.
Skaņas tembru nosaka tajā esošo harmoniku skaits un to attiecīgā intensitāte. Tembrs ir subjektīva vērtība, tas ir, konkrētas personas uztvere par skanošu objektu. Tembru parasti raksturo šādi īpašības vārdi: augsts, izcils, skanīgs, melodisks utt.
Tonis ir skaņas sajūta, kas ļauj to klasificēt kā augstu vai zemu. Arī šī vērtība ir subjektīva, un to nevar izmērīt ne ar vienu instrumentu. Tonis ir saistīts ar objektīvu lielumu - skaņas viļņa frekvenci, taču starp tiem nav viennozīmīgas attiecības. Piemēram, vienas frekvences skaņai ar nemainīgu intensitāti tonis paaugstinās, palielinoties frekvencei. Ja skaņas frekvence paliek nemainīga, bet tās intensitāte palielinās, tad tonis kļūst zemāks.
Skaņas avotu forma
Atbilstoši ķermeņa formai, kas mehāniski vibrē un tādējādi rada skaņu, ir trīs galvenie skaņas viļņu avotu veidi:
- Punkts avots. Tas rada skaņas viļņus, kuriem ir sfēriska forma un kuri strauji samazinās līdz ar attālumu no avota (aptuveni 6dB, ja attālums no avota tiek dubultots).
- Līnijas avots. Tas rada cilindriskus viļņus, kuru intensitāte samazinās lēnāk nekā no punktveida avota (katru reizi divkāršojot attālumu no avota, intensitāte samazinās par 3 dB).
- Plakans vai divdimensiju avots. Tas rada viļņus tikai noteiktā virzienā. Šāda avota piemērs varētu būt virzulis, kas kustas cilindrā.
Elektroniskie skaņas avoti
Lai radītu skaņas vilni, elektroniskie avoti izmanto īpašu membrānu (skaļruni), kas veic mehāniskas vibrācijas elektromagnētiskās indukcijas fenomena dēļ. Šie avoti ir šādi:
- atskaņotāji dažādiem diskiem (CD, DVD un citiem);
- kasešu magnetofoni;
- radio;
- TV un daži citi.
