En lydbølge er en mekanisk langsgående bølge med en bestemt frekvens. I artiklen vil vi forstå, hvad langsgående og tværgående bølger er, hvorfor ikke enhver mekanisk bølge er lyd. Find ud af bølgens hastighed og de frekvenser, hvor lyden opstår. Lad os finde ud af, om lyden er den samme i forskellige miljøer, og lære at finde dens hastighed ved hjælp af formlen.
Wave vises
Lad os forestille os en vandoverflade, for eksempel en dam i roligt vejr. Hvis du kaster en sten, vil vi på overfladen af vandet se cirkler, der divergerer fra midten. Og hvad vil der ske, hvis vi ikke tager en sten, men en bold og bringer den i oscillerende bevægelse? Cirklerne vil konstant blive genereret af boldens vibrationer. Vi vil se omtrent det samme som vist i computeranimationen.
Hvis vi sænker flyderen i en vis afstand fra bolden, vil den også svinge. Når fluktuationer divergerer i rummet over tid, kaldes denne proces en bølge.
For at studere lydens egenskaber (bølgelængde, bølgehastighed osv.), er det berømte Rainbow-legetøj, eller Happy Rainbow, velegnet.
Lad os strække fjederen, lad den falde til ro og ryste den skarpt op og ned. Vi vil se, at en bølge dukkede op, som løb langs foråret og derefter vendte tilbage. Det betyder, at det reflekteres fra forhindringen. Vi observerede, hvordan bølgen forplantede sig langs foråret over tid. Fjederens partikler bevægede sig op og ned i forhold til deres ligevægt, og bølgen løb til venstre og højre. En sådan bølge kaldes en tværgående bølge. I den er udbredelsesretningen vinkelret på partiklernes oscillationsretning. I vores tilfælde var bølgeudbredelsesmediet en fjeder.
Lad os nu strække fjederen, lad den falde til ro og trække frem og tilbage. Vi vil se, at fjederens spoler er komprimeret langs den. Bølgen løber i samme retning. Et sted er fjederen mere komprimeret, et andet sted er den mere strakt. En sådan bølge kaldes langsgående. Oscillationsretningen for dens partikler falder sammen med udbredelsesretningen.
Lad os forestille os et tæt medium, for eksempel en stiv krop. Hvis vi deformerer det ved forskydning, vil der opstå en bølge. Det vil fremstå på grund af de elastiske kræfter, der kun virker i faste stoffer. Disse kræfter spiller rollen som genopretning og genererer en elastisk bølge.
Du kan ikke deformere en væske ved forskydning. En tværgående bølge kan ikke forplante sig i gasser og væsker. En anden ting er langsgående: den spreder sig i alle miljøer, hvor elastiske kræfter virker. I en langsgående bølge nærmer partiklerne sig hinanden og bevæger sig derefter væk, og selve mediet komprimeres og forsløres.
Mange mennesker tror, at væskerukomprimerbar, men dette er ikke tilfældet. Hvis du trykker på stemplet på sprøjten med vand, vil den krympe lidt. I gasser er tryk-træk-deformation også mulig. Luften komprimeres ved at trykke på stemplet på en tom sprøjte.
Hastighed og bølgelængde
Lad os vende tilbage til animationen, som vi overvejede i begyndelsen af artiklen. Vi vælger et vilkårligt punkt på en af cirklerne, der afviger fra den betingede bold og følger den. Punktet bevæger sig væk fra midten. Den hastighed, hvormed den bevæger sig, er hastigheden af bølgetoppen. Vi kan konkludere: en af bølgens karakteristika er bølgens hastighed.
Animationen viser, at bølgetoppene er placeret i samme afstand. Dette er bølgelængden - en anden af dens egenskaber. Jo hyppigere bølgerne er, desto kortere er deres længde.
Hvorfor er ikke alle mekaniske bølger lyde
Tag en aluminiumslineal.
Det er hoppende, så det er godt for oplevelsen. Vi sætter linealen på kanten af bordet og presser den med hånden, så den stikker kraftigt ud. Vi trykker på dens kant og slipper den skarpt - den frie del begynder at vibrere, men der vil ikke være nogen lyd. Hvis du forlænger linealen bare en lille smule, vil vibrationen fra den korte kant skabe en lyd.
Hvad viser denne oplevelse? Det viser, at lyd kun opstår, når en krop bevæger sig hurtigt nok, når bølgehastigheden i mediet er høj. Lad os introducere endnu en karakteristik af bølgen - frekvensen. Denne værdi viser, hvor mange vibrationer i sekundet kroppen laver. Når vi skaber en bølge i luften, opstår der lyd under visse forhold – når det er nokhøj frekvens.
Det er vigtigt at forstå, at lyd ikke er en bølge, selvom den er relateret til mekaniske bølger. Lyd er den fornemmelse, der opstår, når lydbølger (akustiske) kommer ind i øret.
Lad os vende tilbage til linealen. Når den største del trækkes ud, svinger linealen og giver ingen lyd. Skaber dette en bølge? Selvfølgelig, men det er en mekanisk bølge, ikke en lydbølge. Nu kan vi definere en lydbølge. Dette er en mekanisk langsgående bølge, hvis frekvens er i området fra 20 Hz til 20 tusind Hz. Hvis frekvensen er mindre end 20 Hz eller mere end 20 kHz, så hører vi den ikke, selvom der vil forekomme vibrationer.
Lydkilde
Enhver oscillerende krop kan være en kilde til akustiske bølger, den behøver kun et elastisk medium, for eksempel luft. Ikke kun et fast legeme kan vibrere, men også en væske og en gas. Luft som en blanding af flere gasser kan ikke kun være et udbredelsesmedium - den er selv i stand til at generere en akustisk bølge. Det er hans vibrationer, der ligger til grund for lyden af blæseinstrumenter. Fløjten eller trompeten vibrerer ikke. Det er luften, der forsløres og komprimeres, giver en vis hastighed til bølgen, som et resultat af, at vi hører lyden.
Spredning af lyd i forskellige miljøer
Vi fandt ud af, at forskellige stoffer lyder: flydende, faste, gasformige. Det samme gælder evnen til at lede en akustisk bølge. Lyd forplanter sig i ethvert elastisk medium (flydende, fast, gasformigt), undtagen vakuum. I et tomt rum, f.eks. på månen, vil vi ikke høre lyden af et vibrerende legeme.
De fleste af de lyde, som mennesker opfatter, er luftbårne. Fisk, vandmænd hører en akustisk bølge, der divergerer gennem vandet. Vi vil, hvis vi dykker under vandet, også høre støjen fra en motorbåd, der passerer forbi. Desuden vil bølgelængden og bølgehastigheden være højere end i luft. Det betyder, at lyden fra motoren vil være den første, der høres af en person, der dykker under vandet. Fiskeren, som sidder i sin båd samme sted, vil høre støjen senere.
I faste stoffer bevæger lyd sig endnu bedre, og bølgehastigheden er højere. Hvis du lægger en hård genstand, især metal, til øret og banker på den, vil du høre meget godt. Et andet eksempel er din egen stemme. Når vi første gang hører vores tale, tidligere optaget på en stemmeoptager eller fra en video, virker stemmen fremmed. Hvorfor sker det? For i livet hører vi ikke så meget lydvibrationer fra vores mund som vibrationer af bølger, der passerer gennem kraniets knogler. Lyden, der reflekteres fra disse forhindringer, ændrer sig noget.
Lydhastighed
Hastigheden af en lydbølge, hvis vi betragter den samme lyd, vil være forskellig i forskellige miljøer. Jo tættere mediet er, jo hurtigere når lyden vores øre. Toget kan gå så langt fra os, at lyden af hjulene ikke kan høres endnu. Men hvis du lægger øret til skinnerne, kan vi tydeligt høre rumlen.
Dette tyder på, at lydbølger bevæger sig hurtigere i faste stoffer end i luft. Figuren viser lydens hastighed i forskellige miljøer.
Bølgeligning
Hastighed, frekvens og bølgelængde er forbundet. For kroppe, der vibrerer ved en høj frekvens, er bølgen kortere. Lavfrekvente lyde kan høres på større afstand, fordi de har en længere bølgelængde. Der er to bølgeligninger. De illustrerer den indbyrdes afhængighed af bølgekarakteristika fra hinanden. Når du kender to størrelser fra ligningerne, kan du beregne den tredje:
с=ν × λ, hvor c er hastigheden, ν er frekvensen, λ er bølgelængden.
Anden akustiske bølgeligning:
s=λ / T, hvor T er perioden, dvs. den tid, hvori kroppen laver en svingning.
