Lydbølge: formel, egenskaber. Kilder til lydbølger

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

En lydbølge er en bølgeproces, der forekommer i gasformige, flydende og faste medier, som, når den når de menneskelige høreorganer, opfattes af dem som lyd. Frekvensen af disse bølger ligger i området fra 20 til 20.000 svingninger i sekundet. Vi giver formler for en lydbølge og overvejer dens egenskaber mere detaljeret.

Hvorfor er der en lydbølge?

Mange mennesker undrer sig over, hvad en lydbølge er. Lydens natur ligger i forekomsten af forstyrrelse i et elastisk medium. For eksempel, når der opstår en trykforstyrrelse i form af kompression i et bestemt luftvolumen, har dette område en tendens til at sprede sig i rummet. Denne proces fører til komprimering af luft i områder, der støder op til kilden, som også har tendens til at udvide sig. Denne proces dækker mere og mere af rummet, indtil den når en modtager, f.eks. det menneskelige øre.

Generelle karakteristika for lydbølger

Lad os overveje, hvad en lydbølge er, og hvordan den opfattes af det menneskelige øre. Lydbølgeer langsgående, forårsager den, når den kommer ind i øreskallen, vibrationer i trommehinden med en bestemt frekvens og amplitude. Du kan også repræsentere disse fluktuationer som periodiske ændringer i tryk i mikrovolumenet af luft, der støder op til membranen. Først stiger det i forhold til norm alt atmosfærisk tryk og falder derefter, idet det overholder de matematiske love for harmonisk bevægelse. Amplituden af ændringer i luftkompression, det vil sige forskellen mellem det maksimale eller minimale tryk skabt af en lydbølge, med atmosfærisk tryk, er proportional med amplituden af selve lydbølgen.

Mange fysiske eksperimenter har vist, at det maksimale tryk, som det menneskelige øre kan opfatte uden at skade det, er 2800 µN/cm². Lad os til sammenligning sige, at det atmosfæriske tryk nær jordens overflade er 10 millioner µN/cm^{2. I betragtning af proportionaliteten af tryk og oscillationsamplitude kan vi sige, at sidstnævnte værdi er ubetydelig selv for de stærkeste bølger. Hvis vi taler om længden af en lydbølge, så vil den for en frekvens på 1000 vibrationer pr. sekund være en tusindedel af en centimeter.}

De svageste lyde skaber tryksvingninger i størrelsesordenen 0,001µN/cm², den tilsvarende bølgeoscillationsamplitude for en frekvens på 1000 Hz er 10^{- 9}cm, mens den gennemsnitlige diameter af luftmolekyler er 10^{-8 cm, det vil sige, at det menneskelige øre er et ekstremt følsomt organ.}

Begrebet lydbølgers intensitet

Med geometriskFra en lydbølges synspunkt er det en vibration af en bestemt form, fra det fysiske synspunkt er lydbølgernes hovedegenskab deres evne til at overføre energi. Det vigtigste eksempel på bølgeenergioverførsel er solen, hvis udstrålede elektromagnetiske bølger giver energi til hele vores planet.

Intensiteten af en lydbølge i fysik er defineret som mængden af energi, som en bølge bærer gennem en enhedsoverflade, som er vinkelret på bølgens udbredelse og pr. tidsenhed. Kort sagt, intensiteten af en bølge er dens kraft, der overføres gennem en enhedsareal.

Lydbølgernes styrke måles norm alt i decibel, som er baseret på en logaritmisk skala, hvilket er praktisk til praktisk analyse af resultaterne.

Intensitet af forskellige lyde

Den følgende decibelskala giver en idé om betydningen af forskellige lydintensiteter og de fornemmelser, den forårsager:

tærskel for ubehagelige og ubehagelige fornemmelser starter ved 120 decibel (dB);
nitterende hammer genererer 95 dB støj;
højhastighedstog - 90 dB;
trafikgade - 70 dB;
lydstyrken af en normal samtale mellem mennesker er 65 dB;
Moderne bil, der bevæger sig ved moderate hastigheder, genererer 50 dB støj;
gennemsnitlig radiolydstyrke - 40 dB;
stille samtale - 20 dB;
støj fra træløv - 10 dB;
Den minimumsgrænse for menneskelig lydfølsomhed er tæt på 0 dB.

Det menneskelige øres følsomhed afhænger affrekvens af lyd og er den maksimale værdi for lydbølger med en frekvens på 2000-3000 Hz. For en lyd i dette frekvensområde er den nedre tærskel for menneskelig følsomhed 10-5 dB. Højere og lavere frekvenser end det angivne interval fører til en stigning i den nedre følsomhedstærskel på en sådan måde, at en person kun hører frekvenser tæt på 20 Hz og 20.000 Hz ved deres intensitet på flere tiere af dB.

Med hensyn til den øvre intensitetstærskel, hvorefter lyden begynder at forårsage besvær for en person og endda smerte, skal det siges, at det praktisk t alt ikke afhænger af frekvensen og ligger i området 110-130 dB.

Geometriske karakteristika for en lydbølge

En rigtig lydbølge er en kompleks oscillerende pakke af langsgående bølger, som kan dekomponeres til simple harmoniske vibrationer. Hver sådan svingning er beskrevet fra et geometrisk synspunkt ved hjælp af følgende karakteristika:

Amplitude - den maksimale afvigelse af hver sektion af bølgen fra ligevægt. For denne værdi er betegnelsen A.
Periode. Dette er den tid, det tager for en simpel bølge at fuldføre sin fuldstændige svingning. Efter dette tidspunkt begynder hvert punkt i bølgen at gentage sin oscillerende proces. Perioden er norm alt angivet med bogstavet T og målt i sekunder i SI-systemet.
Frekvens. Dette er en fysisk størrelse, der viser, hvor mange svingninger en given bølge laver i sekundet. Det vil sige, at det i sin betydning er en værdi omvendt til perioden. Det er betegnet med det latinske bogstav f. For frekvensen af en lydbølge er formlen for at bestemme den gennem en periode som følger: f=1/T.
Længden af en bølge er den afstand, den tilbagelægger i en periode med svingninger. Geometrisk er bølgelængden afstanden mellem to nærmeste maksima eller to nærmeste minima på en sinusformet kurve. Oscillationslængden af en lydbølge er afstanden mellem de nærmeste områder med luftkompression eller de nærmeste steder for dens sjældenhed i det rum, hvor bølgen bevæger sig. Det er norm alt angivet med det græske bogstav λ.
Hastigheden af lydbølgeudbredelse er den afstand, over hvilken kompressionsområdet eller bølgens sjældne udbredelse udbreder sig pr. tidsenhed. Denne værdi er angivet med bogstavet v. For hastigheden af en lydbølge er formlen: v=λf.

Geometrien af en ren lydbølge, det vil sige en bølge af konstant renhed, adlyder en sinusformet lov. I det generelle tilfælde er formlen for en lydbølge: y=Asin(ωt), hvor y er værdien af koordinaten for et givet punkt på bølgen, t er tid, ω=2pif er den cykliske oscillationsfrekvens.

Aperiodisk lyd

Mange lydkilder kan betragtes som periodiske, for eksempel lyden fra musikinstrumenter som guitar, klaver, fløjte, men der er også en lang række lyde i naturen, som er aperiodiske, det vil sige, at lydvibrationer ændrer sig deres frekvens og form i rummet. Teknisk set kaldes denne form for lyd støj. lyseeksempler på aperiodisk lyd er bystøj, lyden fra havet, lyde fra percussionsinstrumenter, såsom en tromme, og andre.

Lydformidlingsmedium

I modsætning til elektromagnetisk stråling, hvis fotoner ikke har brug for noget materielt medium til deres udbredelse, er lydens natur sådan, at der er brug for et bestemt medium til dens udbredelse, det vil sige, ifølge fysikkens love kan lydbølger ikke forplante sig i vakuum.

Lyd kan bevæge sig gennem gasser, væsker og faste stoffer. De vigtigste egenskaber ved en lydbølge, der forplanter sig i et medie, er som følger:

bølge forplanter sig lineært;
det spredes ligeligt i alle retninger i et homogent medium, dvs. lyd divergerer fra kilden og danner en perfekt sfærisk overflade.
uanset lydens amplitude og frekvens forplanter dens bølger sig med samme hastighed i et givet medie.

Hastigheden af lydbølger i forskellige medier

Hastigheden af lydudbredelsen afhænger af to hovedfaktorer: mediet, hvori bølgen bevæger sig, og temperaturen. Generelt gælder følgende regel: Jo tættere mediet er, og jo højere dets temperatur, jo hurtigere bevæger lyden sig i det.

For eksempel er udbredelseshastigheden af en lydbølge i luften nær jordens overflade ved en temperatur på 20 ℃ og en luftfugtighed på 50 % 1235 km/t eller 343 m/s. I vand ved en given temperatur bevæger lyden sig 4,5 gange hurtigereder er omkring 5735 km/t eller 1600 m/s. Hvad angår lydhastighedens afhængighed af temperaturen i luften, stiger den med 0,6 m/s med en stigning i temperaturen for hver grad Celsius.

Timbre og tone

Hvis en streng eller metalplade får lov til at vibrere frit, vil den producere lyde med forskellige frekvenser. Det er meget sjældent at finde et legeme, der ville udsende en lyd af en bestemt frekvens, norm alt har lyden af et objekt et sæt frekvenser i et bestemt interval.

Klangen af en lyd bestemmes af antallet af harmoniske der er til stede i den og deres respektive intensiteter. Timbre er en subjektiv værdi, det vil sige, det er opfattelsen af et lydende objekt af en bestemt person. Timbre er norm alt karakteriseret ved følgende adjektiver: høj, strålende, klangfuld, melodisk og så videre.

Tone er en lydfornemmelse, der gør det muligt at klassificere den som høj eller lav. Denne værdi er også subjektiv og kan ikke måles med noget instrument. Tone er forbundet med en objektiv størrelse - frekvensen af en lydbølge, men der er ingen entydig sammenhæng mellem dem. For eksempel, for en enkelt-frekvens lyd med konstant intensitet, stiger tonen, når frekvensen stiger. Hvis lydens frekvens forbliver konstant, men dens intensitet stiger, bliver tonen lavere.

Shape of sound sources

I henhold til kroppens form, der vibrerer mekanisk og derved genererer lyd, er der tre hovedtyper af lydbølgekilder:

Punktkilde. Den producerer lydbølger, der er sfæriske i form og henfalder hurtigt med afstand fra kilden (ca. 6dB, hvis afstanden fra kilden fordobles).
Linjekilde. Den skaber cylindriske bølger, hvis intensitet falder langsommere end fra en punktkilde (for hver fordobling af afstanden fra kilden falder intensiteten med 3 dB).
En flad eller todimensionel kilde. Det genererer kun bølger i en bestemt retning. Et eksempel på en sådan kilde ville være et stempel, der bevæger sig i en cylinder.

Elektroniske lydkilder

For at skabe en lydbølge bruger elektroniske kilder en speciel membran (højttaler), som udfører mekaniske vibrationer på grund af fænomenet elektromagnetisk induktion. Disse kilder omfatter følgende: