'n Klankgolf is 'n golfproses wat in gasvormige, vloeibare en vaste media plaasvind, wat, wanneer dit die menslike gehoororgane bereik, deur hulle as klank waargeneem word. Die frekwensie van hierdie golwe lê in die reeks van 20 tot 20 000 ossillasies per sekonde. Ons gee formules vir 'n klankgolf en oorweeg die eienskappe daarvan in meer besonderhede.
Hoekom is daar 'n klankgolf?
Baie mense wonder wat 'n klankgolf is. Die aard van klank lê in die voorkoms van versteuring in 'n elastiese medium. Byvoorbeeld, wanneer 'n drukversteuring in die vorm van kompressie in 'n sekere volume lug voorkom, is hierdie area geneig om in die ruimte te versprei. Hierdie proses lei tot samedrukking van lug in gebiede aangrensend aan die bron, wat ook geneig is om uit te brei. Hierdie proses dek meer en meer van die spasie totdat dit een of ander ontvanger bereik, byvoorbeeld die menslike oor.
Algemene kenmerke van klankgolwe
Kom ons kyk na wat 'n klankgolf is en hoe dit deur die menslike oor waargeneem word. Klankgolflongitudinaal is, veroorsaak dit, wanneer dit die oorskulp binnedring, vibrasies van die trommelvlies met 'n sekere frekwensie en amplitude. Jy kan ook hierdie fluktuasies voorstel as periodieke veranderinge in druk in die mikrovolume lug langs die membraan. Eerstens neem dit toe relatief tot normale atmosferiese druk, en neem dan af, in gehoorsaamheid aan die wiskundige wette van harmoniese beweging. Die amplitude van veranderinge in lugkompressie, dit wil sê die verskil tussen die maksimum of minimum druk wat deur 'n klankgolf geskep word, met atmosferiese druk is eweredig aan die amplitude van die klankgolf self.
Baie fisiese eksperimente het getoon dat die maksimum druk wat die menslike oor kan waarneem sonder om dit te benadeel, 2800 µN/cm2 is. Ter vergelyking, kom ons sê dat die atmosferiese druk naby die aarde se oppervlak 10 miljoen µN/cm2 is. Met inagneming van die proporsionaliteit van druk en ossillasie-amplitude, kan ons sê dat laasgenoemde waarde onbeduidend is selfs vir die sterkste golwe. As ons praat oor die lengte van 'n klankgolf, dan sal dit vir 'n frekwensie van 1000 vibrasies per sekonde 'n duisendste van 'n sentimeter wees.
Die swakste klanke skep drukfluktuasies van die orde van 0.001µN/cm2, die ooreenstemmende golfossillasie-amplitude vir 'n frekwensie van 1000 Hz is 10- 9cm, terwyl die gemiddelde deursnee van lugmolekules 10-8 cm is, dit wil sê, die menslike oor is 'n uiters sensitiewe orgaan.
Die konsep van die intensiteit van klankgolwe
Met meetkundigeUit die oogpunt van 'n klankgolf is dit 'n vibrasie van 'n sekere vorm, vanuit die fisiese oogpunt is die hoofeienskap van klankgolwe hul vermoë om energie oor te dra. Die belangrikste voorbeeld van golfenergie-oordrag is die son, wie se uitgestraalde elektromagnetiese golwe energie aan ons hele planeet verskaf.
Die intensiteit van 'n klankgolf in fisika word gedefinieer as die hoeveelheid energie wat deur 'n golf deur 'n eenheidsoppervlak gedra word, wat loodreg is op die voortplanting van die golf, en per tydseenheid. Kortom, die intensiteit van 'n golf is sy krag wat deur 'n eenheidsarea oorgedra word.
Die sterkte van klankgolwe word gewoonlik in desibel gemeet, wat gebaseer is op 'n logaritmiese skaal, gerieflik vir praktiese ontleding van die resultate.
Intensiteit van verskeie klanke
Die volgende desibelskaal gee 'n idee van die betekenis van verskillende klankintensiteite en die sensasies wat dit veroorsaak:
- drempel vir onaangename en ongemaklike sensasies begin by 120 desibel (dB);
- klinkende hamer genereer 95 dB geraas;
- hoëspoedtrein - 90 dB;
- verkeersstraat - 70 dB;
- die volume van 'n normale gesprek tussen mense is 65 dB;
- Moderne motor wat teen matige spoed beweeg genereer 50 dB geraas;
- gemiddelde radiovolume - 40 dB;
- stil gesprek - 20 dB;
- geraas van boomblare - 10 dB;
- Die minimum menslike klanksensitiwiteitsdrempel is naby 0 dB.
Die sensitiwiteit van die menslike oor hang af vanfrekwensie van klank en is die maksimum waarde vir klankgolwe met 'n frekwensie van 2000-3000 Hz. Vir 'n klank in hierdie frekwensiereeks is die onderste drempel van menslike sensitiwiteit 10-5 dB. Hoër en laer frekwensies as die gespesifiseerde interval lei tot 'n verhoging in die laer sensitiwiteitsdrempel op so 'n manier dat 'n persoon frekwensies naby aan 20 Hz en 20 000 Hz net by hul intensiteit van etlike tientalle dB hoor.
Wat die boonste intensiteitsdrempel betref, waarna die klank ongerief vir 'n persoon en selfs pyn begin veroorsaak, moet gesê word dat dit feitlik nie van frekwensie afhang nie en in die reeks van 110-130 dB lê.
Meetkundige kenmerke van 'n klankgolf
'n Regte klankgolf is 'n komplekse ossillerende pakket van longitudinale golwe, wat in eenvoudige harmoniese vibrasies ontbind kan word. Elke so 'n ossillasie word vanuit 'n meetkundige oogpunt beskryf deur die volgende kenmerke:
- Amplitude - die maksimum afwyking van elke deel van die golf vanaf ewewig. Vir hierdie waarde, die benaming A.
- Periode. Dit is die tyd wat dit neem vir 'n eenvoudige golf om sy volledige ossillasie te voltooi. Na hierdie tyd begin elke punt van die golf sy ossillasieproses herhaal. Die tydperk word gewoonlik met die letter T aangedui en in sekondes in die SI-stelsel gemeet.
- Frekwensie. Dit is 'n fisiese hoeveelheid wat wys hoeveel ossillasies 'n gegewe golf per sekonde maak. Dit wil sê, in sy betekenis is dit 'n waarde omgekeerd van die tydperk. Dit word aangedui met die Latynse letter f. Vir die frekwensie van 'n klankgolf is die formule vir die bepaling daarvan deur 'n periode soos volg: f=1/T.
- Die lengte van 'n golf is die afstand wat dit in een periode van ossillasie aflê. Geometries is golflengte die afstand tussen twee naaste maksima of twee naaste minima op 'n sinusvormige kromme. Die ossillasielengte van 'n klankgolf is die afstand tussen die naaste gebiede van lugkompressie of die naaste plekke van sy rafaksie in die ruimte waar die golf beweeg. Dit word gewoonlik met die Griekse letter λ aangedui.
- Die spoed van klankgolfvoortplanting is die afstand waaroor die area van kompressie of die area van skaarsrefaksie van die golf per tydseenheid voortplant. Hierdie waarde word aangedui deur die letter v. Vir die spoed van 'n klankgolf is die formule: v=λf.
Die meetkunde van 'n suiwer klankgolf, dit wil sê, 'n golf van konstante suiwerheid, gehoorsaam 'n sinusvormige wet. In die algemene geval is die formule van 'n klankgolf: y=Asin(ωt), waar y die waarde van die koördinaat van 'n gegewe punt van die golf is, t tyd is, ω=2pif is die sikliese ossillasiefrekwensie.
Aperiodiese klank
Baie klankbronne kan as periodiek beskou word, byvoorbeeld die klank van musiekinstrumente soos kitaar, klavier, fluit, maar daar is ook 'n groot aantal klanke in die natuur wat aperiodies is, dit wil sê klankvibrasies verander hul frekwensie en vorm in die ruimte. Tegnies word hierdie soort klank geraas genoem. heldervoorbeelde van aperiodieke klank is stedelike geraas, die geluid van die see, klanke van perkussie-instrumente, soos 'n drom, en ander.
Klankvoortplantingsmedium
Anders as elektromagnetiese straling, wie se fotone geen materiële medium nodig het vir hul voortplanting nie, is die aard van klank sodanig dat 'n sekere medium nodig is vir die voortplanting daarvan, dit wil sê, volgens die wette van fisika kan klankgolwe nie versprei in vakuum.
Klank kan deur gasse, vloeistowwe en vaste stowwe beweeg. Die hoofkenmerke van 'n klankgolf wat in 'n medium voortplant, is soos volg:
- golf propageer lineêr;
- dit versprei eweredig in alle rigtings in 'n homogene medium, dit wil sê, klank divergeer van die bron en vorm 'n perfekte sferiese oppervlak.
- ongeag die amplitude en frekwensie van klank, sy golwe versprei teen dieselfde spoed in 'n gegewe medium.
Die spoed van klankgolwe in verskeie media
Die spoed van klankvoortplanting hang af van twee hooffaktore: die medium waarin die golf beweeg en die temperatuur. Oor die algemeen geld die volgende reël: hoe digter die medium, en hoe hoër sy temperatuur, hoe vinniger beweeg die klank daarin.
Byvoorbeeld, die voortplantingspoed van 'n klankgolf in die lug naby die aarde se oppervlak by 'n temperatuur van 20 ℃ en 'n humiditeit van 50% is 1235 km/h of 343 m/s. In water by 'n gegewe temperatuur beweeg klank dan 4,5 keer vinnigerdaar is ongeveer 5735 km/h of 1600 m/s. Wat die afhanklikheid van die spoed van klank van die temperatuur in die lug betref, dit neem toe met 0,6 m/s met 'n toename in temperatuur vir elke graad Celsius.
Timbre en toon
As 'n tou of metaalplaat toegelaat word om vrylik te vibreer, sal dit klanke van verskillende frekwensies voortbring. Dit is baie skaars om 'n liggaam te vind wat 'n klank van een spesifieke frekwensie sal uitstraal, gewoonlik het die klank van 'n voorwerp 'n stel frekwensies in 'n sekere interval.
Die timbre van 'n klank word bepaal deur die aantal harmonieke wat daarin teenwoordig is en hul onderskeie intensiteite. Timbre is 'n subjektiewe waarde, dit wil sê dit is die persepsie van 'n klinkende voorwerp deur 'n spesifieke persoon. Timbre word gewoonlik gekenmerk deur die volgende byvoeglike naamwoorde: hoog, briljant, sonore, melodies, ensovoorts.
Tone is 'n klanksensasie wat dit moontlik maak om as hoog of laag geklassifiseer te word. Hierdie waarde is ook subjektief en kan nie deur enige instrument gemeet word nie. Toon word geassosieer met 'n objektiewe hoeveelheid - die frekwensie van 'n klankgolf, maar daar is geen ondubbelsinnige verband tussen hulle nie. Byvoorbeeld, vir 'n enkelfrekwensieklank van konstante intensiteit, styg die toon soos die frekwensie toeneem. As die frekwensie van die klank konstant bly, maar die intensiteit daarvan neem toe, dan word die toon laer.
Vorm van klankbronne
Volgens die vorm van die liggaam wat meganies vibreer en daardeur klank genereer, is daar drie hooftipes bronne van klankgolwe:
- Puntbron. Dit produseer klankgolwe wat sferies van vorm is en vinnig verval met afstand vanaf die bron (ongeveer 6dB as die afstand vanaf die bron verdubbel word).
- Lynbron. Dit skep silindriese golwe waarvan die intensiteit stadiger afneem as vanaf 'n puntbron (vir elke verdubbeling van die afstand vanaf die bron, verminder die intensiteit met 3 dB).
- 'n Plat of tweedimensionele bron. Dit genereer golwe slegs in 'n sekere rigting. 'n Voorbeeld van so 'n bron sal 'n suier wees wat in 'n silinder beweeg.
Elektroniese klankbronne
Om 'n klankgolf te skep, gebruik elektroniese bronne 'n spesiale membraan (luidspreker), wat meganiese vibrasies uitvoer as gevolg van die verskynsel van elektromagnetiese induksie. Hierdie bronne sluit die volgende in:
- spelers vir verskeie skywe (CD, DVD en ander);
- kassetopnemers;
- radio's;
- TV's en 'n paar ander.
