Wimbi la sauti: fomula, sifa. Vyanzo vya mawimbi ya sauti

2024 Mwandishi: Angel Austin | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 05:42

Wimbi la sauti ni mchakato wa mawimbi unaotokea kwenye vyombo vya habari vya gesi, kimiminiko na dhabiti, ambavyo, vinapofika kwenye viungo vya kusikia vya binadamu, navyo vinatambulika navyo. Mzunguko wa mawimbi haya iko katika safu kutoka kwa oscillations 20 hadi 20,000 kwa sekunde. Tunatoa fomula za wimbi la sauti na kuzingatia sifa zake kwa undani zaidi.

Kwa nini kuna wimbi la sauti?

Watu wengi wanashangaa mawimbi ya sauti ni nini. Hali ya sauti iko katika tukio la usumbufu katika kati ya elastic. Kwa mfano, wakati usumbufu wa shinikizo kwa namna ya ukandamizaji hutokea kwa kiasi fulani cha hewa, eneo hili huwa linaenea katika nafasi. Utaratibu huu husababisha ukandamizaji wa hewa katika maeneo yaliyo karibu na chanzo, ambayo pia huwa na kupanua. Mchakato huu hufunika nafasi zaidi na zaidi hadi kufikia kipokezi fulani, kwa mfano, sikio la mwanadamu.

Sifa za jumla za mawimbi ya sauti

Hebu tuzingatie wimbi la sauti ni nini na jinsi linavyotambuliwa na sikio la mwanadamu. Wimbi la sautini longitudinal, hiyo, inapoingia kwenye shell ya sikio, husababisha vibrations ya eardrum na mzunguko fulani na amplitude. Unaweza pia kuwakilisha mabadiliko haya kama mabadiliko ya mara kwa mara ya shinikizo katika sauti ndogo ya hewa iliyo karibu na membrane. Kwanza, huongeza jamaa na shinikizo la kawaida la anga, na kisha hupungua, kutii sheria za hisabati za mwendo wa harmonic. Ukubwa wa mabadiliko katika mgandamizo wa hewa, yaani, tofauti kati ya shinikizo la juu au la chini kabisa linaloundwa na wimbi la sauti, na shinikizo la anga ni sawia na amplitude ya wimbi la sauti yenyewe.

Majaribio mengi ya kimwili yameonyesha kuwa shinikizo la juu zaidi ambalo sikio la mwanadamu linaweza kuona bila kulidhuru ni 2800 µN/cm². Kwa kulinganisha, tuseme kwamba shinikizo la angahewa karibu na uso wa dunia ni milioni 10 µN/cm^{2. Kuzingatia uwiano wa shinikizo na amplitude ya oscillation, tunaweza kusema kwamba thamani ya mwisho haina maana hata kwa mawimbi yenye nguvu zaidi. Ikiwa tunazungumzia kuhusu urefu wa wimbi la sauti, basi kwa mzunguko wa vibrations 1000 kwa sekunde, itakuwa elfu ya sentimita.}

Sauti hafifu zaidi huunda mabadiliko ya shinikizo ya mpangilio wa 0.001µN/cm², amplitude inayolingana ya oscillation ya mawimbi kwa masafa ya 1000 Hz ni 10^{- 9}cm, ilhali kipenyo cha wastani cha molekuli za hewa ni 10^{-8 cm, yaani, sikio la binadamu ni kiungo nyeti sana.}

Dhana ya ukubwa wa mawimbi ya sauti

Na jiometriKutoka kwa mtazamo wa wimbi la sauti, ni vibration ya fomu fulani, kutoka kwa mtazamo wa kimwili, mali kuu ya mawimbi ya sauti ni uwezo wao wa kuhamisha nishati. Mfano muhimu zaidi wa uhamishaji wa nishati ya mawimbi ni jua, ambalo mawimbi yake ya sumaku-umeme yanayotolewa hutoa nishati kwa sayari yetu nzima.

Nguzo ya wimbi la sauti katika fizikia inafafanuliwa kama kiasi cha nishati inayobebwa na wimbi kupitia uso wa kitengo, ambacho ni sawa na uenezi wa wimbi, na kwa kila kitengo cha saa. Kwa kifupi, nguvu ya wimbi ni nguvu yake inayohamishwa kupitia eneo la kitengo.

Nguvu ya mawimbi ya sauti kwa kawaida hupimwa kwa desibeli, ambazo hutegemea mizani ya logarithmic, inayofaa kwa uchanganuzi wa vitendo wa matokeo.

Ukali wa sauti mbalimbali

Mizani ya desibeli ifuatayo inatoa wazo la maana ya mikazo tofauti ya sauti na mihemo inayosababisha:

kizingiti cha hisia zisizopendeza na zisizofurahi huanzia decibel 120 (dB);
nyundo inayotiririka hutoa kelele ya 95 dB;
treni ya mwendo wa kasi - 90 dB;
mtaa wa trafiki - 70 dB;
kiasi cha mazungumzo ya kawaida kati ya watu ni 65 dB;
Gari la kisasa linalotembea kwa kasi ya wastani hutoa kelele ya dB 50;
wastani wa sauti ya redio - 40 dB;
mazungumzo tulivu - 20 dB;
kelele za majani ya mti - 10 dB;
Kiwango cha chini cha usikivu wa sauti ya binadamu kinakaribia dB 0.

Unyeti wa sikio la mwanadamu hutegemeamzunguko wa sauti na ni thamani ya juu kwa mawimbi ya sauti yenye mzunguko wa 2000-3000 Hz. Kwa sauti katika masafa haya ya masafa, kiwango cha chini cha usikivu wa binadamu ni 10-5 dB. Marudio ya juu na ya chini kuliko muda uliobainishwa husababisha kuongezeka kwa kizingiti cha chini cha unyeti kwa njia ambayo mtu husikia masafa karibu na 20 Hz na 20,000 Hz tu kwa nguvu yao ya makumi kadhaa ya dB.

Kama kizingiti cha juu cha nguvu, baada ya hapo sauti huanza kusababisha usumbufu kwa mtu na hata maumivu, inapaswa kuwa alisema kuwa kwa kweli haitegemei frequency na iko katika anuwai ya 110-130 dB..

Sifa za kijiometri za wimbi la sauti

Wimbi la sauti halisi ni furushi changamano la oscillatory la mawimbi ya longitudinal, ambayo inaweza kugawanywa katika mitetemo rahisi ya usawa. Kila msisimko kama huo unaelezewa kutoka kwa mtazamo wa kijiometri na sifa zifuatazo:

Amplitude - mkengeuko wa juu zaidi wa kila sehemu ya wimbi kutoka kwa usawa. Kwa thamani hii, jina A.
Kipindi. Huu ndio wakati inachukua kwa wimbi rahisi kukamilisha oscillation yake kamili. Baada ya wakati huu, kila hatua ya wimbi huanza kurudia mchakato wake wa oscillatory. Kipindi kwa kawaida huonyeshwa kwa herufi T na kupimwa kwa sekunde katika mfumo wa SI.
Marudio. Hii ni kiasi cha kimwili kinachoonyesha jinsi wimbi fulani hufanya kwa sekunde. Hiyo ni, kwa maana yake, ni thamani kinyume na kipindi. Inaonyeshwa na herufi ya Kilatini f. Kwa marudio ya wimbi la sauti, fomula ya kuibainisha kupitia kipindi ni kama ifuatavyo: f=1/T.
Urefu wa wimbi ni umbali unaosafiri katika kipindi kimoja cha kuzunguka. Kijiometri, urefu wa mawimbi ni umbali kati ya maxima mbili zilizo karibu au minima mbili zilizo karibu zaidi kwenye curve ya sinusoidal. Urefu wa oscillation wa wimbi la sauti ni umbali kati ya maeneo ya karibu ya mgandamizo wa hewa au maeneo ya karibu ya urejeshaji wake katika nafasi ambapo wimbi linasonga. Kwa kawaida huashiriwa na herufi ya Kigiriki λ.
Kasi ya uenezi wa mawimbi ya sauti ni umbali ambao eneo la mgandamizo au eneo la mwonekano nadra wa wimbi huenea kwa kila kitengo cha muda. Thamani hii inaonyeshwa na herufi v. Kwa kasi ya wimbi la sauti, fomula ni: v=λf.

Jiometri ya wimbi la sauti safi, yaani, wimbi la usafi wa mara kwa mara, hutii sheria ya sinusoidal. Katika hali ya jumla, fomula ya wimbi la sauti ni: y=Asin(ωt), ambapo y ni thamani ya uratibu wa hatua fulani ya wimbi, t ni wakati, ω=2pif ni. mzunguko wa mzunguko wa oscillation.

Sauti ya mara kwa mara

Wimbi la sauti la mara kwa mara na kelele

Vyanzo vingi vya sauti vinaweza kuchukuliwa kuwa vya mara kwa mara, kwa mfano, sauti kutoka kwa ala za muziki kama vile gitaa, piano, filimbi, lakini pia kuna idadi kubwa ya sauti asilia ambazo ni za aperiodic, yaani, mitetemo ya sauti hubadilika. frequency na sura yao katika nafasi. Kitaalam, aina hii ya sauti inaitwa kelele. mkalimifano ya sauti za aperiodic ni kelele za mijini, sauti ya baharini, sauti kutoka kwa ala za midundo, kama vile ngoma, na vingine.

Njia ya uenezi wa sauti

Tofauti na mionzi ya sumakuumeme, ambayo fotoni zake hazihitaji chombo chochote cha nyenzo kwa uenezi wao, asili ya sauti ni kwamba chombo fulani cha habari kinahitajika kwa uenezi wake, yaani, kulingana na sheria za fizikia, mawimbi ya sauti hayawezi. eneza bila utupu.

Sauti inaweza kusafiri kupitia gesi, vimiminiko na vitu vikali. Sifa kuu za wimbi la sauti linaloenea kwa njia ni kama ifuatavyo:

wimbi hueneza kwa mstari;
inaenea kwa usawa katika pande zote katika hali ya usawa, yaani, sauti hutofautiana kutoka kwa chanzo, na kutengeneza uso kamili wa duara.
bila kujali ukubwa na marudio ya sauti, mawimbi yake yanaenea kwa kasi ile ile katika hali fulani.

Kasi ya mawimbi ya sauti katika vyombo mbalimbali vya habari

Kasi ya uenezi wa sauti inategemea mambo mawili kuu: kati ambayo wimbi husogea na halijoto. Kwa ujumla, sheria ifuatayo inatumika: mnene zaidi kati, na joto lake la juu, ndivyo sauti inavyosonga ndani yake.

Kwa mfano, kasi ya uenezi ya wimbi la sauti katika hewa karibu na uso wa dunia kwa joto la 20 ℃ na unyevu wa 50% ni 1235 km/h au 343 m/s. Katika maji kwa joto fulani, sauti husafiri mara 4.5 kwa kasi, basikuna takriban 5735 km/h au 1600 m/s. Kuhusu utegemezi wa kasi ya sauti kwenye joto la hewa, huongezeka kwa 0.6 m / s na ongezeko la joto kwa kila digrii Celsius.

Timbre na toni

Ikiwa uzi au sahani ya chuma itaruhusiwa kutetema kwa uhuru, itatoa sauti za masafa tofauti. Ni nadra sana kupata mwili ambao utatoa sauti ya masafa mahususi, kwa kawaida sauti ya kitu huwa na seti ya masafa katika kipindi fulani.

Mwindo wa sauti hubainishwa na idadi ya maumbo yaliyomo ndani yake na nguvu zao husika. Timbre ni thamani ya kibinafsi, yaani, ni mtazamo wa kitu cha sauti na mtu maalum. Timbre kawaida huainishwa kwa vivumishi vifuatavyo: juu, angavu, sauti, sauti, na kadhalika.

Toni ni msikio wa sauti unaoiruhusu kuainishwa kuwa ya juu au ya chini. Thamani hii pia ni ya kibinafsi na haiwezi kupimwa na chombo chochote. Toni inahusishwa na wingi wa lengo - mzunguko wa wimbi la sauti, lakini hakuna uhusiano usio na utata kati yao. Kwa mfano, kwa sauti ya mzunguko mmoja wa kiwango cha mara kwa mara, tone huongezeka kama mzunguko unavyoongezeka. Ikiwa frequency ya sauti itabaki thabiti, lakini nguvu yake huongezeka, basi sauti inakuwa ya chini.

Muundo wa vyanzo vya sauti

Kulingana na umbo la mwili ambalo hutetemeka kimakanika na hivyo kutoa sauti, kuna aina tatu kuu za vyanzo vya mawimbi ya sauti:

Chanzo cha uhakika. Hutoa mawimbi ya sauti ambayo yana umbo la duara na kuoza kwa haraka kwa umbali kutoka kwa chanzo (takriban 6dB ikiwa umbali kutoka kwa chanzo umeongezeka maradufu).
Chanzo cha mstari. Hutengeneza mawimbi ya silinda ambayo nguvu zake hupungua polepole zaidi kuliko kutoka kwa chanzo cha uhakika (kwa kila kurudiwa mara mbili kwa umbali kutoka kwa chanzo, nguvu hupungua kwa 3 dB).
Chanzo bapa au chenye pande mbili. Inazalisha mawimbi tu katika mwelekeo fulani. Mfano wa chanzo kama hicho ni bastola inayosogezwa kwenye silinda.

Vyanzo vya sauti vya kielektroniki

Ili kuunda wimbi la sauti, vyanzo vya kielektroniki hutumia utando maalum (spika), ambao hufanya mitetemo ya kimakenika kutokana na tukio la kuingizwa kwa sumakuumeme. Vyanzo hivi ni pamoja na vifuatavyo: