Kooli entsüklopeedia. Helilainete levimise seadused

Heli all mõistetakse elastseid laineid, mis asuvad inimkõrva kuuldavuse vahemikus, võnkevahemikus 16. Hz kuni 20 kHz. Võnkumised sagedusega alla 16 Hz nimetatakse infraheliks, üle 20 kHz-ultraheli.

Õhuga võrreldes on vesi tihedam ja vähem kokkusurutav. Sellega seoses on heli kiirus vees neli ja pool korda suurem kui õhus ja on 1440 m/sek. Heli vibratsiooni sagedus (alasti) on seotud lainepikkusega (lambda) seosega: c= lambda-nu. Heli levib vees ilma hajumiseta. Heli kiirus vees varieerub sõltuvalt kahest parameetrist: tihedus ja temperatuur. Temperatuurimuutus 1° võrra toob kaasa vastava helikiiruse muutuse 3,58 võrra m sekundis. Kui jälgida heli levimise kiirust pinnalt põhjani, selgub, et kõigepealt langeb see temperatuuri languse tõttu kiiresti, saavutades teatud sügavusel miinimumi ja seejärel hakkab sügavusega kiiresti suurenema. veesurve suurenemise tõttu, mis, nagu teada, suureneb ligikaudu 1 võrra atm iga 10 kohta m sügavused.

Alates umbes 1200 sügavusest m, kus vee temperatuur püsib praktiliselt muutumatuna, muutub heli kiirus rõhumuutuste mõjul. "Umbes 1200 sügavusel m (Atlandi ookeani puhul) on helikiiruse minimaalne väärtus; Suuremal sügavusel suureneb rõhu suurenemise tõttu heli kiirus taas. Kuna helikiired painduvad alati keskkonna piirkondade poole, kus nende kiirus on madalaim, on nad koondunud minimaalse helikiirusega kihti” (Krasilnikov, 1954). See kiht, mille avastasid Nõukogude füüsikud L.D. Rosenberg ja L.M. Brekhovskikhi nimetatakse "veealuseks helikanaliks". Helikanalisse sisenev heli võib sumbumiseta levida pikki vahemaid. Seda omadust tuleb süvamere kalade akustilise signaalimise kaalumisel silmas pidada.

Heli neeldumine vees on 1000 korda väiksem kui õhus. Õhus olev heliallikas võimsusega 100 kW vees on kuulda kuni 15 kaugusel km; vees on heliallikaks 1 kW on kuulda 30-40 kaugusel km. Erineva sagedusega helid neelduvad erinevalt: kõrge sagedusega helid neelduvad kõige tugevamalt ja madala sagedusega helid kõige kiiremini. Madal heli neeldumine vees võimaldas seda kasutada sonari ja signaalimise jaoks. Veeruumid on täidetud suure hulga erinevate helidega. Maailma ookeani veehoidlate helid, nagu näitab Ameerika hüdroakustiline Wenz (Wenz, 1962), tekivad seoses järgmiste teguritega: mõõnad ja hoovused, hoovused, tuul, maavärinad ja tsunamid, tööstuslik inimtegevus ja bioloogiline elu. Erinevate tegurite tekitatud müra iseloom erineb nii helisageduste komplekti kui ka nende intensiivsuse poolest. Joonisel fig. Joonisel 2 on kujutatud Maailmamere helide spektri ja rõhutaseme sõltuvust neid põhjustavatest teguritest.

Maailma ookeani eri osades määravad müra koostise erinevad komponendid. Suur mõju Samas mõjutavad helide koostist põhi ja kaldad.

Seega on müra koostis ja intensiivsus maailma ookeani eri osades äärmiselt mitmekesine. On olemas empiirilised valemid, mis näitavad meremüra intensiivsuse sõltuvust seda põhjustavate tegurite intensiivsusest. Siiski sisse praktilistel eesmärkidel Ookeani müra mõõdetakse tavaliselt empiiriliselt.

Tuleb märkida, et maailmamere helidest on kõige intensiivsemad inimese tekitatud tööstuslikud helid: laevade, traalide jne müra. Shane'i (1964) järgi on nende intensiivsus 10-100 korda suurem kui teistel. maailma ookeani helid. Kuid nagu näha jooniselt fig. 2 on nende spektraalne koostis mõnevõrra erinev muudest teguritest põhjustatud helide spektraalsest koostisest.

Vees levides võivad helilained peegelduda, murduda, neelduda, kogeda difraktsiooni ja interferentsi.

Oma teel takistusega kohtudes võivad helilained sellelt peegelduda, kui nende lainepikkus on selline (lambda) väiksemad kui takistuse suurus või minna sellest ümber (difraktsioon) juhul, kui nende lainepikkus on takistusest suurem. Sel juhul on võimalik kuulda, mis toimub takistuse taga, ilma allikat otse nägemata. Takistusele kukkudes võivad helilained ühel juhul peegelduda, teisel juhul - sellesse tungida (sellesse neelduda). Peegeldunud laine energia hulk sõltub sellest, kui palju erinevad üksteisest nn akustilised takistused kandjatel “р1с1” ja “р2с2”, mille piirpinnale helilained langevad. Keskkonna akustiline takistus tähendab antud keskkonna tiheduse p ja heli levimise kiiruse korrutist Koos selles. Kuidas rohkem erinevust kandja akustiline takistus, enamik energia peegeldub kahe meediumi liidesest ja vastupidi. Kui näiteks heli langeb õhust, rs millest 41 vette, rs mis on 150 000, kajastub see valemi järgi:

Seoses sellega tungib heli veest palju paremini läbi tahke keha kui õhust. Õhust vette tungib heli hästi läbi veepinnast kõrgemale ulatuvate põõsaste või pilliroo.

Takistustelt peegelduva heli ja selle lainelise olemuse tõttu võib tekkida ruumi antud punkti saabuvate identsete sageduste helirõhkude amplituudide liitmine või lahutamine. Selle lisamise (häirete) oluline tagajärg on seisvate lainete teke peegeldumisel. Kui näiteks vibreerida häälehargi, tuues seda seinale lähemale ja kaugemale, on kuulda helitugevuse suurenemist ja vähenemist antisõlmede ja sõlmede ilmumise tõttu heliväljas. Tavaliselt seisulained tekivad suletud anumates: akvaariumis, basseinis jne, kui allikat helindatakse suhteliselt pikka aega.

Mere või muu loodusliku veekogu reaalsetes tingimustes täheldatakse heli levimise ajal arvukalt keerulisi nähtusi, mis tekivad veekeskkonna heterogeensusest. Heli levikut looduslikes veekogudes mõjutavad suuresti põhi ja liidesed (vesi - õhk), temperatuur ja soolade heterogeensus, hüdrostaatiline rõhk, õhumullid ja planktoni organismid. Vee ja õhu ning põhja vaheline liides ning vee heterogeensus põhjustavad murdumise (helikiirte kõverus) või järelkaja (helikiirte mitmekordne peegeldumine) nähtusi.

Veemullid, plankton ja muud heljumid aitavad kaasa heli neeldumisele vees. Kvantifikatsioon Neid arvukaid tegureid pole veel välja töötatud. Akustiliste katsete tegemisel on vaja nendega arvestada.

Vaatleme nüüd nähtusi, mis tekivad vees heli tekitamisel.

Kujutagem heliallikat ette lõpmatus ruumis pulseeriva sfäärina. Sellise allika poolt kiiratav akustiline energia sumbub pöördvõrdeliselt selle keskpunkti kauguse ruuduga.

Tekkivate helilainete energiat saab iseloomustada kolme parameetriga: kiirus, rõhk ja vibreerivate veeosakeste nihkumine. Viimased kaks parameetrit pakuvad kalade kuulmisvõimet silmas pidades erilist huvi, seega käsitleme neid üksikasjalikumalt.

Harrise ja Berglijki (1962) järgi on rõhulainete levik ja nihkeefektid erinevalt esindatud lähedases (vähem kui ühe helilainepikkuse kaugusel) ja kaugemal (vähem kui ühe helilainepikkuse kaugusel) akustilises. valdkonnas.

Kaugemal akustilisel väljal nõrgeneb rõhk pöördvõrdeliselt heliallika kaugusega. Sel juhul on kaugel akustilises väljas nihke amplituudid otseselt võrdelised rõhu amplituudidega ja on üksteisega seotud valemiga:

Kus R - akustiline rõhk sisse din/cm2;

d- osakeste nihke hulk sisse cm.

Lähiakustilises väljas on rõhu ja nihke amplituudide suhe erinev:

Kus R- akustiline rõhk sisse din/cm2;

d - veeosakeste nihke suurus cm;

f - võnkesagedus sisse Hz;

rs- vee akustiline takistus on 150 000 g/cm2 sek 2;

lambda- heli lainepikkus sisse m; r - kaugus pulseeriva sfääri keskpunktist;

i= SQL i

Valem näitab, et nihke amplituud lähiakustilises väljas sõltub lainepikkusest, helist ja kaugusest heliallikast.

Kõnealuse heli lainepikkusest lühematel kaugustel väheneb nihke amplituud pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga:

Kus A - pulseeriva sfääri raadius;

D- kera raadiuse suurendamine pulsatsiooni tõttu; r - kaugus sfääri keskpunktist.

Kaladel, nagu allpool näidatud, on kahte erinevat tüüpi vastuvõtjaid. Mõned neist tajuvad survet, teised aga veeosakeste nihkumist. Seega on antud võrranditel suur tähtsus kalade reageerimise õigeks hindamiseks veealustele heliallikatele.

Seoses heli emissiooniga märgime veel kahte emitteritega seotud nähtust: emitterite resonantsi ja suunatavuse nähtust.

Heli eraldumine kehast tekib selle vibratsiooni tõttu. Igal kehal on oma vibratsioonisagedus, mille määravad keha suurus ja elastsed omadused. Kui selline keha on seatud vibratsioonile, mille sagedus langeb kokku tema enda sagedusega, tekib vibratsiooni amplituudi olulise suurenemise nähtus - resonants. Resonantsi mõiste kasutamine võimaldab iseloomustada mõningaid kalade emitterite ja vastuvõtjate akustilisi omadusi. Heli emissioon vette võib olla suunatud või mittesuunaline. Esimesel juhul levib helienergia valdavalt teatud suunas. Antud heliallika helienergia ruumilist jaotust väljendavat graafikut nimetatakse selle suunadiagrammiks. Suunatud kiirgust täheldatakse siis, kui emitteri läbimõõt on oluliselt suurem kui väljastatava heli lainepikkus.

Mittesuunalise kiirguse korral lahkneb helienergia kõikides suundades ühtlaselt. See nähtus ilmneb siis, kui väljastatava heli lainepikkus ületab emitteri läbimõõdu lambda> 2A. Teine juhtum on kõige tüüpilisem veealuste madalsageduslike emitterite jaoks. Tavaliselt on madala sagedusega helide lainepikkused väga erinevad rohkem suurusi kasutatud veealuseid emittereid. Sama nähtus on tüüpiline kalade tekitajatele. Nendel juhtudel ei ole emitteritel suunamustreid. Selles peatükis on vaid mõned üldised füüsikalised omadused heli sisse veekeskkond seoses kalade bioakustikaga. Mõningaid spetsiifilisemaid akustika küsimusi käsitletakse raamatu vastavates osades.

Kokkuvõtteks käsitleme erinevate autorite poolt kasutatavaid helimõõtmissüsteeme. Heli saab väljendada selle intensiivsuse, rõhu või rõhutasemega.

Heli intensiivsust absoluutühikutes mõõdetakse kas numbriga erg/sek-cm 2, või W/cm2. Samal ajal 1 erg/sek=10-7 teisip.

Helirõhku mõõdetakse baarid

Heli intensiivsuse ja helirõhu vahel on seos:

mille abil saate need väärtused üksteiseks teisendada.

Mitte harvemini, eriti kui arvestada kalade kuulmist, väljendatakse helirõhku läviväärtuste tohutu ulatuse tõttu detsibellide suhtelistes logaritmilistes ühikutes, db. Kui ühe heli helirõhk R, ja teine ​​P o, siis nad usuvad, et esimene heli on valjem kui teine ​​võrra kdb ja arvutage see valemi abil:

Enamik teadlasi võtab helirõhu P o nullnäidu inimese kuulmise läviväärtuseks 0,0002 baar sagedusele 1000 Hz.

Sellise süsteemi eeliseks on inimeste ja kalade kuulmise vahetu võrdlemise võimalus, miinuseks kalade heli ja kuulmise kohta saadud tulemuste võrdlemise raskus.

Kalade tekitatud helirõhu tegelikud väärtused on neli kuni kuus suurusjärku kõrgemad kui aktsepteeritud nulltase (0,0002 baar), ja erinevate kalade kuulmisläve tasemed on nii tavapärasest null-referentsist kõrgemal kui ka madalamal.

Seetõttu kasutavad Ameerika autorid (Tavolga a. Wodinsky, 1963 jt) kalade helide ja kuulmise võrdlemise mugavuse huvides teistsugust võrdlussüsteemi.

Null-võrdlustasemeks loetakse helirõhku 1 baar, mis on 74 db kõrgem kui varem aktsepteeritud.

Allpool on mõlema süsteemi ligikaudne suhe.

Tegelikud väärtused vastavalt Ameerika süsteem Loendused tekstis on tähistatud tärniga.

Pikkade vahemaade tagant liigub helienergia kogu tee ulatuses ainult mööda õrnaid kiiri, mis ei puuduta ookeanipõhja. Sel juhul on meediumi poolt heli leviku ulatusele seatud piirang selle neeldumine merevesi. Peamine neeldumismehhanism on seotud lõõgastusprotsessidega, mis kaasnevad vees lahustunud ioonide ja soolade molekulide vahelise termodünaamilise tasakaalu akustilise laine häirimisega. Tuleb märkida, et peamist rolli neeldumises laias helisageduste vahemikus kuulub magneesiumväävlisool MgSO4, kuigi protsentuaalselt on selle sisaldus merevees väga väike - peaaegu 10 korda väiksem kui näiteks kivisool NaCl, mis sellegipoolest ei mängi märgatavalt. roll heli neeldumisel.

Üldiselt neeldumine merevees on seda suurem, mida kõrgem on helisagedus. Sagedustel 3-5 kuni vähemalt 100 kHz, kus ülaltoodud mehhanism domineerib, on neeldumine võrdeline sagedusega umbes 3/2 võimsusega. Madalamatel sagedustel aktiveerub uus neeldumismehhanism (võimalik, et boorisoolade olemasolu tõttu vees), mis muutub eriti märgatavaks sadade hertside vahemikus; siin on neeldumise tase anomaalselt kõrge ja langeb sageduse vähenemisega oluliselt aeglasemalt.

Merevees neeldumise kvantitatiivsete omaduste selgemaks ettekujutamiseks märgime, et selle efekti tõttu nõrgeneb heli sagedusega 100 Hz 10 tuhande km pikkuse teekonna jooksul 10 korda ja sagedusega 10 kHz. vaid 10 km kaugusel (joonis 2). Seega saab ainult madala sagedusega helilaineid kasutada veealuseks pikamaasideks, veealuste takistuste kaugtuvastamiseks jne.

Joonis 2 – Kaugused, mille juures eri sagedusega helid merevees levides sumbuvad 10 korda.

Kuuldavate helide piirkonnas sagedusvahemikus 20-2000 Hz helide levimise vahemik vee all keskmise intensiivsusega ulatub 15-20 km-ni ja ultraheli piirkonnas - 3-5 km.

Laboritingimustes väikeste veekoguste juures täheldatud helisummutuse väärtuste põhjal võiks eeldada oluliselt suuremaid vahemikke. Siiski sisse looduslikud tingimused Lisaks vee enda omadustest põhjustatud sumbumisele (nn viskoosne sumbumine) mõjutab seda ka selle hajumine ja neeldumine keskkonna erinevate ebahomogeensuste tõttu.

Heli murdumine ehk helikiire teekonna kõverus on tingitud vee omaduste heterogeensusest, peamiselt vertikaalselt, ja seda peamiselt kolmel põhjusel: hüdrostaatilise rõhu muutused sügavusega, soolsuse muutused ja ebavõrdsetest tingitud temperatuurimuutused. veemassi kuumutamine päikesekiirte toimel. Nende põhjuste koosmõju tulemusena muutub heli levimise kiirus, mis magevee puhul on umbes 1450 m/sek ja mereveel umbes 1500 m/sek, sügavusega ning muutumise seadus sõltub ajast. aasta, kellaaeg, veehoidla sügavus ja mitmed muud põhjused. Allikast horisondi suhtes teatud nurga all väljuvad helikiired painutatakse ja painde suund sõltub helikiiruste jaotusest keskkonnas. Suvel, kui ülemised kihid on soojemad kui alumised, painduvad kiired allapoole ja peegelduvad enamasti alt, kaotades olulise osa oma energiast. Vastupidi, talvel, kui alumised veekihid hoiavad oma temperatuuri, samas kui ülemised kihid jahtuvad, painduvad kiired ülespoole ja peegelduvad veepinnalt mitmekordselt, mille käigus läheb palju vähem energiat kaotsi. Seetõttu on talvel heli leviku ulatus suurem kui suvel. Murdumise tõttu nn surnud tsoonid, st allika lähedal asuvad alad, kus puudub kuuldavus.

Murdumise olemasolu võib aga kaasa tuua heli leviku ulatuse suurenemise – helide ülipika leviku nähtuse vee all. Mingil sügavusel veepinna all on kiht, milles heli levib väikseima kiirusega; Sellest sügavusest kõrgemal suureneb heli kiirus temperatuuri tõusu tõttu ja allpool seda sügavust hüdrostaatilise rõhu suurenemise tõttu sügavusega. See kiht on omamoodi veealune helikanal. Kiir, mis on murdumise tõttu kanali teljest üles või alla kaldunud, kipub alati sinna tagasi langema. Kui paigutate heli allika ja vastuvõtja sellesse kihti, saab sadade ja tuhandete km kaugusel salvestada isegi keskmise intensiivsusega helisid (näiteks väikeste laengute plahvatused 1-2 kg). Heli leviku ulatuse olulist suurenemist veealuse helikanali olemasolul võib täheldada siis, kui heliallikas ja vastuvõtja ei asu tingimata kanali telje, vaid näiteks pinna lähedal. Sel juhul tungivad allapoole murduvad kiired süvamere kihtidesse, kus nad kalduvad ülespoole ja väljuvad allikast mitmekümne kilomeetri kaugusel uuesti pinnale. Järgmiseks korratakse kiirte levimise mustrit ja selle tulemusena moodustub nn kiirte jada. sekundaarsed valgustatud tsoonid, mida tavaliselt jälgitakse mitmesaja km kaugusel.

Kõrgsageduslike helide, eriti ultraheli, levimist, kui lainepikkused on väga väikesed, mõjutavad väikesed ebahomogeensused, mida tavaliselt leidub looduslikes veekogudes: mikroorganismid, gaasimullid jne. Need ebahomogeensused toimivad kahel viisil: nad neelavad ja hajutavad helilainete energiat. Selle tulemusena väheneb helivõnke sageduse kasvades nende leviku ulatus. See efekt on eriti märgatav vee pinnakihis, kus esineb kõige rohkem ebahomogeensusi. Heli hajumine ebahomogeensuste, samuti ebaühtlaste veepindade ja põhja poolt põhjustab veealuse järelkõla nähtuse, mis kaasneb heliimpulsi saatmisega: ebahomogeensuste kogumilt peegelduvad ja ühinevad helilained tekitavad heliimpulsi pikenemine, mis jätkub ka pärast selle lõppu, sarnaselt kinnistes ruumides täheldatava järelkõlaga. Veealune järelkõla on üsna märkimisväärne häire mitmete hüdroakustika praktiliste rakenduste jaoks, eriti sonari puhul.

Veealuste helide leviku ulatust piirab ka nn. mere enda müra, millel on kahekordne päritolu. Osa mürast tuleneb lainete mõjust veepinnale, meresurfist, veeremise mürast jne. Teine osa on seotud merefaunaga; See hõlmab kalade ja teiste mereloomade tekitatud helisid.

Me tajume helisid nende allikatest kaugel. Tavaliselt jõuab heli meieni õhu kaudu. Õhk on elastne keskkond, mis edastab heli.

Pane tähele!

Kui heli edastuskandja eemaldatakse allika ja vastuvõtja vahelt, siis heli ei levi ja seetõttu vastuvõtja seda ei taju.

Näide:

Asetame äratuskella õhupumba kella alla (joonis 1).

Kuni kellas on õhku, on kella heli selgelt kuulda. Kui kella alt õhku välja pumbatakse, siis heli järk-järgult nõrgeneb ja muutub lõpuks kuuldamatuks. Ilma edastusvahendita ei saa kellaplaadi vibratsioon edasi liikuda ja heli ei jõua meie kõrva. Laseme kella alla õhku ja kuuleme uuesti helinat.

Pane tähele!

Elastsed ained juhivad hästi helisid, näiteks metallid, puit, vedelikud ja gaasid.

Paneme puidust tahvli ühte otsa taskukella ja liigume teise otsa. Asetades oma kõrva tahvlile, kuuleme kella tiksumist (joonis 2).

Seo metalllusika külge nöör. Asetage nööri ots kõrva juurde. Kui lööme lusikale, kuuleme tugevat heli (joonis 3). Veelgi tugevamat heli kuuleme, kui asendame nööri traadiga.

Pane tähele!

Pehmed ja poorsed kehad on halvad helijuhid.

Ruumi kaitsmiseks võõraste helide eest on seinad, põrand ja lagi kaetud helisummutavate materjalide kihtidega. Vahekihtidena kasutatakse vilti, presskorki, poorseid kive ja mitmesuguseid vahtpolümeeridest valmistatud sünteetilisi materjale (näiteks vahtpolüstüreen). Heli sellistes kihtides kaob kiiresti.

Heli levib igas elastses keskkonnas – tahkes, vedelas ja gaasilises, kuid ei saa levida ruumis, kus ainet pole.

Allika võnkumised tekitavad oma keskkonnas elastse helisageduslaine. Kõrva jõudev laine mõjutab kuulmekile, pannes selle vibreerima heliallika sagedusele vastava sagedusega. Kuulmekile vibratsioon kandub läbi luusüsteemi kuulmisnärvi otstesse, ärritab neid ja põhjustab seeläbi helitunde (joonis 4).

Gaasides ja vedelikes võivad esineda ainult pikisuunalised elastsed lained. Seetõttu edastatakse heli õhus pikisuunalised lained st heliallikast tuleva õhu vahelduv kondensatsioon ja haruldased.

Helilaine, nagu kõik teised mehaanilised lained, ei levi ruumis koheselt, vaid teatud kiirusega.

Püssituld vaadates näeme esmalt tuld ja suitsu ning siis mõne aja pärast kuuleme lasu häält.

Me teame, et heli liigub läbi õhu. Sellepärast me kuuleme. Vaakumis ei saa olla helisid. Aga kui heli levib läbi õhu selle osakeste vastasmõju tõttu, kas siis ei kandu seda edasi ka teised ained? Will.

Heli levik ja kiirus erinevates meediumites

Heli ei edastata ainult õhu kaudu. Ilmselt teavad kõik, et kui kõrv seina äärde panna, on kõrvaltoas kuulda vestlusi. Sel juhul edastatakse heli seina kaudu. Helid levivad vees ja muus meedias. Veelgi enam, heli levimine sisse erinevad keskkonnad ah seda juhtub erineval viisil. Heli kiirus on erinev olenevalt ainest.

On uudishimulik, et heli kiirus vees on peaaegu neli korda suurem kui õhus. See tähendab, et kalad kuulevad "kiiremini" kui meie. Metallides ja klaasis levib heli veelgi kiiremini. Seda seetõttu, et heli on keskkonna vibratsioon ja helilained levivad paremini juhtivas keskkonnas kiiremini.

Vee tihedus ja juhtivus on suurem kui õhul, kuid väiksem kui metallil. Sellest lähtuvalt edastatakse heli erinevalt. Ühelt kandjalt teisele liikudes muutub heli kiirus.

Ka helilaine pikkus muutub ühest keskkonnast teise üleminekul. Ainult selle sagedus jääb samaks. Kuid just seetõttu saame isegi läbi seinte eristada, kes täpselt räägib.

Kuna heli on vibratsioon, on kõik vibratsiooni ja lainete seadused ja valemid helivõngete suhtes hästi rakendatavad. Heli kiiruse arvutamisel õhus tuleb arvestada ka sellega, et see kiirus sõltub õhutemperatuurist. Temperatuuri tõustes suureneb heli levimise kiirus. Kell normaalsetes tingimustes heli kiirus õhus on 340 344 m/s.

Helilained

Füüsikast teadaolevalt levivad helilained elastses keskkonnas. Seetõttu kannab maa helid hästi edasi. Kõrva maapinnale asetades on juba kaugelt kuulda samme, kabja kolinat jms.

Lapsepõlves oli ilmselt kõigil lõbus, et kõrv reeltele panna. Rongirataste heli kandub mööda rööpaid edasi mitme kilomeetri kaugusele. Pöördheli neeldumise efekti loomiseks kasutatakse pehmeid ja poorseid materjale.

Näiteks selleks, et kaitsta ruumi kõrvaliste helide eest või vastupidi, et helid ruumist välja ei pääseks, töödeldakse ja heliisoleeritakse ruum. Seinad, põrand ja lagi on kaetud spetsiaalsete vahtpolümeeridel põhinevate materjalidega. Sellises polsterduses kaovad kõik helid väga kiiresti.

Heli levimise põhiseaduste hulka kuuluvad selle peegelduse ja murdumise seadused erinevate meediumite piiridel, samuti heli difraktsioon ja hajumine takistuste ja ebahomogeensuse olemasolul keskkonnas ja meediumite vahelistel liidestel.

Heli levimise ulatust mõjutab helineeldumistegur, st helilaine energia pöördumatu üleminek muudeks energialiikideks, eriti soojuseks. Oluline tegur on ka kiirguse suund ja heli levimise kiirus, mis sõltub keskkonnast ja selle spetsiifilisest olekust.

Heliallikast levivad akustilised lained igas suunas. Kui helilaine läbib suhteliselt väikese augu, siis see levib igas suunas, mitte ei liigu suunatud kiires. Näiteks tänavaheli, mis tungib läbi avatud akna tuppa, kostub kõigis punktides, mitte ainult akna vastas.

Helilainete levimise iseloom takistuse läheduses oleneb takistuse suuruse ja lainepikkuse vahelisest seosest. Kui takistuse suurus on lainepikkusega võrreldes väike, siis laine voolab ümber selle takistuse, levides igas suunas.

Helilained, mis tungivad ühest keskkonnast teise, kalduvad oma algsest suunast kõrvale, see tähendab, et nad murduvad. Murdumisnurk võib olla langemisnurgast suurem või väiksem. See sõltub sellest, millisesse meediumisse heli tungib. Kui heli kiirus teises keskkonnas on suurem, on murdumisnurk suurem kui langemisnurk ja vastupidi.

Oma teel takistusega kohtudes peegelduvad helilained sellelt rangelt määratletud reegli järgi - peegeldusnurk võrdub langemisnurgaga - sellega on seotud kaja mõiste. Kui heli peegeldub mitmelt pinnalt erinevatel kaugustel, tekib mitu kaja.

Heli levib lahkneva sfäärilise laine kujul, mis täidab järjest suurema helitugevuse. Kauguse kasvades keskkonna osakeste vibratsioon nõrgeneb ja heli hajub. Teatavasti tuleb edastusulatuse suurendamiseks heli koondada etteantud suunas. Kui tahame, et meid näiteks kuuldakse, paneme peopesad suu juurde või kasutame megafoni.

Difraktsioonil ehk helikiirte paindumisel on suur mõju heli leviku ulatusele. Mida heterogeensem on meedium, seda rohkem on helikiir painutatud ja sellest tulenevalt lühem on heli levimisulatus.

Heli levik

Helilained võivad liikuda õhus, gaasides, vedelikes ja tahked ained. Õhuta ruumis lained ei teki. Seda on lihtsa kogemuse põhjal lihtne kontrollida. Kui õhukindla korgi alla, millest õhk on eemaldatud, asetada elektrikell, ei kuule me heli. Kuid niipea, kui kork on õhuga täidetud, kostab heli.

Võnkuvate liikumiste levimiskiirus osakeselt osakesele oleneb keskkonnast. Iidsetel aegadel panid sõdalased oma kõrvad maapinnale ja avastasid seega vaenlase ratsaväe palju varem, kui see silmapiiril paistis. Ja kuulus teadlane Leonardo da Vinci kirjutas 15. sajandil: "Kui sa merel olles lasete toru augu vette ja paned selle teise otsa kõrva juurde, siis kuulete laevade müra väga hästi. sinust kaugel."

Heli kiirust õhus mõõtis esmakordselt 17. sajandil Milano Teaduste Akadeemia. Ühele künkale oli paigaldatud kahur, teisele asus vaatluspost. Aeg salvestati nii võtte hetkel (välguga) kui ka heli vastuvõtmise hetkel. Vaatluspunkti ja püssi vahelise kauguse ning signaali tekkeaja põhjal ei olnud heli levimise kiirust enam keeruline arvutada. Selgus, et see võrdub 330 meetriga sekundis.

Heli kiirust vees mõõdeti esmakordselt 1827. aastal Genfi järvel. Need kaks paati asusid üksteisest 13 847 meetri kaugusel. Esimesel riputati põhja alla kelluke ja teisele lasti vette lihtne hüdrofon (pasun). Esimesel paadil pandi kella löömisega samal ajal põlema püssirohi, teisel pani vaatleja sähvatuse hetkel käima stopperi ja hakkas ootama kella helisignaali saabumist. Selgus, et heli levib vees üle 4 korra kiiremini kui õhus, s.t. kiirusel 1450 meetrit sekundis.

Heli kiirus

Mida suurem on keskkonna elastsus, seda suurem on kiirus: kummis 50, õhus 330, vees 1450 ja terases - 5000 meetrit sekundis. Kui meie, kes me Moskvas olime, saaksime nii kõvasti karjuda, et heli jõuaks Peterburi, siis oleks meid seal kuulda alles poole tunni pärast ja kui heli leviks sama kaugele terases, siis oleks see vastu võetud. kahe minuti pärast.

Heli levimise kiirust mõjutab sama keskkonna olek. Kui me ütleme, et heli liigub vees kiirusega 1450 meetrit sekundis, siis see ei tähenda, et mis tahes vees ja mis tahes tingimustes. Vee temperatuuri ja soolsuse tõustes, samuti sügavuse ja seega ka hüdrostaatilise rõhu suurenedes heli kiirus suureneb. Või võtame terase. Ka siin sõltub heli kiirus nii temperatuurist kui ka terase kvalitatiivsest koostisest: mida rohkem süsinikku see sisaldab, seda kõvem see on ja seda kiiremini heli selles levib.

Kohtades oma teel takistust, peegelduvad helilained sellelt rangelt teatud reegel: peegeldusnurk on võrdne langemisnurgaga. Õhust tulevad helilained peegelduvad peaaegu täielikult veepinnalt ülespoole ja vees asuvast allikast tulevad helilained peegelduvad sellest allapoole.

Helilained, tungides ühest keskkonnast teise, kalduvad oma algsest asendist kõrvale, s.o. murdunud. Murdumisnurk võib olla langemisnurgast suurem või väiksem. See sõltub sellest, millisesse meediumisse heli tungib. Kui heli kiirus teises keskkonnas on suurem kui esimeses, on murdumisnurk suurem kui langemisnurk ja vastupidi.

Õhus levivad helilained lahkneva sfäärilise laine kujul, mis täidab järjest suurema ruumala, kuna heliallikate tekitatud osakeste vibratsioonid kanduvad edasi õhumassi. Vahemaa suurenedes aga osakeste vibratsioon nõrgeneb. Teatavasti tuleb edastusulatuse suurendamiseks heli koondada etteantud suunas. Kui tahame, et meid paremini kuuldakse, paneme peopesad suu juurde või kasutame megafoni. Sel juhul summutatakse heli vähem ja helilained liiguvad kaugemale.

Seina paksuse kasvades helilokatsioon madalatel kesksagedustel suureneb, kuid helilokatsiooni kägistamist põhjustav “salakaval” kokkusattumusresonants hakkab avalduma madalamatel sagedustel ja katab laiemat ala.