Koulujen tietosanakirja. Ääniaaltojen leviämisen lait

Äänellä tarkoitetaan joustavia aaltoja, jotka sijaitsevat ihmiskorvan kuultavuuden rajoissa, värähtelyalueella 16:sta Hz 20 asti kHz. Värähtelyt, joiden taajuus on alle 16 Hz kutsutaan infraääneksi, yli 20 kHz-ultraääni.

Vesi on tiheämpää ja vähemmän puristuvaa kuin ilma. Tässä suhteessa äänen nopeus vedessä on neljä ja puoli kertaa suurempi kuin ilmassa ja on 1440 m/s.Äänen värähtelytaajuus (alaston) liittyy aallonpituuteen (lambda) suhteella: c= lambda-nu.Ääni etenee vedessä hajoamatta. Äänen nopeus vedessä vaihtelee kahdesta parametrista riippuen: tiheys ja lämpötila. Lämpötilan muutos 1°:lla aiheuttaa vastaavan muutoksen äänennopeudessa 3,58 m sekunnissa. Jos seuraamme äänen etenemisnopeutta pinnasta pohjaan, käy ilmi, että aluksi se laskee nopeasti lämpötilan laskun vuoksi saavuttaen minimin tietyllä syvyydellä, ja sitten syvyyden myötä se alkaa kasvaa nopeasti johtuen vedenpaineen noususta, joka, kuten tiedetään, kasvaa noin 1 atm jokaista 10 kohti m syvyydet.

Alkaen noin 1200 syvyydestä m, missä veden lämpötila pysyy käytännössä vakiona, äänen nopeuden muutos johtuu paineen muutoksesta. "Noin 1200 syvyydessä m (Atlantilla) äänennopeudelle on asetettu vähimmäisarvo; suuremmissa syvyyksissä äänen nopeus kasvaa taas paineen nousun vuoksi. Koska äänisäteet ovat aina taipuneet kohti väliaineen alueita, joissa niiden nopeus on pienin, ne keskittyvät kerrokseen, jonka äänennopeus on pienin.” (Krasilnikov, 1954). Tämä kerros, jonka löysivät Neuvostoliiton fyysikot L.D. Rozenberg ja L.M. Brekhovskikhia kutsutaan "vedenalaiseksi äänikanavaksi". Äänikanavaan tuleva ääni voi levitä pitkiä matkoja ilman vaimennusta. Tämä ominaisuus on pidettävä mielessä, kun harkitaan syvänmeren kalojen akustista signalointia.

Äänen absorptio vedessä on 1000 kertaa pienempi kuin ilmassa. Äänenlähde ilmassa teholla 100 kW vedessä voidaan kuulla jopa 15 etäisyydellä km; äänilähde vedessä 1 kW kuultu 30-40 etäisyydeltä km. Eritaajuiset äänet absorboituvat eri tavalla: korkeataajuiset äänet vaimentuvat voimakkaimmin ja matalataajuiset vähiten. Alhainen äänen absorptio vedessä mahdollisti sen käytön kaikuluotaimissa ja merkinantona. Vesitilat ovat täynnä erilaisia ​​ääniä. Amerikkalaisen hydroakustikon Wenzin (Wenz, 1962) osoittamat maailmanmeren vesistöjen äänet syntyvät seuraavien tekijöiden yhteydessä: vuorovesi, virtaukset, tuuli, maanjäristykset ja tsunamit, teollinen ihmisen toiminta ja biologista elämää. Eri tekijöiden aiheuttaman kohinan luonne eroaa sekä äänitaajuuksien joukossa että niiden voimakkuudessa. Kuvassa Kuvassa 2 on esitetty Maailmanmeren äänien spektrin ja painetason riippuvuus niitä aiheuttavista tekijöistä.

Maailmanmeren eri osissa melun koostumus määräytyy eri komponenttien mukaan. Suuri vaikutus samalla pohja ja rannat vaikuttavat äänien koostumukseen.

Näin ollen melun koostumus ja voimakkuus Maailmanmeren eri osissa ovat erittäin erilaisia. On olemassa empiirisiä kaavoja, jotka osoittavat meren melun voimakkuuden riippuvuuden niitä aiheuttavien tekijöiden voimakkuudesta. Kuitenkin sisään käytännön tarkoituksiin Valtameren melu mitataan yleensä empiirisesti.

On huomattava, että maailman valtameren äänistä voimakkaimmat ovat ihmisen luomat teolliset äänet: laivojen, troolien jne. melu. Shanen (1964) mukaan ne ovat 10-100 kertaa voimakkaampia kuin muut äänet. maailman valtamerestä. Kuitenkin, kuten kuvasta näkyy. Kuviossa 2 niiden spektrikoostumus on jonkin verran erilainen kuin muiden tekijöiden aiheuttamien äänten spektrikoostumus.

Kun ääniaallot etenevät vedessä, ne voivat heijastua, taittua, absorboitua, taipua ja häiritä.

Kohtaaessaan esteen tiellään, ääniaallot voivat heijastua siitä siinä tapauksessa, että niiden aallonpituus (lambda) pienempi kuin esteen koko, tai kiertää (diffraktoi) se siinä tapauksessa, että niiden aallonpituus on suurempi kuin este. Tässä tapauksessa voidaan kuulla, mitä esteen takana tapahtuu näkemättä lähdettä suoraan. Pudotessaan esteen päälle ääniaallot voivat yhdessä tapauksessa heijastua, toisessa tapauksessa ne voivat tunkeutua siihen (absorboitua siihen). Heijastuneen aallon energian arvo riippuu siitä, kuinka voimakkaasti median ”p1c1” ja ”p2c2” ns. akustiset impedanssit eroavat toisistaan, joiden rajapinnalle ääniaallot putoavat. Väliaineen akustisella resistanssilla tarkoitetaan väliaineen tiheyden p ja äänen etenemisnopeuden tuloa Kanssa hänessä. Miten enemmän eroa median akustinen impedanssi, suurin osa energia heijastuu kahden väliaineen erottamisesta ja päinvastoin. Jos esimerkiksi ääni putoaa ilmasta, rs joka 41, veteen, rs joka on 150 000, se heijastuu kaavan mukaan:

Edellä mainitun yhteydessä ääni tunkeutuu kiinteään kappaleeseen paljon paremmin vedestä kuin ilmasta. Ilmasta veteen ääni tunkeutuu hyvin vedenpinnan yläpuolelle työntyvien pensaiden tai ruokojen läpi.

Esteistä heijastuvan äänen ja sen aaltoluonteen yhteydessä voidaan laskea yhteen tai vähentää tiettyyn pisteeseen avaruudessa tulleiden samojen taajuuksien äänenpaineiden amplitudeja. Tärkeä seuraus tällaisesta lisäyksestä (häiriöstä) on seisovien aaltojen muodostuminen heijastuessaan. Jos esimerkiksi äänihaarukka saatetaan värähtelyyn vieden sitä lähemmäs ja kauemmaksi seinästä, kuulee äänenvoimakkuuden lisääntymisen ja pienenemisen johtuen antisolmujen ja solmujen ilmaantumisesta äänikenttään. Yleensä seisovat aallot muodostetaan suljetuissa säiliöissä: akvaarioissa, altaissa jne., joissa on suhteellisen pitkä äänilähde.

Meren tai muun luonnonvaran todellisissa olosuhteissa äänen etenemisen aikana havaitaan lukuisia monimutkaisia ​​ilmiöitä, jotka syntyvät vesiympäristön heterogeenisyyden yhteydessä. Valtava vaikutus äänen etenemiseen luonnollisissa altaissa on pohjalla ja rajapinnalla (vesi-ilma), lämpötilan ja suolan heterogeenisyys, hydrostaattinen paine, ilmakuplat ja planktonieliöt. Vesi-ilmarajapinta ja pohja sekä veden heterogeenisuus johtavat taittumiseen (äänisäteiden kaarevuus) tai jälkikaiuntaan (äänisäteiden moninkertainen heijastus).

Vesikuplat, plankton ja muut suspendoituneet aineet edistävät äänen absorptiota vedessä. Näiden lukuisten tekijöiden kvantifiointia ei ole vielä kehitetty. Ne on otettava huomioon akustisia kokeita tehtäessä.

Tarkastellaan nyt ilmiöitä, joita tapahtuu vedessä, kun siihen kuuluu ääntä.

Kuvittele äänilähde sykkivänä pallona äärettömässä avaruudessa. Tällaisen lähteen säteilemä akustinen energia vaimenee käänteisesti sen keskipisteen etäisyyden neliön kanssa.

Syntyvien ääniaaltojen energiaa voidaan luonnehtia kolmella parametrilla: nopeus, paine ja värähtelevien vesihiukkasten siirtymä. Kaksi viimeistä parametria ovat erityisen mielenkiintoisia kalojen kuulokykyjen kannalta, joten käsittelemme niitä yksityiskohtaisemmin.

Harrisin ja Berglijkin (Harris a. Berglijk, 1962) mukaan paineaallon etenemis- ja siirtymävaikutukset esitetään eri tavalla lähellä (alle yhden äänen aallonpituuden etäisyydellä) ja kaukana (yli yhden aallonpituuden etäisyydellä). ääni) akustinen kenttä.

Kaukaisessa akustisessa kentässä paine vaimenee käänteisesti etäisyyden kanssa äänilähteestä. Tässä tapauksessa kaukaisessa akustisessa kentässä siirtymäamplitudit ovat suoraan verrannollisia paineamplitudeihin ja ne on yhdistetty kaavalla:

missä R - akustinen paine sisään dynes/cm2;

d- hiukkasten siirtymäarvo in cm.

Lähiakustisessa kentässä paineen ja siirtymän amplitudien välinen riippuvuus on erilainen:

missä R- akustinen paine sisään dynes/cm2;

d - vesihiukkasten siirtyminen sisään cm;

f - värähtelytaajuus in hz;

rs- veden akustinen vastus 150 000 g/cm2 sek 2;

lambda on äänen aallonpituus sisään m; r - etäisyys sykkivän pallon keskustasta;

i= SQR i

Kaavasta voidaan nähdä, että siirtymäamplitudi lähiakustisessa kentässä riippuu aallonpituudesta, äänestä ja etäisyydestä äänilähteestä.

Kyseisen äänen aallonpituutta pienemmillä etäisyyksillä siirtymäamplitudi pienenee käänteisesti etäisyyden neliön kanssa:

missä MUTTA on sykkivän pallon säde;

D- pallon säteen kasvu pulsaation vuoksi; r on etäisyys pallon keskustasta.

Kaloilla, kuten alla näytetään, on kaksi erityyppistä vastaanotinta. Jotkut heistä havaitsevat paineen, kun taas toiset havaitsevat vesihiukkasten siirtymisen. Yllä olevat yhtälöt ovat siksi hyvin tärkeä kalojen reaktioiden oikeaan arviointiin vedenalaisiin äänilähteisiin.

Äänen emission yhteydessä havaitsemme vielä kaksi emitteriin liittyvää ilmiötä: emitterien resonanssi- ja suuntaavuusilmiö.

Äänen emissio kehosta tapahtuu sen värähtelyjen yhteydessä. Jokaisella kappaleella on oma värähtelytaajuus, joka määräytyy kehon koon ja sen elastisten ominaisuuksien mukaan. Jos tällainen kappale saatetaan värähtelyyn, jonka taajuus on sama kuin sen oma taajuus, tapahtuu värähtelyn amplitudin merkittävän kasvun ilmiö - resonanssi. Resonanssikäsitteen käyttö mahdollistaa kalojen lähettäjien ja vastaanottimien tiettyjen akustisten ominaisuuksien karakterisoinnin. Äänisäteily veteen voi olla suunnattua tai ei-suuntaista. Ensimmäisessä tapauksessa äänienergia etenee pääasiassa tiettyyn suuntaan. Tietyn äänilähteen äänienergian spatiaalista jakautumista kuvaavaa kuvaajaa kutsutaan sen suuntakaavioksi. Säteilyn suuntaavuus havaitaan siinä tapauksessa, että emitterin halkaisija on paljon suurempi kuin emittoidun äänen aallonpituus.

Kaikensuuntaisen säteilyn tapauksessa äänienergia hajoaa tasaisesti kaikkiin suuntiin. Tämä ilmiö tapahtuu, kun säteilevän äänen aallonpituus ylittää emitterin halkaisijan lambda>2A. Toinen tapaus on tyypillisin matalataajuisille vedenalaisille lämpöpattereille. Tyypillisesti matalataajuisten äänten aallonpituudet ovat merkittävästi lisää kokoja käytetyt vedenalaiset emitterit. Sama ilmiö on tyypillinen kaloille. Näissä tapauksissa emitterien säteilykuviot puuttuvat. Tässä luvussa vain yleistä fyysiset ominaisuudetääni sisään vesiympäristö kalojen bioakustiikkaan liittyen. Joitakin tarkempia akustiikkakysymyksiä käsitellään kirjan asianomaisissa osissa.

Lopuksi tarkastellaan eri kirjoittajien käyttämiä äänenmittausjärjestelmiä. Ääni voidaan ilmaista sen voimakkuudella, paineella tai painetasolla.

Äänen voimakkuus absoluuttisissa yksiköissä mitataan joko numerolla erg / sek-cm 2, tai W/cm2. Samaan aikaan 1 erg/s = 10-7 ti.

Äänenpaine mitataan baareja.

Äänen voimakkuuden ja paineen välillä on suhde:

joita voidaan käyttää muuttamaan nämä arvot yhdestä toiseen.

Yhtä usein, varsinkin kun otetaan huomioon kalojen kuulo, kynnysarvojen valtavan valikoiman vuoksi äänenpaine ilmaistaan ​​suhteellisina logaritmisina desibeliyksiköinä, db. Jos yhden äänen äänenpaine R, ja toinen R o, silloin he katsovat, että ensimmäinen ääni on kovempi kuin toinen by kdb ja laske se kaavan mukaan:

Tässä tapauksessa useimmat tutkijat pitävät ihmisen kuulon kynnysarvoa 0,0002 äänenpaineen P o nollalukemana. baari taajuudelle 1000 Hz.

Tällaisen järjestelmän etuna on mahdollisuus verrata suoraan ihmisten ja kalojen kuuloa, haittana on kalojen äänen ja kuulon perusteella saatujen tulosten vertailun vaikeus.

Kalojen tuottaman äänenpaineen todelliset arvot ovat neljästä kuuteen suuruusluokkaa korkeampia kuin hyväksytty nollataso (0,0002 baari), ja eri kalojen kuulokynnystasot ovat sekä ehdollisen nollamäärän ylä- että alapuolella.

Siksi amerikkalaiset kirjailijat (Tavolga ja Wodinsky, 1963 jne.) käyttävät erilaista viitekehystä kalojen äänien ja kuulon vertaamisen helpottamiseksi.

Äänenpaine 1 baari, joka on 74 db korkeampi kuin aiemmin hyväksytty.

Alla on molempien järjestelmien likimääräinen suhde.

Todelliset arvot mukaan Amerikkalainen järjestelmä tekstissä olevat viittaukset on merkitty tähdellä.

Pitkillä etäisyyksillä äänienergia etenee vain lempeitä säteitä pitkin, jotka eivät kosketa merenpohjaa kokonaan. Tässä tapauksessa välineen asettama rajoitus äänen etenemisalueelle on sen absorptio merivettä. Pääasiallinen absorption mekanismi liittyy rentoutumisprosesseihin, jotka liittyvät ionien ja akustisen aallon veteen liuenneiden suolamolekyylien välisen termodynaamisen tasapainon rikkomiseen. On huomattava, että päärooli absorptiossa monilla äänitaajuuksilla magnesiumsulfidisuola MgSO4 kuuluu, vaikka sen pitoisuus merivedessä on prosentteina melko pieni - lähes 10 kertaa pienempi kuin esimerkiksi NaCl-kivisuolan, jolla ei kuitenkaan ole havaittavaa roolia. äänen absorptiossa.

Yleisesti ottaen absorptio meriveteen on sitä suurempi mitä korkeampi äänen taajuus. Taajuuksilla 3-5 - vähintään 100 kHz, joissa yllä oleva mekanismi hallitsee, absorptio on verrannollinen taajuuteen noin 3/2 tehoon. Matalilla taajuuksilla aktivoituu uusi absorptiomekanismi (mahdollisesti johtuen boorisuoloista vedessä), mikä tulee erityisen havaittavaksi satojen hertsien alueella; tässä absorptiotaso on poikkeuksellisen korkea ja laskee paljon hitaammin taajuuden pienentyessä.

Meriveden absorption kvantitatiivisten ominaisuuksien selvemmin kuvittelemiseksi huomaamme, että tämän vaikutuksen vuoksi ääni, jonka taajuus on 100 Hz, vaimenee kertoimella 10 10 tuhannen km:n polulla ja taajuudella 10 kHz - vain 10 km:n etäisyydellä (kuva 2). Siten vain matalataajuisia ääniaaltoja voidaan käyttää pitkän kantaman vedenalaiseen viestintään, pitkän matkan vedenalaisten esteiden havaitsemiseen ja vastaaviin.

Kuva 2 - Etäisyydet, joilla eri taajuuksiset äänet vaimentuvat 10 kertaa merivedessä eteneessään.

Kuultavien äänien alueella taajuusalueella 20-2000 Hz keskivoimakkaiden äänien etenemisalue veden alla on 15-20 km ja ultraäänen alueella - 3-5 km.

Laboratorio-olosuhteissa pienissä vesimäärissä havaittujen äänenvaimennusarvojen perusteella voisi odottaa paljon suurempia alueita. Kuitenkin sisään vivo Itse veden ominaisuuksista johtuvan vaimennuksen (ns. viskoosinen vaimennus) lisäksi vaikuttaa myös sen sironta ja imeytyminen väliaineen erilaisista epähomogeenisuuksista.

Äänen taittuminen eli äänikeilan polun kaarevuus johtuu veden ominaisuuksien heterogeenisyydestä, pääasiassa pystysuorassa suunnassa, johtuen kolmesta pääasiallisesta syystä: hydrostaattisen paineen muutoksista syvyyden myötä, suolapitoisuuden muutoksista ja lämpötilan muutokset, jotka johtuvat vesimassan epätasaisesta kuumenemisesta auringonsäteiden vaikutuksesta. Näiden syiden yhteisvaikutuksen seurauksena äänen etenemisnopeus, joka on makealla vedellä noin 1450 m/s ja merivedellä noin 1500 m/s, muuttuu syvyyden mukaan ja muutoslaki riippuu vuodenajasta. , kellonaika, säiliön syvyys ja monet muut syyt . Lähteestä tietyssä kulmassa horisonttiin nähden lähtevät äänisäteet taipuvat, ja taipumisen suunta riippuu äänen nopeuksien jakautumisesta väliaineessa. Kesällä, kun ylemmät kerrokset ovat lämpimämpiä kuin alemmat, säteet taipuvat alas ja heijastuvat enimmäkseen pohjasta menettäen merkittävän osan energiastaan. Päinvastoin talvella, kun veden alemmat kerrokset säilyttävät lämpötilansa, kun taas ylemmät kerrokset jäähtyvät, säteet taipuvat ylöspäin ja heijastavat useita kertoja veden pinnalta, jolloin energiaa menetetään paljon vähemmän. Siksi talvella äänen etenemisetäisyys on suurempi kuin kesällä. Taittumisen vuoksi ns. kuolleet alueet, eli alueet, jotka sijaitsevat lähellä lähdettä ja joilla ei ole kuultavuutta.

Taittumisen esiintyminen voi kuitenkin johtaa äänen etenemisalueen kasvuun - ilmiöön, jossa äänet etenevät veden alla. Jossain syvyydessä veden pinnan alla on kerros, jossa ääni etenee pienimmällä nopeudella; tämän syvyyden yläpuolella äänen nopeus kasvaa lämpötilan nousun vuoksi ja tämän alapuolella hydrostaattisen paineen lisääntymisen vuoksi syvyyden myötä. Tämä kerros on eräänlainen vedenalainen äänikanava. Kanavan akselilta ylös- tai alaspäin taittumisen vuoksi poikkeava säde pyrkii aina palaamaan siihen. Jos äänilähde ja vastaanotin sijoitetaan tähän kerrokseen, jopa keskivoimaiset äänet (esimerkiksi 1-2 kg:n pienten varausten räjähdykset) voidaan tallentaa satojen ja tuhansien kilometrien etäisyyksiltä. Merkittävä äänen etenemisalueen lisääntyminen vedenalaisen äänikanavan läsnä ollessa on havaittavissa, kun äänen lähde ja vastaanotin eivät ole välttämättä lähellä kanavan akselia, vaan esimerkiksi lähellä pintaa. Tässä tapauksessa alaspäin taittuvat säteet menevät syviin kerroksiin, joissa ne poikkeavat ylöspäin ja tulevat taas ulos pinnalle useiden kymmenien kilometrien etäisyydellä lähteestä. Lisäksi säteiden etenemiskuvio toistetaan, ja sen seurauksena ns. toissijaiset valaistut vyöhykkeet, jotka yleensä jäljitetään useiden satojen kilometrien etäisyyksille.

Korkeataajuisten äänien, erityisesti ultraäänien, etenemiseen, kun aallonpituudet ovat hyvin pieniä, vaikuttavat pienet epähomogeenisuudet, joita yleensä esiintyy luonnollisissa säiliöissä: mikro-organismit, kaasukuplat jne. Nämä epähomogeenisuudet toimivat kahdella tavalla: ne absorboivat ja sirottavat ääniaaltojen energiaa. Tämän seurauksena äänen värähtelytaajuuden kasvaessa niiden etenemisalue pienenee. Tämä vaikutus on erityisen havaittavissa veden pintakerroksessa, jossa on eniten epähomogeenisuutta. Epähomogeenisuuksien sekä vedenpinnan ja pohjan epäsäännöllisyyksien aiheuttama äänen sironta aiheuttaa ääniimpulssin lähettämiseen liittyvän vedenalaisen kaiuntailmiön: epähomogeenisuuden ja sulautumisen yhdistelmästä heijastuvat ääniaallot antavat viiveen ääniimpulssi, joka jatkuu päättymisensä jälkeen, samalla tavalla kuin suljetuissa tiloissa havaittu jälkikaiunta. Vedenalainen jälkikaiunta on melko merkittävä häiriö useissa käytännön hydroakustiikan sovelluksissa, erityisesti kaikuluotaimissa.

Vedenalaisten äänten leviämisalueen rajoja rajoittavat myös ns. meren omat äänet, joilla on kaksi alkuperää. Osa melusta syntyy aaltojen vaikutuksesta veden pintaan, surffauksesta, vierivien kivien melusta jne. Toinen osa liittyy meren eläimistöön; tämä sisältää kalojen ja muiden merieläinten tuottamat äänet.

Havaitsemme äänet kaukana niiden lähteistä. Ääni kulkee meille yleensä ilmassa. Ilma on elastinen väliaine, joka välittää ääntä.

Kiinnittää huomiota!

Jos äänen siirtoväline poistetaan lähteen ja vastaanottimen väliltä, ​​ääni ei etene, eikä vastaanotin siten havaitse sitä.

Esimerkki:

Laitetaan herätyskello ilmapumpun kellon alle (kuva 1).

Niin kauan kuin kellossa on ilmaa, kellon ääni kuuluu selvästi. Kun ilmaa pumpataan ulos kellon alta, ääni vähitellen heikkenee ja lopulta muuttuu kuulumattomaksi. Ilman välitysvälinettä kellon symbaalin värähtely ei voi levitä, eikä ääni pääse korvaamme. Anna ilmaa kellon alle ja kuule soitto uudestaan.

Kiinnittää huomiota!

Elastiset aineet, kuten metallit, puu, nesteet, kaasut, johtavat hyvin ääniä.

Laitetaan taskukello puulaudan toiseen päähän, ja siirrytään itse toiseen päähän. Kun asetat korvasi taululle, kuulemme kellon (kuva 2).

Sido naru metallilusikkaan. Kiinnitä nauhan pää korvaan. Kun lyö lusikkaa, kuulemme voimakkaan äänen (kuva 3). Kuulemme vielä voimakkaamman äänen, jos vaihdamme langan langalla.

Kiinnittää huomiota!

Pehmeät ja huokoiset kappaleet ovat huonoja äänenjohtajia.

Kaikkien huoneiden suojaamiseksi vieraiden äänien tunkeutumiselta seinät, lattia ja katto on päällystetty kerroksilla ääntä vaimentavia materiaaleja. Välikerroksina käytetään huopaa, puristettua korkkia, huokoisia kiviä, erilaisia ​​synteettisiä materiaaleja (esimerkiksi vaahtomuovia), jotka on valmistettu vaahdotettujen polymeerien pohjalta. Ääni tällaisissa kerroksissa vaimenee nopeasti.

Ääni etenee missä tahansa elastisessa väliaineessa - kiinteässä, nestemäisessä ja kaasumaisessa, mutta ei voi levitä avaruudessa, jossa ei ole ainetta.

Lähteen värähtelyt luovat elastisen äänitaajuuden aallon ympäristöönsä. Korvaa saavuttava aalto vaikuttaa tärykalvoon ja saa sen värähtelemään äänilähteen taajuutta vastaavalla taajuudella. tärykalvon vapina välittyy luuluiden kautta kuulohermon päihin, ärsyttää niitä ja aiheuttaa siten ääniä (kuva 4).

Kaasuissa ja nesteissä voi esiintyä vain pitkittäisiä elastisia aaltoja. Siksi ilmassa oleva ääni välittyy pitkittäiset aallot, toisin sanoen äänilähteestä tulevan ilman vuorotteleva sakeutuminen ja harveneminen.

Ääniaalto, kuten muutkin mekaaniset aallot, ei etene avaruudessa välittömästi, vaan tietyllä nopeudella.

Aseen laukaisua katsellessa näemme ensin tulta ja savua, ja sitten hetken kuluttua kuulemme laukauksen äänen.

Tiedämme, että ääni kulkee ilmassa. Siksi voimme kuulla. Ääntä ei voi esiintyä tyhjiössä. Mutta jos ääni välittyy ilman kautta sen hiukkasten vuorovaikutuksen vuoksi, eivätkö muut aineet välitä sitä? Tulee olemaan.

Äänen leviäminen ja nopeus eri medioissa

Ääni ei välity vain ilmateitse. Luultavasti kaikki tietävät, että jos laitat korvasi seinään, voit kuulla keskusteluja viereisessä huoneessa. Tässä tapauksessa ääni välittyy seinän kautta. Äänet leviävät vedessä ja muissa väliaineissa. Lisäksi äänen leviäminen sisään erilaisia ​​ympäristöjä ah se on erilaista. Äänen nopeus vaihtelee aineesta riippuen.

Kummallista kyllä, äänen etenemisnopeus vedessä on lähes neljä kertaa suurempi kuin ilmassa. Eli kalat kuulevat "nopeammin" kuin me. Metalleissa ja lasissa ääni kulkee vieläkin nopeammin. Tämä johtuu siitä, että ääni on väliaineen värähtelyä ja ääniaallot kulkevat nopeammin mediassa, jonka johtavuus on parempi.

Veden tiheys ja johtavuus on suurempi kuin ilman, mutta pienempi kuin metallin. Näin ollen ääni välittyy eri tavalla. Kun siirrytään mediasta toiseen, äänen nopeus muuttuu.

Myös ääniaallon pituus muuttuu, kun se siirtyy väliaineesta toiseen. Vain sen taajuus pysyy samana. Mutta siksi voimme erottaa, kuka puhuu, jopa seinien läpi.

Koska ääni on värähtelyä, kaikki värähtelyjen ja aaltojen lait ja kaavat soveltuvat hyvin äänen värähtelyyn. Laskettaessa äänen nopeutta ilmassa on myös otettava huomioon, että tämä nopeus riippuu ilman lämpötilasta. Lämpötilan noustessa äänen etenemisnopeus kasvaa. klo normaaleissa olosuhteissaäänen nopeus ilmassa on 340 344 m/s.

ääniaallot

Ääniaallot, kuten fysiikasta tiedetään, etenevät elastisissa väliaineissa. Siksi maa välittää äänet hyvin. Kun lasket korvasi maahan, kuulet kaukaa askeleiden äänen, kavioiden kolinaa ja niin edelleen.

Lapsuudessa kaikilla on täytynyt olla hauskaa laittamalla korvansa raiteilleen. Junan pyörien ääni välittyy kiskoja pitkin useita kilometrejä. Äänen absorption käänteisen vaikutuksen luomiseksi käytetään pehmeitä ja huokoisia materiaaleja.

Esimerkiksi huoneen suojaamiseksi vierailta ääniltä tai päinvastoin, jotta äänet eivät pääse karkaamaan huoneesta ulos, huone käsitellään ja äänieristetään. Seinät, lattia ja katto on verhoiltu vaahtopolymeereihin perustuvilla erikoismateriaaleilla. Tällaisessa verhoilussa kaikki äänet vaimentuvat hyvin nopeasti.

Äänen etenemisen peruslakeja ovat sen heijastumisen ja taittumisen lait eri välineiden rajoilla sekä äänen diffraktio ja sironta esteiden ja epähomogeenisuuksien esiintyessä väliaineessa ja välineiden välisissä rajapinnoissa.

Äänen etenemisetäisyyteen vaikuttaa äänen absorptiotekijä eli ääniaaltoenergian palautumaton siirtyminen muun tyyppiseksi energiaksi, erityisesti lämmöksi. Tärkeä tekijä on myös säteilyn suunta ja äänen etenemisnopeus, joka riippuu väliaineesta ja sen erityistilasta.

Akustiset aallot etenevät äänilähteestä kaikkiin suuntiin. Jos ääniaalto kulkee suhteellisen pienen reiän läpi, se etenee kaikkiin suuntiin, eikä kulje suunnatussa säteessä. Esimerkiksi avoimesta ikkunasta huoneeseen tunkeutuvat kadun äänet kuuluvat sen kaikissa kohdissa, eivät vain ikkunaa vasten.

Ääniaaltojen etenemisen luonne esteessä riippuu esteen mittojen ja aallonpituuden välisestä suhteesta. Jos esteen mitat ovat pienet verrattuna aallonpituuteen, aalto virtaa tämän esteen ympäri ja etenee kaikkiin suuntiin.

Väliaineesta toiseen tunkeutuvat ääniaallot poikkeavat alkuperäisestä suunnastaan, eli ne taittuvat. Taitekulma voi olla suurempi tai pienempi kuin tulokulma. Se riippuu siitä, mistä mediasta ääni tulee. Jos äänen nopeus toisessa väliaineessa on suurempi, taitekulma on suurempi kuin tulokulma ja päinvastoin.

Kohtaaessaan esteen tiellään, ääniaallot heijastuvat siitä tiukasti määritellyn säännön mukaisesti - heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma - kaiun käsite liittyy tähän. Jos ääni heijastuu useilta pinnoilta eri etäisyyksillä, syntyy useita kaikuja.

Ääni etenee hajaantuvan palloaallon muodossa, joka täyttää yhä suuremman tilavuuden. Etäisyyden kasvaessa väliaineen hiukkasten värähtelyt heikkenevät ja ääni haihtuu. Tiedetään, että lähetysetäisyyden lisäämiseksi ääni on keskitettävä tiettyyn suuntaan. Kun haluamme esimerkiksi tulla kuulluksi, laitamme kätemme suullemme tai käytämme suukappaletta.

Diffraktiolla eli äänisäteiden taivutuksella on suuri vaikutus äänen etenemisalueeseen. Mitä heterogeenisempi väliaine, sitä enemmän äänikeila on taipunut ja sitä lyhyempi äänen etenemisetäisyys.

äänen leviäminen

Ääniaallot voivat kulkea ilman, kaasujen, nesteiden ja kiinteät aineet. Aallot eivät muodostu ilmattomassa tilassa. Tämä on helppo nähdä yksinkertaisella kokeella. Jos sähkökello asetetaan ilmatiiviin korkin alle, josta ilma poistetaan, emme kuule ääntä. Mutta heti kun korkki on täynnä ilmaa, kuuluu ääntä.

Värähtelyliikkeiden etenemisnopeus hiukkasesta hiukkaseen riippuu väliaineesta. Muinaisina aikoina soturit laittoivat korvansa maahan ja löysivät näin vihollisen ratsuväen paljon aikaisemmin kuin se näkyi. Ja kuuluisa tiedemies Leonardo da Vinci kirjoitti 1400-luvulla: "Jos sinä merellä lasket putken reiän veteen ja laitat toisen pään korvallesi, kuulet laivojen melun hyvin kaukana merestä. sinä."

Milanon tiedeakatemia mittasi äänen nopeuden ilmassa ensimmäisen kerran 1600-luvulla. Yhdelle kukkulalle oli asennettu tykki ja toiselle havaintopiste. Kellonaika tallennettiin sekä kuvaushetkellä (salamalla) että äänen vastaanottohetkellä. Tarkkailupisteen ja kanuun välisen etäisyyden ja signaalin lähtöajan perusteella ei ollut enää vaikeaa laskea äänen etenemisnopeutta. Se osoittautui yhtä suureksi kuin 330 metriä sekunnissa.

Vedessä äänen etenemisnopeus mitattiin ensimmäisen kerran vuonna 1827 Genevejärvellä. Kaksi venettä olivat toisistaan ​​13847 metrin etäisyydellä. Ensimmäisessä pohjan alle ripustettiin kello ja toisessa yksinkertainen hydrofoni (torvi) laskettiin veteen. Ensimmäisessä veneessä samaan aikaan kun kelloa lyötiin, ruuti sytytettiin tuleen, toisella tarkkailijalla hän käynnisti välähdyksen hetkellä sekuntikellon ja alkoi odottaa kellon äänimerkin saapumista. . Kävi ilmi, että ääni kulkee vedessä yli 4 kertaa nopeammin kuin ilmassa, ts. nopeudella 1450 metriä sekunnissa.

Äänen etenemisnopeus

Mitä suurempi väliaineen elastisuus on, sitä suurempi nopeus: kumissa50, ilmassa330, vedessä 1450 ja teräksessä - 5000 metriä sekunnissa. Jos me Moskovassa voisimme huutaa niin kovaa, että ääni ulottuisi Pietariin, niin meidät kuulisi siellä vasta puolessa tunnissa, ja jos ääni leviäisi saman matkan teräksessä, se vastaanotetaan kahdessa minuutissa. .

Äänen etenemisnopeuteen vaikuttaa saman väliaineen tila. Kun sanomme, että ääni kulkee vedessä nopeudella 1450 metriä sekunnissa, se ei tarkoita ollenkaan sitä missä tahansa vedessä ja missään olosuhteissa. Veden lämpötilan ja suolapitoisuuden noustessa sekä syvyyden ja siten hydrostaattisen paineen kasvaessa äänen nopeus kasvaa. Tai ota terästä. Myös tässä äänen nopeus riippuu sekä lämpötilasta että teräksen laadullisesta koostumuksesta: mitä enemmän se sisältää hiiltä, ​​sitä kovempi se on, sitä nopeammin ääni kulkee siinä.

Kohtaaessaan esteen tiellään, ääniaallot heijastuvat siitä tiukasti tietty sääntö: Heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma. Ilmasta tulevat ääniaallot heijastuvat lähes kokonaan ylös veden pinnalta ja vedessä olevasta lähteestä tulevat ääniaallot heijastuvat siitä alaspäin.

Väliaineesta toiseen tunkeutuvat ääniaallot poikkeavat alkuperäisestä asemastaan, ts. ovat taittuneet. Taitekulma voi olla suurempi tai pienempi kuin tulokulma. Se riippuu väliaineesta, josta ääni tunkeutuu. Jos äänen nopeus toisessa väliaineessa on suurempi kuin ensimmäisessä, taitekulma on suurempi kuin tulokulma ja päinvastoin.

Ilmassa ääniaallot etenevät hajaantuvan palloaallon muodossa, joka täyttää yhä suuremman tilavuuden, kun äänilähteiden aiheuttamat hiukkasvärähtelyt siirtyvät ilmamassaan. Etäisyyden kasvaessa hiukkasten värähtelyt kuitenkin heikkenevät. Tiedetään, että lähetysetäisyyden lisäämiseksi ääni on keskitettävä tiettyyn suuntaan. Kun haluamme tulla kuulluiksi paremmin, laitamme kämmenemme suullemme tai käytämme torvea. Tässä tapauksessa ääni vaimenee vähemmän ja ääniaallot etenevät edelleen.

Seinämän paksuuden kasvaessa kaikuluotain matalilla keskitaajuuksilla kasvaa, mutta kaikuluotaimen tukehtumisen aiheuttava "kavala" yhteensattumaresonanssi alkaa näkyä alemmilla taajuuksilla ja vangitsee laajemman alueen niistä.