Sóng âm là sóng dọc cơ học có tần số nhất định. Trong bài chúng ta sẽ hiểu sóng dọc và sóng ngang là gì, tại sao không phải mọi sóng cơ đều là âm thanh. Tìm tốc độ của sóng và tần số mà âm thanh xuất hiện. Hãy cùng tìm hiểu xem âm thanh có giống nhau trong các môi trường khác nhau hay không và tìm hiểu cách tìm tốc độ của nó bằng công thức.
Sóng xuất hiện
Hãy tưởng tượng một mặt nước, ví dụ như một cái ao trong thời tiết tĩnh lặng. Nếu bạn ném một hòn đá, thì trên mặt nước chúng ta sẽ thấy những vòng tròn tách ra từ tâm. Và điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta không lấy một hòn đá mà là một quả bóng và đưa nó vào chuyển động dao động? Các vòng tròn sẽ được tạo ra liên tục bởi các dao động của quả bóng. Chúng ta sẽ thấy gần giống như được hiển thị trong hình ảnh động trên máy tính.
Nếu chúng ta hạ phao xuống cách quả bóng một khoảng cách nào đó, nó cũng sẽ dao động. Khi các dao động khác nhau trong không gian theo thời gian, quá trình này được gọi là sóng.
Để nghiên cứu các đặc tính của âm thanh (bước sóng, tốc độ sóng, v.v.), đồ chơi Cầu vồng nổi tiếng, hay còn gọi là Cầu vồng hạnh phúc, là phù hợp.
Hãy kéo căng thanh xuân, để nó lắng dịu và hãy rung chuyển lên xuống thật mạnh. Chúng ta sẽ thấy rằng một làn sóng đã xuất hiện, chạy dọc theo mùa xuân, và sau đó quay trở lại. Điều này có nghĩa là nó được phản chiếu từ chướng ngại vật. Chúng ta quan sát cách sóng truyền dọc theo lò xo theo thời gian. Các hạt của lò xo chuyển động lên xuống so với trạng thái cân bằng của chúng, và sóng chạy qua trái và phải. Sóng như vậy được gọi là sóng ngang. Trong đó, phương truyền của nó vuông góc với phương dao động của các hạt. Trong trường hợp của chúng ta, môi trường truyền sóng là một lò xo.
Bây giờ chúng ta hãy kéo căng thanh xuân, để nó dịu đi và kéo qua lại. Chúng ta sẽ thấy rằng các cuộn dây của lò xo bị nén dọc theo nó. Sóng chạy cùng chiều. Ở một nơi thì lò xo bị nén nhiều hơn, ở nơi khác thì nó bị dãn nhiều hơn. Sóng như vậy được gọi là sóng dọc. Hướng dao động của các hạt của nó trùng với hướng truyền sóng.
Hãy tưởng tượng một phương tiện dày đặc, ví dụ, một cơ thể cứng. Nếu chúng ta làm biến dạng nó bằng cách cắt, một làn sóng sẽ phát sinh. Nó sẽ xuất hiện do các lực đàn hồi chỉ tác dụng trong chất rắn. Các lực này đóng vai trò khôi phục và tạo ra sóng đàn hồi.
Bạn không thể làm biến dạng chất lỏng bằng cách cắt. Sóng ngang không thể truyền trong chất khí và chất lỏng. Một điều khác là theo chiều dọc: nó lan truyền trong mọi môi trường có lực đàn hồi tác động. Trong một làn sóng dọc, các hạt tiếp cận nhau, sau đó di chuyển ra xa, và bản thân môi trường bị nén và hiếm.
Nhiều người nghĩ rằng chất lỏngkhông thể nén được, nhưng đây không phải là trường hợp. Nếu bạn ấn vào pít-tông của ống tiêm bằng nước, nó sẽ co lại một chút. Trong chất khí, biến dạng nén-kéo cũng có thể xảy ra. Nhấn vào pít-tông của một ống tiêm rỗng sẽ nén không khí.
Tốc độ và bước sóng
Hãy quay lại hoạt ảnh mà chúng ta đã xem xét ở đầu bài viết. Chúng ta chọn một điểm tùy ý trên một trong các đường tròn phân kỳ từ quả cầu có điều kiện và thực hiện theo nó. Điểm di chuyển ra xa trung tâm. Tốc độ di chuyển của nó là tốc độ của đỉnh sóng. Chúng ta có thể kết luận: một trong những đặc điểm của sóng là tốc độ của sóng.
Hình ảnh động cho thấy các đỉnh của sóng nằm ở cùng một khoảng cách. Đây là bước sóng - một đặc điểm khác của nó. Sóng càng thường xuyên, độ dài của chúng càng ngắn.
Tại sao không phải mọi sóng cơ đều là âm thanh
Lấy thước nhôm.
Đó là độ bền, vì vậy nó rất tốt cho trải nghiệm. Ta đặt thước vào mép bàn và dùng tay ấn vào để thước nhô ra thật mạnh. Chúng tôi ấn vào cạnh của nó và thả mạnh - phần tự do sẽ bắt đầu rung, nhưng sẽ không có âm thanh. Nếu bạn mở rộng thước chỉ một chút, sự rung động của cạnh ngắn sẽ tạo ra âm thanh.
Trải nghiệm này cho thấy điều gì? Nó chứng tỏ rằng âm thanh chỉ xuất hiện khi một vật chuyển động đủ nhanh khi tốc độ sóng trong môi trường là cao. Hãy để chúng tôi giới thiệu thêm một đặc tính của sóng - tần số. Giá trị này cho biết cơ thể tạo ra bao nhiêu rung động mỗi giây. Khi chúng ta tạo ra một làn sóng trong không khí, âm thanh sẽ xuất hiện trong những điều kiện nhất định - khi đủtần số cao.
Điều quan trọng cần hiểu là âm thanh không phải là sóng, mặc dù nó có liên quan đến sóng cơ học. Âm thanh là cảm giác xảy ra khi sóng âm thanh (âm thanh) đi vào tai.
Chúng ta hãy quay trở lại chiếc thước kẻ. Khi kéo dài phần lớn hơn, thước dao động và không phát ra âm thanh. Điều này có tạo ra một làn sóng? Chắc chắn rồi, nhưng đó là sóng cơ học, không phải sóng âm thanh. Bây giờ chúng ta có thể xác định một sóng âm thanh. Đây là sóng dọc cơ học, tần số nằm trong khoảng từ 20 Hz đến 20 nghìn Hz. Nếu tần số nhỏ hơn 20 Hz hoặc hơn 20 kHz, thì chúng ta sẽ không nghe thấy nó, mặc dù có rung động.
Nguồn âm thanh
Bất kỳ vật thể dao động nào cũng có thể là nguồn phát sóng âm, nó chỉ cần một môi trường đàn hồi, ví dụ, không khí. Không chỉ vật rắn có thể dao động, mà cả chất lỏng và chất khí. Không khí là hỗn hợp của một số chất khí không chỉ có thể là môi trường lan truyền - bản thân nó có khả năng tạo ra sóng âm. Chính những rung động của anh ấy là nền tảng cho âm thanh của các nhạc cụ hơi. Sáo hoặc kèn không rung. Đó là không khí hiếm và được nén, tạo ra một tốc độ nhất định cho sóng, do đó chúng ta nghe thấy âm thanh.
Âm thanh lan tỏa trong các môi trường khác nhau
Chúng tôi phát hiện ra rằng các chất khác nhau phát ra âm thanh: lỏng, rắn, khí. Tương tự đối với khả năng dẫn sóng âm thanh. Âm thanh truyền trong mọi môi trường đàn hồi (lỏng, rắn, khí), trừ chân không. Trong một không gian trống rỗng, chẳng hạn như trên mặt trăng, chúng ta sẽ không nghe thấy âm thanh của một cơ thể đang rung động.
Hầu hết âm thanh mà con người cảm nhận được là trong không khí. Cá, sứa nghe thấy sóng âm truyền qua mặt nước. Chúng tôi nếu lặn xuống dưới nước cũng sẽ nghe thấy tiếng động cơ của chiếc thuyền máy chạy qua. Hơn nữa, bước sóng và tốc độ sóng sẽ cao hơn trong không khí. Điều này có nghĩa là một người đang lặn dưới nước sẽ nghe thấy âm thanh của động cơ đầu tiên. Người đánh cá đang ngồi trên thuyền của mình ở chỗ cũ, sau này sẽ nghe thấy tiếng động.
Trong chất rắn, âm thanh truyền đi thậm chí còn tốt hơn và tốc độ sóng cao hơn. Nếu bạn đưa một vật cứng, đặc biệt là kim loại vào tai và gõ vào nó, bạn sẽ nghe rất rõ. Một ví dụ khác là giọng nói của chính bạn. Khi chúng ta lần đầu tiên nghe thấy bài phát biểu của mình, trước đó đã được ghi lại trên máy ghi âm hoặc từ video, giọng nói đó có vẻ như xa lạ. Tại sao chuyện này đang xảy ra? Bởi vì trong cuộc sống, chúng ta không nghe thấy nhiều rung động âm thanh từ miệng như rung động của sóng truyền qua xương sọ của chúng ta. Âm thanh phản xạ từ những chướng ngại vật này có phần thay đổi.
Tốc độ âm thanh
Tốc độ của sóng âm, nếu chúng ta coi cùng một âm thanh, sẽ khác nhau trong các môi trường khác nhau. Phương tiện càng dày đặc, âm thanh đến tai chúng ta càng nhanh. Tàu có thể đi xa chúng ta đến nỗi vẫn chưa nghe thấy tiếng bánh xe. Tuy nhiên, nếu bạn áp tai vào đường ray, chúng ta có thể nghe thấy rõ ràng tiếng ầm ầm.
Điều này cho thấy rằng sóng âm truyền trong chất rắn nhanh hơn trong không khí. Hình thể hiện tốc độ của âm thanh trong các môi trường khác nhau.
Phương trình sóng
Tốc độ, tần số và bước sóng được kết nối với nhau. Đối với những vật dao động với tần số cao thì sóng ngắn hơn. Âm thanh tần số thấp có thể được nghe thấy ở khoảng cách xa hơn vì chúng có bước sóng dài hơn. Có hai phương trình sóng. Chúng minh họa sự phụ thuộc lẫn nhau của các đặc tính sóng từ nhau. Biết hai đại lượng bất kỳ từ phương trình, bạn có thể tính được đại lượng thứ ba:
с=ν × λ, trong đó c là tốc độ, ν là tần số, λ là bước sóng.
Phương trình sóng âm thứ hai:
s=λ / T, trong đó T là chu kỳ, tức là thời gian mà vật thể tạo ra một dao động.
