Sóng âm: công thức, tính chất. Nguồn sóng âm

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Sóng âm thanh là một quá trình sóng xảy ra trong môi trường khí, lỏng và rắn, khi truyền đến các cơ quan thính giác của con người, chúng sẽ được cảm nhận là âm thanh. Tần số của các sóng này nằm trong khoảng từ 20 đến 20.000 dao động mỗi giây. Chúng tôi đưa ra các công thức cho sóng âm thanh và xem xét các đặc tính của nó một cách chi tiết hơn.

Tại sao có sóng âm?

Nhiều người thắc mắc Sóng âm là gì. Bản chất của âm thanh nằm ở chỗ xảy ra nhiễu loạn trong môi trường đàn hồi. Ví dụ, khi nhiễu loạn áp suất dưới dạng nén xảy ra trong một thể tích không khí nhất định, vùng này có xu hướng lan rộng trong không gian. Quá trình này dẫn đến việc nén không khí ở các khu vực tiếp giáp với nguồn cũng có xu hướng nở ra. Quá trình này bao phủ ngày càng nhiều không gian cho đến khi nó chạm tới một số thiết bị thu, chẳng hạn như tai người.

Đặc điểm chung của sóng âm

Chúng ta hãy xem xét sóng âm thanh là gì và nó được tai người cảm nhận như thế nào. Sóng âm thanhlà theo chiều dọc, khi đi vào vỏ tai, màng nhĩ sẽ gây ra rung động với tần số và biên độ nhất định. Bạn cũng có thể biểu diễn những dao động này dưới dạng sự thay đổi tuần hoàn của áp suất trong vi lượng không khí liền kề với màng. Đầu tiên, nó tăng lên so với áp suất khí quyển bình thường, và sau đó giảm, tuân theo các định luật toán học của chuyển động điều hòa. Biên độ của những thay đổi trong quá trình nén không khí, nghĩa là, sự chênh lệch giữa áp suất tối đa hoặc tối thiểu do sóng âm tạo ra, với áp suất khí quyển tỷ lệ với biên độ của chính sóng âm.

Nhiều thí nghiệm vật lý đã chỉ ra rằng áp suất tối đa mà tai người có thể cảm nhận được mà không gây hại cho nó là 2800 µN / cm². Để so sánh, giả sử rằng áp suất khí quyển gần bề mặt trái đất là 10 triệu µN / cm^{2. Xem xét tỷ lệ giữa áp suất và biên độ dao động, chúng ta có thể nói rằng giá trị sau là không đáng kể ngay cả đối với sóng mạnh nhất. Nếu chúng ta nói về độ dài của sóng âm, thì với tần số 1000 dao động trong một giây, nó sẽ là một phần nghìn của cm.}

Âm yếu nhất tạo ra dao động áp suất có bậc 0,001µN / cm², biên độ dao động sóng tương ứng với tần số 1000 Hz là 10^{- 9}cm, trong khi đường kính trung bình của các phân tử không khí là 10^{-8cm, tức là tai người là một cơ quan cực kỳ nhạy cảm.}

Khái niệm về cường độ của sóng âm

Với hình họcTheo quan điểm của sóng âm, nó là một dao động của một dạng nhất định, theo quan điểm vật lý, tính chất chính của sóng âm là khả năng truyền năng lượng của chúng. Ví dụ quan trọng nhất về truyền năng lượng sóng là mặt trời, có sóng điện từ được bức xạ cung cấp năng lượng cho toàn bộ hành tinh của chúng ta.

Cường độ của sóng âm trong vật lý được định nghĩa là lượng năng lượng do sóng truyền qua một bề mặt đơn vị, vuông góc với phương truyền của sóng và trên một đơn vị thời gian. Tóm lại, cường độ của sóng là công suất của nó được truyền qua một đơn vị diện tích.

Độ mạnh của sóng âm thường được đo bằng decibel, dựa trên thang logarit, thuận tiện cho việc phân tích kết quả trong thực tế.

Cường độ của các âm thanh khác nhau

Thang đo decibel sau đây cho biết ý nghĩa của các cường độ âm thanh khác nhau và cảm giác mà nó gây ra:

ngưỡng cho cảm giác khó chịu và không thoải mái bắt đầu từ 120 decibel (dB);
búa tán đinh tạo ra tiếng ồn 95 dB;
tàu cao tốc - 90 dB;
đường giao thông - 70 dB;
âm lượng của một cuộc trò chuyện bình thường giữa mọi người là 65 dB;
Xe hiện đại di chuyển với tốc độ vừa phải tạo ra tiếng ồn 50 dB;
âm lượng radio trung bình - 40 dB;
cuộc trò chuyện yên tĩnh - 20 dB;
tiếng ồn của tán lá cây - 10 dB;
Ngưỡng độ nhạy âm thanh tối thiểu của con người là gần 0 dB.

Độ nhạy của tai người phụ thuộc vàotần số của âm và là giá trị cực đại của sóng âm có tần số 2000-3000 Hz. Đối với âm thanh trong dải tần này, ngưỡng nhạy cảm thấp hơn của con người là 10-5dB. Các tần số cao hơn và thấp hơn khoảng thời gian xác định dẫn đến sự gia tăng ngưỡng độ nhạy thấp hơn theo cách mà một người chỉ nghe thấy các tần số gần 20 Hz và 20.000 Hz ở cường độ của chúng vài chục dB.

Đối với ngưỡng cường độ trên, sau đó âm thanh bắt đầu gây ra sự bất tiện cho một người và thậm chí gây đau đớn, cần phải nói rằng nó thực tế không phụ thuộc vào tần số và nằm trong khoảng 110-130 dB.

Đặc điểm hình học của sóng âm

Sóng âm thực là một gói dao động phức tạp của sóng dọc, có thể bị phân hủy thành dao động điều hòa đơn giản. Mỗi dao động như vậy được mô tả theo quan điểm hình học bởi các đặc điểm sau:

Biên độ - độ lệch lớn nhất của mỗi phần của sóng so với trạng thái cân bằng. Đối với giá trị này, ký hiệu A.
Kỳ. Đây là thời gian cần thiết để một sóng đơn giản hoàn thành dao động hoàn chỉnh của nó. Sau thời gian này, mỗi điểm trên sóng bắt đầu lặp lại quá trình dao động của nó. Chu kỳ thường được ký hiệu bằng chữ T và được đo bằng giây trong hệ SI.
Tần suất. Đây là một đại lượng vật lý cho biết một sóng nhất định tạo ra bao nhiêu dao động trong một giây. Nghĩa là, theo nghĩa của nó, nó là một giá trị nghịch đảo với chu kỳ. Nó được ký hiệu bằng chữ cái Latinh f. Đối với tần số của sóng âm, công thức xác định tần số của nó qua một chu kỳ như sau: f=1 / T.
Chiều dài của sóng là quãng đường nó đi được trong một chu kỳ dao động. Về mặt hình học, bước sóng là khoảng cách giữa hai cực đại gần nhất hoặc hai cực tiểu gần nhất trên một đường cong hình sin. Độ dài dao động của sóng âm là khoảng cách giữa những vùng gần nhất bị nén khí hoặc những nơi hiếm nhất của nó trong không gian mà sóng chuyển động. Nó thường được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp λ.
Tốc độ truyền sóng âm là khoảng cách mà vùng nén hoặc vùng hiếm của sóng truyền trên một đơn vị thời gian. Giá trị này được ký hiệu bằng chữ v. Đối với tốc độ của sóng âm, công thức là: v=λf.

Dạng hình học của sóng âm thuần, tức là sóng có độ tinh khiết không đổi, tuân theo định luật hình sin. Trong trường hợp tổng quát, công thức của sóng âm là: y=Asin (ωt), trong đó y là giá trị tọa độ của một điểm nhất định của sóng, t là thời gian, ω=2pif là tần số dao động tuần hoàn.

Âm thanh sống động

Nhiều nguồn âm thanh có thể được coi là tuần hoàn, ví dụ, âm thanh từ các nhạc cụ như guitar, piano, sáo, nhưng cũng có một số lượng lớn âm thanh về bản chất là không theo chu kỳ, tức là các dao động âm thanh thay đổi. tần số và hình dạng của chúng trong không gian. Về mặt kỹ thuật, loại âm thanh này được gọi là tiếng ồn. sáng chóiví dụ về âm thanh không theo chu kỳ là tiếng ồn đô thị, âm thanh của biển, âm thanh từ các nhạc cụ gõ, chẳng hạn như trống và các loại khác.

Phương tiện truyền âm

Không giống như bức xạ điện từ, mà các photon của chúng không cần bất kỳ phương tiện vật chất nào cho sự lan truyền của chúng, bản chất của âm thanh là cần một môi trường nhất định cho sự lan truyền của nó, tức là, theo định luật vật lý, sóng âm không thể truyền trong chân không.

Âm thanh có thể truyền qua chất khí, chất lỏng và chất rắn. Các đặc điểm chính của sóng âm truyền trong môi trường như sau:

sóng truyền tuyến tính;
nó lan truyền đồng đều theo mọi hướng trong một môi trường đồng nhất, tức là âm thanh tách ra khỏi nguồn, tạo thành một bề mặt hình cầu hoàn hảo.
bất kể biên độ và tần số của âm thanh là bao nhiêu, sóng của nó truyền với tốc độ như nhau trong một môi trường nhất định.

Tốc độ của sóng âm thanh trong nhiều phương tiện khác nhau

Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào hai yếu tố chính: môi trường truyền sóng và nhiệt độ. Nói chung, quy tắc sau được áp dụng: môi trường càng đặc và nhiệt độ của nó càng cao, âm thanh di chuyển trong đó càng nhanh.

Ví dụ, tốc độ lan truyền của sóng âm trong không khí gần bề mặt trái đất ở nhiệt độ 20 ℃ và độ ẩm 50% là 1235 km / h hoặc 343 m / s. Trong nước ở nhiệt độ nhất định, âm thanh truyền nhanh hơn 4,5 lần, sau đócó tốc độ khoảng 5735 km / h hoặc 1600 m / s. Đối với sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào nhiệt độ trong không khí, nó tăng 0,6 m / s khi nhiệt độ tăng lên mỗi độ C.

Âm sắc và giai điệu

Nếu một sợi dây hoặc tấm kim loại được phép dao động tự do, nó sẽ tạo ra âm thanh có tần số khác nhau. Rất hiếm khi tìm thấy một vật thể phát ra âm thanh với một tần số cụ thể, thường thì âm thanh của một vật thể có một tập hợp các tần số trong một khoảng thời gian nhất định.

Âm sắc của âm thanh được xác định bởi số lượng hài có trong nó và cường độ tương ứng của chúng. Âm sắc là một giá trị chủ quan, đó là sự cảm nhận về một đối tượng âm thanh của một người cụ thể. Âm sắc thường được đặc trưng bởi các tính từ sau: cao, rực rỡ, sâu lắng, du dương, v.v.

Giai điệu là một cảm giác âm thanh cho phép nó được phân loại là cao hoặc thấp. Giá trị này cũng mang tính chủ quan và không thể đo lường bằng bất kỳ công cụ nào. Giai điệu được liên kết với một đại lượng khách quan - tần số của sóng âm, nhưng không có mối quan hệ rõ ràng nào giữa chúng. Ví dụ, đối với âm thanh đơn tần có cường độ không đổi, âm tăng lên khi tần số tăng. Nếu tần số của âm thanh không đổi, nhưng cường độ của âm thanh tăng lên, thì âm thanh sẽ trở nên thấp hơn.

Hình dạng của nguồn âm thanh

Theo hình dạng của cơ thể dao động cơ học và do đó tạo ra âm thanh, có ba loại nguồn sóng âm chính:

Nguồn điểm. Nó tạo ra sóng âm có dạng hình cầu và phân rã nhanh chóng theo khoảng cách từ nguồn (xấp xỉ 6dB nếu khoảng cách từ nguồn tăng gấp đôi).
Nguồn dòng. Nó tạo ra sóng hình trụ có cường độ giảm chậm hơn so với từ nguồn điểm (cứ mỗi lần tăng gấp đôi khoảng cách từ nguồn thì cường độ giảm 3 dB).
Nguồn phẳng hoặc hai chiều. Nó chỉ tạo ra sóng theo một hướng nhất định. Một ví dụ về nguồn như vậy sẽ là một piston chuyển động trong một xi lanh.

Nguồn âm thanh điện tử

Để tạo ra sóng âm, các nguồn điện tử sử dụng một màng đặc biệt (loa), màng này thực hiện các dao động cơ học do hiện tượng cảm ứng điện từ. Những nguồn này bao gồm những điều sau: