Ääni

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 31. lokakuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 4 muokkausta .

Ääni on fysikaalinen ilmiö , joka tarkoittaa elastisten aaltojen etenemistä kaasumaisessa, nestemäisessä tai kiinteässä väliaineessa . Suppeassa merkityksessä ääni tarkoittaa näitä aaltoja, kun tarkastellaan sitä, miten ihmisten tai eläinten aistielimet havaitsevat ne [1] .

Äänen lähde voi olla kappale, joka suorittaa mekaanisia värähtelyjä tietyn lain mukaan.

Yleisesti ottaen ääni on kokoelma eritaajuisia aaltoja . Intensiteettijakaumat taajuuksilla ovat tasaisia (jatkuva) tai korostuneilla maksimilla (diskreetti). Yksinkertaistaaksesi, keskity usein yhteen tietyn taajuuden aaltoon. $dI/df$ $f=f_{1},\,f_{2},..$

Tavallinen ihminen pystyy kuulemaan äänen värähtelyjä taajuusalueella 16-20 Hz - 15-20 kHz [2] . Ihmisen kuuloalueen alapuolella olevaa ääntä kutsutaan infraääneksi ; korkeampi: jopa 1 GHz - ultraäänellä , 1 GHz - hyperäänellä .

Ensimmäisessä approksimaatiossa äänen voimakkuuden määrää aallon amplitudi ja sävyä , äänen korkeutta, määrää taajuus. Tarkemmin sanottuna äänenvoimakkuus riippuu monimutkaisella tavalla tehokkaasta äänenpaineesta, taajuudesta ja tilan muodosta, kun taas äänenkorkeus ei riipu pelkästään taajuudesta, vaan myös äänenpaineen suuruudesta.

Kuultavista äänistä erottuvat foneettiset, puheäänet ja foneemit (joista suullinen puhe koostuu ) ja musiikilliset äänet (joista musiikki koostuu ). Musiikkiäänet eivät sisällä yhtä, vaan useita ääniä (kiinteiden taajuuksien aaltoja ) ja joskus kohinakomponentteja laajalla akustisella alueella. $f_{i}$

Äänen käsite

Ääniaallot voivat toimia esimerkkinä värähtelevästä prosessista . Kaikki heilahtelut liittyvät järjestelmän tasapainotilan rikkomiseen ja ilmaistaan sen ominaisuuksien poikkeamana tasapainoarvoista, minkä jälkeen se palaa alkuperäiseen arvoon. Äänivärähtelyille tällainen ominaisuus on paine väliaineen pisteessä ja sen poikkeama on äänenpaine .

Jos teet joustavan väliaineen hiukkasten jyrkän siirtymisen yhdessä paikassa, esimerkiksi männän avulla, paine kasvaa tässä paikassa. Hiukkasten elastisten sidosten ansiosta paine siirtyy naapurihiukkasiin, jotka puolestaan vaikuttavat seuraaviin, ja kohonneen paineen alue ikään kuin liikkuu elastisessa väliaineessa. Korkean paineen aluetta seuraa matalapainealue, ja siten muodostuu sarja vuorottelevia puristus- ja harventumisalueita, jotka etenevät väliaineessa aallon muodossa. Jokainen elastisen väliaineen hiukkanen tässä tapauksessa värähtelee.

tarkempia tietoja

Elastisen väliaineen hiukkasten värähtelevän liikkeen nopeus - värähtelynopeus - mitataan yksiköissä m/s tai cm/s. Energian suhteen todellisille värähteleville järjestelmille on ominaista energian muutos, joka johtuu sen osittaisesta kulumisesta työhön kitkavoimia ja ympäröivään tilaan tulevaa säteilyä vastaan. Elastisessa väliaineessa värähtelyt vaimentuvat vähitellen. Vaimennettujen värähtelyjen karakterisoimiseksi käytetään vaimennuskerrointa (S), logaritmista dekrementtiä (D) ja laatutekijää (Q).

Vaimennuskerroin kuvastaa nopeutta, jolla amplitudi vaimenee ajan myötä. Jos merkitsemme aikaa, jonka aikana amplitudi pienenee kertoimella e = 2,718, kautta , niin: $\tau$

S=\frac{1}{\tau}

Amplitudin laskulle yhdessä syklissä on tunnusomaista logaritminen dekrementti. Logaritminen dekrementti on yhtä suuri kuin värähtelyjakson suhde vaimennusaikaan : $\tau$

D=\frac{T}{\tau}

Jos jaksollinen voima vaikuttaa värähtelyjärjestelmään häviöin, tapahtuu pakkovärähtelyjä , joiden luonne toistaa jossain määrin ulkoisen voiman muutoksia. Pakotetun värähtelyn taajuus ei riipu värähtelyjärjestelmän parametreista. Päinvastoin, amplitudi riippuu järjestelmän massasta, mekaanisesta kestävyydestä ja joustavuudesta. Tällaista ilmiötä, kun värähtelynopeuden amplitudi saavuttaa maksimiarvon, kutsutaan mekaaniseksi resonanssiksi. Tässä tapauksessa pakotettujen värähtelyjen taajuus on sama kuin mekaanisen järjestelmän luonnollisten vaimentamattomien värähtelyjen taajuus.

Valotustaajuuksilla, jotka ovat paljon pienempiä kuin resonanssi, ulkoista harmonista voimaa tasapainottaa lähes yksinomaan elastinen voima. Herätystaajuuksilla, jotka ovat lähellä resonanssitaajuutta, kitkavoimat ovat pääroolissa. Edellyttäen, että ulkoisen toiminnan taajuus on paljon suurempi kuin resonanssin taajuus, värähtelyjärjestelmän käyttäytyminen riippuu hitausvoimasta tai massasta.

Väliaineen kyvylle johtaa akustista energiaa, mukaan lukien ultraäänienergiaa, on tunnusomaista akustinen vastus. Väliaineen akustinen vastus ilmaistaan äänen tiheyden suhteena ultraääniaaltojen äänenvoimakkuuden nopeuteen. Väliaineen ominaisakustinen vastus määräytyy väliaineen äänenpaineen amplitudin ja sen hiukkasten värähtelynopeuden amplitudin suhteella. Mitä suurempi akustinen vastus on, sitä suurempi on väliaineen puristus- ja harventumisaste väliaineen hiukkasten tietyllä värähtelyamplitudilla. Numeerisesti väliaineen ominaisakustinen vastus (Z) saadaan väliaineen tiheyden ( ) ja siinä olevien ääniaaltojen etenemisnopeuden (s) tulona. $\rho$

Z=\rho c

Ominaisakustinen impedanssi mitataan pascal sekunteina metriä kohti ( Pa s/m) tai dyne•s/cm³ (CGS); 1 Pa s/m = 10 −1 dyne • s/cm³.

Väliaineen ominaisakustinen impedanssi ilmaistaan usein yksikköinä g/s cm², 1 g/s cm² = 1 dyn·s/cm³. Väliaineen akustisen vastuksen määrää ultraääniaaltojen absorptio, taittuminen ja heijastus.

Äänen tai akustinen paine väliaineessa on ero hetkellisen paineen arvon välillä tietyssä väliaineen pisteessä äänivärähtelyjen läsnä ollessa ja staattisen paineen välillä samassa pisteessä niiden puuttuessa. Toisin sanoen äänenpaine on akustisista värähtelyistä johtuva vaihteleva paine väliaineessa. Muuttuvan akustisen paineen (paineamplitudin) maksimiarvo voidaan laskea hiukkasten värähtelyamplitudista:

P=2\pi f\rho cA

jossa P on suurin akustinen paine (paineamplitudi);

f on taajuus;
c on ultraäänen etenemisnopeus;
$\rho$ on väliaineen tiheys;
A on väliaineen hiukkasten värähtelyn amplitudi.

Puolen aallonpituuden (λ/2) etäisyydellä äänenpainearvo muuttuu positiivisesta negatiiviseksi. Paine-ero kahdessa pisteessä sen maksimi- ja minimiarvoilla (etäisyyden päässä toisistaan λ/2 aallon etenemissuunnassa) on yhtä suuri kuin 2Р.

Pascalia (Pa) käytetään ilmaisemaan äänenpaine SI- yksiköissä , mikä vastaa yhden newtonin painetta neliömetriä kohti (N/m²). Äänenpaine CGS-järjestelmässä mitataan dyneinä/cm²; 1 dyne/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Ilmoitettujen yksiköiden ohella käytetään usein ei-systeemisiä paineyksiköitä - ilmakehä (atm) ja tekninen ilmakehä (at), kun taas 1 at = 0,98⋅10 6 dyne / cm² = 0,98⋅10 5 N / m². Joskus käytetään yksikköä, jota kutsutaan baariksi tai mikrobaariksi (akustinen palkki); 1 bar = 106 dyne/cm².

Väliaineen hiukkasiin aallon etenemisen aikana kohdistuva paine on seurausta elastisten ja inertiavoimien vaikutuksesta. Jälkimmäiset johtuvat kiihtyvyydestä , joiden suuruus myös kasvaa ajanjakson aikana nollasta maksimiin (kiihtyvyyden amplitudiarvo). Lisäksi jakson aikana kiihtyvyys vaihtaa merkkiään.

Kiihtyvyyden ja paineen enimmäisarvot, jotka syntyvät väliaineessa ultraääniaaltojen kulkiessa siinä, eivät täsmää ajallisesti tietyn hiukkasen osalta. Sillä hetkellä, kun kiihtyvyysero saavuttaa maksiminsa, paine-erosta tulee nolla. Kiihtyvyyden (a) amplitudiarvo määritetään lausekkeella:

a=\omega ^{2}A=(2\pi f)^{2}A

Jos liikkuvat ultraääniaallot törmäävät esteeseen, se ei kokee vain vaihtelevaa painetta, vaan myös jatkuvaa painetta. Ultraääniaaltojen kulkiessa syntyvät väliaineen paksuuntumis- ja harventumisalueet aiheuttavat lisäpainemuutoksia väliaineeseen suhteessa sitä ympäröivään ulkoiseen paineeseen. Tätä ulkoista lisäpainetta kutsutaan säteilypaineeksi (säteilypaine). Tämä johtuu siitä, että ultraääniaaltojen kulkiessa nesteen rajan läpi ilman kanssa muodostuu nesteen lähteitä ja yksittäisiä pisaroita irtoaa pinnasta. Tätä mekanismia on käytetty lääkeaineiden aerosolien muodostamisessa. Säteilypainetta käytetään usein ultraäänivärähtelyn tehon mittaamiseen erikoismittareissa - ultraäänivaaoissa.

Nestemäisissä ja kaasumaisissa väliaineissa, joissa ei ole merkittäviä tiheyden vaihteluita, akustiset aallot ovat luonteeltaan pitkittäisiä , eli hiukkasten värähtelyn suunta on sama kuin aallon liikkeen suunta. Kiinteissä aineissa esiintyy pituussuuntaisten muodonmuutosten lisäksi myös elastisia leikkausmuodonmuutoksia, jotka aiheuttavat poikittaisten (leikkaus)aaltojen virittymisen; tässä tapauksessa hiukkaset värähtelevät kohtisuorassa aallon etenemissuuntaan nähden ( poikittaisaalto ). Pituusaaltojen etenemisnopeus on paljon suurempi kuin leikkausaaltojen etenemisnopeus.

Viestintävälineiden filosofiassa, psykologiassa ja ekologiassa ääntä tutkitaan sen vaikutuksen yhteydessä havainnointiin ja ajatteluun (puhumme esimerkiksi akustisesta tilasta sähköisten viestintävälineiden vaikutuksesta syntyneenä tilana).

Äänen fyysiset parametrit

Äänen spektri

Spektri viittaa äänienergian taajuusjakaumaan , eli funktioon, joka näyttää eri taajuuksien suhteellisen edustuksen tutkittavassa äänessä. Jos tämä jakauma on diskreetti, niin se kirjoitetaan muodon deltafunktioiden summana ; tässä tapauksessa voidaan antaa luettelo läsnä olevista taajuuksista ja niiden panoksesta kokonaisintensiteettiin: ja niin edelleen. $dI/df$ $dI/df$ $\sum I_{i}\delta (f-f_{i})$ $(f_{1},\,I_{1}),\,\,(f_{2},\,I_{2}),..$

Mitä tulee musiikillisiin ääniin, sanan "spektri" sijasta käytetään käsitettä " sävy " samassa merkityksessä.

Äänen intensiteetti

Äänen intensiteetti (voimakkuus) on skalaarinen fysikaalinen suure, joka kuvaa äänen etenemissuunnassa siirtyvää tehoa. Ottaa huomioon koko taajuusalueen, nimittäin . Erota hetkellinen, eli tietyllä hetkellä , ja intensiteetti , joka on keskiarvotettu tietyltä ajanjaksolta . $I=\int (dI/df)\,df$ $Se)$ $<I(t)>$

Äänen kesto

Äänen kesto on elastisten aaltojen lähteen värähtelyjen kokonaiskesto sekunneissa tai musiikissa musiikin rytmin yksiköissä (katso kesto (musiikki) ).

Äänen nopeus

Äänen nopeus on ääniaaltojen etenemisnopeus väliaineessa.

Kaasuissa äänen nopeus on yleensä pienempi kuin nesteissä .

Äänen nopeus ilmassa riippuu lämpötilasta ja on normaaliolosuhteissa noin 340 m/s.

Äänen nopeus missä tahansa väliaineessa lasketaan kaavalla:

c = \sqrt{\frac{1}{\beta\rho}}

missä on väliaineen adiabaattinen kokoonpuristuvuus ; - tiheys. $\beeta$ $\rho$

Äänenvoimakkuus

Äänen voimakkuus on subjektiivinen havainto äänen voimakkuudesta (audioaistin absoluuttinen arvo). Äänenvoimakkuus riippuu pääasiassa äänenpaineesta , amplitudista ja äänen värähtelytaajuudesta . Myös äänen voimakkuuteen vaikuttavat sen spektrikoostumus, sijainti tilassa, sointi, äänivärähtelylle altistumisen kesto, ihmisen kuuloanalysaattorin yksilöllinen herkkyys ja muut tekijät [3] [4] .

Äänentuotanto

Yleensä äänen tuottamiseen käytetään erilaisia värähteleviä kappaleita, jotka aiheuttavat värinää ympäröivään ilmaan. Esimerkki tällaisesta luomisesta olisi äänihuulten , kaiuttimien tai äänihaarukan käyttö . Useimmat soittimet perustuvat samaan periaatteeseen. Poikkeuksena ovat puhallinsoittimet , joissa ääni syntyy ilmavirran ja soittimen heterogeenisuuksien vuorovaikutuksesta. Niin kutsuttuja ääni- tai fononilasereita käytetään koherentin äänen luomiseen [5] .

Äänigeneraattoreita käytetään tekniikassa .

Ultraääni

Ultraääni - elastinen korkeataajuinen äänivärähtely . Ihmiskorva havaitsee väliaineessa eteneviä elastisia aaltoja taajuudella noin 16 Hz - 20 kHz ; korkeataajuiset värähtelyt edustavat ultraääntä (kuulon ulkopuolella). Ultraäänidiagnostiikka perustuu heijastusilmiöön .

Ultraääniaaltojen imeytyminen

Koska väliaineella, jossa ultraääni etenee, on viskositeetti, lämmönjohtavuus ja muut sisäisen kitkan syyt, absorptio tapahtuu aallon etenemisen aikana , eli etäisyyden lähteestä kasvaessa ultraäänivärähtelyjen amplitudi ja energia pienenevät. Väliaine, jossa ultraääni etenee, on vuorovaikutuksessa sen läpi kulkevan energian kanssa ja absorboi osan siitä. Valtaosa absorboidusta energiasta muuttuu lämmöksi, pienempi osa aiheuttaa peruuttamattomia rakennemuutoksia välittävässä aineessa.

Ultraäänen tunkeutumissyvyyden alla ymmärrä syvyys, jossa intensiteetti puolittuu. Tämä arvo on kääntäen verrannollinen absorptioon: mitä voimakkaammin väliaine absorboi ultraääntä, sitä pienemmällä etäisyydellä ultraäänen intensiteetti vaimenee puoleen.

Jos väliaineessa on epähomogeenisuuksia, tapahtuu äänen sirontaa, joka voi merkittävästi muuttaa yksinkertaista kuvaa ultraäänen etenemisestä ja lopulta myös saada aallon vaimenemaan alkuperäiseen etenemissuuntaan.

Väliaineen (esim. orvaskeden - dermis - fascia - lihasten) rajapinnassa havaitaan ultraääniaaltojen taittuminen .

Liikkuvat ja seisovat ultraääniaallot

Jos ultraääniaaltojen leviämisen aikana väliaineessa ne eivät heijastu, muodostuu liikkuvia aaltoja . Energiahäviöiden seurauksena väliaineen hiukkasten värähtelyliikkeet vaimenevat vähitellen, ja mitä kauempana hiukkaset sijaitsevat säteilevästä pinnasta, sitä pienempi on niiden värähtelyjen amplitudi. Jos ultraääniaaltojen etenemisreitillä on kudoksia, joilla on eri akustinen ominaisvastus, niin ultraääniaaltoja heijastuu jossain määrin raja-alueelta. Tulevien ja heijastuneiden ultraääniaaltojen päällekkäisyys voi johtaa seisoviin aaltoihin . Jotta seisovia aaltoja esiintyisi, etäisyyden emitteripinnasta heijastavaan pintaan on oltava puolen aallonpituuden kerrannainen.

Infraääni

Infraääni ( lat. infra - alla, alle) - äänivärähtelyt, joiden taajuudet ovat alhaisemmat kuin ihmiskorvan havaitsemat. Infraäänen taajuusalueen ylärajaksi otetaan yleensä 16-25 Hz. Infraäänialueen alarajaksi määritellään tavanomaisesti 0,001 Hz . Käytännön kiinnostavia voivat olla värähtelyt hertsin kymmenesosista ja jopa sadasosista, toisin sanoen kymmenen sekunnin jaksoilla.

Koska infraäänivärähtelyjen esiintyminen on luonteeltaan sama kuin kuultavissa oleva ääni, infraääni noudattaa samoja lakeja, ja sen kuvaamiseen käytetään samaa matemaattista laitteistoa kuin tavallista kuultavaa ääntä (paitsi äänitasoon liittyvät käsitteet) . Väliaine absorboi infraääntä heikosti, joten se voi levitä huomattavia etäisyyksiä lähteestä. Erittäin pitkän aallonpituuden vuoksi diffraktio korostuu .

Meressä syntyvää infraääntä kutsutaan yhdeksi mahdolliseksi syyksi löytää miehistön hylkäämiä aluksia [6] .

Kokeilut ja demonstraatiot

Rubens-putkea käytetään seisovien ääniaaltojen osoittamiseen .

Ero äänen etenemisnopeuksissa on ilmeinen, kun heliumia hengitetään sisään ilman sijasta, ja he sanovat jotain hengittämällä sen ulos - ääni kohoaa. Jos kaasu on rikkiheksafluoridi SF 6 , ääni kuulostaa matalammalta [7] . Tämä johtuu siitä, että kaasut ovat suunnilleen yhtä kokoonpuristuvia, joten heliumissa, jonka tiheys on erittäin alhainen verrattuna ilmaan, äänen nopeus kasvaa ja rikkiheksafluoridi vähenee erittäin suurella tiheydellä. kaasuille, vaikka ihmisen suun resonaattorin mitat pysyvät muuttumattomina, seurauksena resonanssitaajuus muuttuu, koska mitä suurempi äänen nopeus, sitä korkeampi resonanssitaajuus muissa muuttumattomissa olosuhteissa.

Äänen nopeus vedessä voidaan visualisoida kokemalla valon diffraktiota ultraäänellä vedessä . Vedessä ilmaan verrattuna äänen nopeus on suurempi, koska jopa huomattavasti suuremmalla veden tiheydellä (jonka pitäisi johtaa äänennopeuden laskuun) vesi on niin huonosti kokoonpuristuva, että sen seurauksena nopeus ääni on edelleen useita kertoja suurempi.

Vuonna 2014 esiteltiin installaatio, joka nostaa senttimetrin kokoisia esineitä ääniaaltojen avulla [8] .

Katso myös

Muistiinpanot

↑ I.P. Golyamin. Ääni // Fyysinen tietosanakirja : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M .: Neuvostoliiton Encyclopedia (osa 1-2); Great Russian Encyclopedia (vols. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ Huhu - yleistietoa (pääsemätön linkki) . Haettu 25. elokuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 12. tammikuuta 2013. (määrätön)
↑ Sound Engineer Archive, 2000, #8 Arkistoitu 27. helmikuuta 2007 Wayback Machinessa
↑ "Sound Engineer" -lehden arkisto, 2000, #9 Arkistoitu 27. helmikuuta 2007.
↑ Jacob B. Khurgin. Phonon-laserit saavat hyvän pohjan // Fysiikka . - 2010. - Vol. 3 . - s. 16 .
↑ Mezentsev V. A. Mystiikan umpikujassa. Moskova: Moskovan työntekijä , 1987.
↑ Rikkiheksafluoridin äänenmuutoksen esittely YouTubessa
↑ Akustinen "voimasäde" houkuttelee esineitä kaukaa Arkistoitu 17. toukokuuta 2014 Wayback Machinessa // Popular Mechanics

Kirjallisuus

Ääni // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : 86 osaa (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.
Radzishevsky A. Yu. Analogisen ja digitaalisen äänen perusteet. - M .: Williams , 2006. - S. 288. - ISBN 5-8459-1002-1 .

Linkit

Kuulostaa hämmästyttävältä; KS3/4-oppimisresurssi ääntä ja aaltoja varten Arkistoitu 13. maaliskuuta 2012 Wayback Machinessa (käyttää Flashia )
HyperPhysics: Sound and Hearing Arkistoitu 2. helmikuuta 2009 Wayback Machinessa
Johdatus äänen fysiikkaan arkistoitu 23. joulukuuta 2008 Wayback Machinessa
Kuulokäyrät ja online- kuulotesti Arkistoitu 21. tammikuuta 2009 Wayback Machinessa
Ääni 2000-luvulle
Ääniyksiköiden ja tasojen muunnos Arkistoitu 18. tammikuuta 2009 Wayback Machinessa
Äänilaskelmat Arkistoitu 18. tammikuuta 2009 Wayback Machinessa
Audio Check: ilmainen kokoelma äänitestejä ja testiääniä verkossa toistettavissa Arkistoitu 3. lokakuuta 2019 Wayback Machinessa
Lisää kuulostaa uskomattomilta; kuudennen luokan oppimisresurssi ääniaalloista Arkistoitu 10. helmikuuta 2019 Wayback Machinessa

Sanakirjat ja tietosanakirjat

Suuri tanskalainen
Hienoa norjalaista
Iso venäläinen
Brockhaus ja Efron
maailman ympäri
Pieni Brockhaus ja Efron
Musikaali Riemann
V. Dahl
Britannica (verkossa)
Universalis
Moderni Ukraina

Bibliografisissa luetteloissa
BNE : XX524570 BNF : 119348192 GND : 4129541-9 J9U : 987007558440305171 LCCN : sh85125363 NDL : 00568989 NKC : ph127699