Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Lyd: Definition, typer, egenskaber og frekvenser

Lyd er rundt omkring os. Vi bruger vores lydfølelse til at navigere i vores miljø, til at kommunikere og nyde musik. Men hvad er lyd? Hvordan er det lavet, og hvordan transmitteres det fra et sted til et andet?
Hvad er lydbølger?

Lyd er en type mekanisk bølge eller en svingning af stof. En bølge er en forstyrrelse, der rejser fra et sted til et andet i et medium. Nøglen her er, at punkterne i mediet svinger på plads, mens forstyrrelsen i sig selv bevæger sig.

Overvej for eksempel en bølge udført af en mængde ved et boldspil. Fans i deres sæder fungerer som bølgemediet. Individuelt står de op, løfter deres arme og sætter sig derefter tilbage - de svinger på plads. Forstyrrelsen bevæger sig imidlertid hele vejen rundt om stadionet.

Oscillationer i et medium har en tendens til at komme i en af to sorter: Tværgående bølger svinger vinkelret i bevægelsesretningen (som med publikum ved stadion eller en bølge på en streng) og langsgående bølger svinger parallelt med kørselsretningen.

Lydbølger er langsgående bølger. Når en lydbølge forplanter sig gennem et medium, såsom luft, gør det det ved at få luftmolekylerne til at vibrere, hvilket medfører ændringer i lufttryk, hvilket resulterer i kompressioner (regioner med højt tryk) og sjældenhed (regioner med lavt tryk) i luft, mens bølgen bevæger sig.

Tænk på et legetøjsfjeder som en Slinky, der strækkes ud over et bord med en person, der holder i begge ender. Hvis en person plukker Slinky mod sig selv, sender den en langsgående bølge ned ad Slinky. Du vil se regioner i de Slinky-spiraler, der er tættere adskilt (komprimeringer) og mere løst adskilt (sjældenheder). Ethvert givet punkt i Slinky svinger frem og tilbage på plads, når forstyrrelsen bevæger sig fra den ene ende til den anden.

Igen, det er nøjagtigt, hvad der sker med lydbølger i luften, eller ethvert andet medium, for den sags skyld .
Hvordan oprettes lydbølger?

Ligesom med enhver anden bølge oprettes lydbølger ved en indledende forstyrrelse eller vibration. For eksempel vibrerer en slået gaffel med en bestemt frekvens. Når det bevæger sig, støder det ind i luftmolekylerne omkring det og komprimerer dem med jævne mellemrum.

De komprimerede regioner overfører også denne energi til deres tilstødende luftmolekyler, og forstyrrelsen bevæger sig gennem luften, indtil den når dit øre, ved hvilket punkt overfører det energi til din trommehinde, som vil vibrere med samme frekvens - og af din hjerne fortolkes som lyd.

Når du taler, vibrerer du dit strubehoved (et lille hult rør øverst på din windpipe), som igen vibrerer luften omkring den, som derefter spreder lydenergien til lytteren. Ved at sammensætte og udvide vævet i din strubehoved samt manipulere artikulatorerne i din mund (dine læber, tunge og andre mundstrukturer), kan du oprette forskellige lyde.

Alle objekter kan være lydkilder, der skaber lyd på samme måde - ved at vibrere og overføre disse vibrationer til et tilstødende medium, såsom luften.
Sound of Sound

Sound kører med en hastighed på v (lyd i tør luft) \u003d 331,4 + 0,6T hvor T c
er temperaturen i Celsius. På en standard 20 grader Celsius (68 grader Fahrenheit) dag bevæger lyden sig omkring 343,4 m /s. Det er omkring 768 miles i timen!

Lydens hastighed er forskellig i forskellige medier. For eksempel kan hastigheden, hvormed en lydbølge bevæger sig i vand, være større end 1.437 m /s; i træ er det 3.850 m /s; og i aluminium over 6.320 m /s!

Generelt bevæger lyd sig hurtigere i materialer, hvor molekylerne er tættere på hinanden. Det kører hurtigst i faste stoffer, næsthurtigst i væsker og langsomst i gasser.
Eksperiment: Måling af lydhastigheden

Du kan udføre et simpelt eksperiment for at måle lydhastigheden. For at gøre dette har du brug for en lydemitterende kilde (som kan være en indstillingsgaffel, en hånd klap eller din egen stemme) og en reflekterende overflade en kendt afstand væk fra kilden (f.eks. En solid klippevæg flere meter i foran dig eller den lukkede ende af et enkelt rør).

Forudsat at du har udstyr (og /eller reflekser hurtigt nok), der kan måle tidsforløbet mellem, når lyd udsendes, og når det vender tilbage til kilde placering via et ekko fra den reflekterende overflade, har du nok information til at bestemme hastigheden.

Tag blot to gange afstanden fra kilden til den reflekterende overflade (da lyd bevæger sig fra kilden til overfladen, og derefter tilbage igen) og divider det med tiden mellem lydemission og ekko.

Antag som et eksempel, at du råber ind i en 200 m dyb canyon og modtager et ekko tilbage på 1,14 sekunder. Lydens hastighed ville være 2 × 200 /1.14 \u003d 351 m /s.
Overskridelse af lydhastigheden

Du kender muligvis fænomenet med, at nogle fly bryder lydbarrieren. Det betyder, at flyet flyver hurtigere end lydens hastighed. I øjeblikket det overskrider denne hastighed, skaber det en lydbom.

Et fly, der kører på Mach 1
, kører med lydhastigheden. Mach 2 er dobbelt så høj som lyden og så videre. Verdens hurtigste fly var den nordamerikanske X-15, der nåede en hastighed på Mach 6,7 den 3. oktober 1967.

På land blev lydens hastighed brudt den 15. oktober 1997 af Andy Green der gik 763.035 miles i timen i en ThrustSSC-jetbil i Black Rock Desert i Nevada.
Frekvens og bølgelængde

En bølgefrekvens er antallet af svingninger, der forekommer på et givet punkt i mediet pr. sekund. Det måles i enheder af hertz (Hz), hvor 1 Hz \u003d 1 /s. Bølgelængden for en lydbølge er afstanden mellem to på hinanden følgende områder med maksimal kompression. Det måles typisk i enheder af meter (m).

Hastigheden for en lydbølge, v,
er direkte relateret til frekvens f
bølgelængde lambda via v \u003d λf
.

Lydhastigheden i et bestemt medium afhænger ikke af frekvens eller bølgelængde, men er i stedet en konstant for det pågældende medium. Frekvensen for en lydbølge matcher altid lydkildens frekvens, så den afhænger ikke af mediet eller bølgehastigheden.

Derfor er frekvenserne i to forskellige medier de samme, mens hastighederne vil være specifikke for medierne, og bølgelængderne vil variere i overensstemmelse hermed. (Høj frekvens svarer til små bølgelængder, og omvendt.)

Frekvensområder, der typisk er detekterbare af det menneskelige øre, der kører fra 64 Hz til 23 kHz, selvom folk har en tendens til at miste deres evne til at høre de højere frekvenser som de ældes. I modsætning hertil kan hunde høre hele vejen op til ca. 45 kHz (hvorfor de reagerer på hundefløjter, der er uhørlige for mennesker), katte kan høre op til 64 kHz, og marsvin kan høre hele vejen op til 150 kHz!
"I rummet kan ingen høre dig skrige"

Du har uden tvivl fundet dette citat fra 1979-filmen Alien
, og det er sandt: lyd rejser ikke i en vakuum. Dette er fordi det har brug for et medium. Der skal være noget materiale mellem lydkilden og dig for at lyden skal udbrede sig.

Så alle disse rumkampscener du ser i film med de høje eksplosioner? Helt falske! Der ville ikke være nogen lyd, fordi der ikke er noget medium, som den kan rejse igennem.
Lydintensitet og lydenergi

Lydintensitet, I
, er lydstyrken pr. Enhedsområde. SI-enheden for lydintensitet er watt /m 2, hvor I 0
\u003d 10 -12 W /m 2 betragtes som tærsklen for menneskelig hørelse. På en fælles måde er lydintensitet, hvad vi betragter som en lyds "lydstyrke".

En almindelig måde at præsentere opfattet lydstyrke på er ved at bruge decibel (dB) skalaen, hvor lydintensiteten er i decibel \u003d 10_log (I /I 0) ._

Denne skala er nyttig, fordi mennesker ikke opfatter lydstyrken lineært. Det vil sige, at en lyd med dobbelt så intensitet kan virke mere end dobbelt så høj, når den begyndte stille, og mindre end dobbelt så høj, hvis den allerede startede noget højt. Decibel-skalaen giver tal, der er mere konsistente med vores opfattelser.

Lyden af let vejrtrækningshastighed ved ca. 10 dB, mens samtalen i en restaurant er omkring 60 dB. En jetflyover på 1000 ft er omkring 100 dB. En smertefuld tordenvejr ved grænsen er 120 dB, og dine øretrommer sprænger ved 150 dB.

Energien i en lydbølge er direkte relateret til intensiteten. Intensitetsenhederne, W /m 2, er de samme som J /(sm 2) eller energi i joules pr. Sekund pr. Kvadratmeter.
Musikinstrumenter

Husk, at lydhastigheden var kun afhængig af mediet og ikke af bølgens frekvens. Dette er en god ting, for ellers ville det være en frygtelig oplevelse at lytte til en koncert, med forskellige musiknoter, der når dig ude af orden.

Forskellige lydfrekvenser svarer til forskellige tonehøjder eller musiknoter. Når en sanger synger, producerer de forskellige frekvenser ved at ændre størrelsen og formen på deres strubehoved. Musikinstrumenter er designet til at skabe lyd af rene toner typisk ved at skabe stående bølger, hvad enten det er i et rør eller et rør eller langs en streng.

Overvej et strenginstrument som en guitar. Den hyppighed, hvormed en plukket streng vibrerer, afhænger af dens massetæthed (hvor meget masse pr. Enhedslængde), spændingen i strengen (hvor tæt den holdes) og dens længde. Hvis du ser på en guitar, vil du se, at hver streng har en anden tykkelse. Stemmeknapperne på enden af håndtaget giver dig mulighed for at justere strengspændingen, og båndene giver dig steder at placere fingrene for at ændre strenglængderne, mens du spiller, så du kan oprette mange forskellige toner.

Trævind består derimod af hule rør, hvor der kan skabes stående bølger i luftkolonner (ligesom i dit strubehoved). De forskellige tonehuller på et sådant instrument giver dig mulighed for at ændre de typer af stående bølger, der kan dannes, og dermed ændre de noter, der kan spilles.

For et instrument som en trombon, kan du også justere røret længde ved at bevæge objektglasset frem og tilbage, hvilket giver mulighed for stående bølger med forskellige frekvenser og dermed forskellige toner, der kan spilles.

Slaginstrumenter, såsom trommer, er afhængige af vibrationer i en membran (såsom et trommehoved) . Meget som at plukke strengene på en guitar, når du rammer trommehovedet forskellige steder, dannes der stående bølger på membranen og skaber lyd. Hyppigheden og kvaliteten af lyden afhænger af membranens størrelse, dens tykkelse og spænding.