Hang

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. október 31-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 4 szerkesztést igényelnek .

A hang  egy fizikai jelenség , amely rugalmas hullámok terjedése gáznemű, folyékony vagy szilárd közegben . Szűk értelemben a hang ezekre a hullámokra utal, azzal összefüggésben, hogy az emberek vagy állatok érzékszervei hogyan érzékelik őket [1] .

A hangforrás olyan test lehet, amely egy bizonyos törvény szerint mechanikai rezgéseket hajt végre.

Általában a hang különböző frekvenciájú hullámok gyűjteménye . Az intenzitás eloszlása ​​a frekvenciákon egyenletes (folyamatos) vagy kifejezett maximumokkal (diszkrét). Az egyszerűsítés kedvéért gyakran összpontosítson egy adott frekvencia egy hullámára.

Egy hétköznapi ember képes hallani a hangrezgéseket a 16-20  Hz és 15-20 kHz közötti frekvenciatartományban [2] . Az emberi hallástartomány alatti hangot infrahangnak nevezzük ; magasabb: 1 GHz-ig - ultrahanggal , 1 GHz-től - hiperhanggal .

Az első közelítésben a hang hangerejét a hullám amplitúdója , a hangot , a hang magasságát pedig a frekvencia szabja meg . Pontosabban, a hangerő komplex módon függ az effektív hangnyomástól, frekvenciától és üzemmód alakjától, míg a hangmagasság nem csak a frekvenciától, hanem a hangnyomás nagyságától is.

A hallható hangok közül kiemelkednek a fonetikai, beszédhangok és fonémák (amelyek közül a szóbeli beszéd ) és a zenei hangok (amelyekből a zene áll ). A zenei hangok nem egy, hanem több hangot (fix frekvenciájú hullámokat ) és néha zajkomponenseket tartalmaznak széles akusztikus tartományban.

A hang fogalma

A hanghullámok példaként szolgálhatnak egy oszcillációs folyamatra . Bármilyen ingadozás a rendszer egyensúlyi állapotának megsértésével jár, és jellemzőinek az egyensúlyi értékektől való eltérésében fejeződik ki, majd az eredeti értékhez való visszatéréssel. Hangrezgések esetén ilyen jellemző a közeg egy pontjában kialakuló nyomás , eltérése pedig a hangnyomás .

Ha egy rugalmas közeg részecskéit élesen elmozdítja egy helyen, például egy dugattyú segítségével, akkor ezen a helyen a nyomás megnő. A részecskék rugalmas kötéseinek köszönhetően a nyomás átkerül a szomszédos részecskékre, amelyek viszont a következő részecskékre hatnak, és a megnövekedett nyomás területe rugalmas közegben mozog. A nagynyomású területet az alacsony nyomású terület követi, így váltakozó kompressziós és ritkulási területek sora jön létre, amelyek hullám formájában terjednek a közegben. Ebben az esetben a rugalmas közeg minden részecskéje oszcillálni fog.

részletesebb információkat

Rugalmas közeg részecskéinek rezgő mozgásának sebességét - az oszcillációs sebességet - m/s-ban vagy cm/s-ban mérjük. Ami az energiát illeti, a valódi oszcillációs rendszereket az energia változása jellemzi, amely a súrlódási erők és a környező térbe irányuló sugárzás elleni munkára fordított részleges ráfordítás miatt következik be. Rugalmas közegben az oszcillációk fokozatosan csökkennek. A csillapított rezgések jellemzésére csillapítási tényezőt (S) , logaritmikus csökkenést (D) és minőségi tényezőt (Q) használnak.

A csillapítási tényező azt a sebességet tükrözi, amellyel az amplitúdó idővel csökken. Ha azt az időt jelöljük, amely alatt az amplitúdó e = 2,718-szorosára csökken , akkor:

.

Az amplitúdó egy ciklus alatti csökkenését logaritmikus csökkenés jellemzi. A logaritmikus csökkenés egyenlő az oszcillációs periódus és a csillapítási idő arányával :

Ha egy oszcillációs rendszerre periodikus erő veszteséggel hat, akkor kényszer rezgések lépnek fel , amelyek természete bizonyos mértékig megismétli a külső erő változásait. A kényszerrezgések gyakorisága nem függ az oszcillációs rendszer paramétereitől. Éppen ellenkezőleg, az amplitúdó a rendszer tömegétől, mechanikai ellenállásától és rugalmasságától függ. Az ilyen jelenséget, amikor a rezgési sebesség amplitúdója eléri a maximális értéket, mechanikai rezonanciának nevezzük. Ebben az esetben a kényszerrezgések gyakorisága egybeesik a mechanikai rendszer természetes csillapítatlan rezgésének frekvenciájával.

A rezonánsnál jóval alacsonyabb expozíciós frekvenciákon a külső harmonikus erőt szinte kizárólag a rugalmas erő egyensúlyozza ki. A rezonánshoz közeli gerjesztési frekvenciákon a súrlódási erők játsszák a főszerepet. Feltéve, hogy a külső hatás frekvenciája sokkal nagyobb, mint a rezonánsé, az oszcillációs rendszer viselkedése a tehetetlenségi erőtől vagy a tömegtől függ.

A közeg azon tulajdonságát, hogy akusztikus energiát vezet, beleértve az ultrahangenergiát is, az akusztikus ellenállás jellemzi. A közeg akusztikus ellenállását a hangsűrűség és az ultrahanghullámok térfogatsebessége arányában fejezzük ki. Egy közeg fajlagos akusztikai ellenállását a közegben lévő hangnyomás amplitúdójának és a részecskéi rezgési sebességének amplitúdójának aránya határozza meg. Minél nagyobb az akusztikus ellenállás, annál nagyobb a közeg kompressziós és ritkítási foka a közeg részecskéinek adott amplitúdója mellett. Számszerűen a közeg fajlagos akusztikai ellenállását (Z) a közeg sűrűségének ( ) és a benne lévő hanghullámok terjedési sebességének (s) szorzataként találjuk meg.

A fajlagos akusztikus impedanciát pascal másodpercben mérik méterenként ( Pa s/m) vagy dyne•s/cm³-ben (CGS); 1 Pa s/m = 10 −1 dyne • s/cm³.

Egy közeg fajlagos akusztikus impedanciáját gyakran g/s cm²-ben fejezik ki, 1 g/s cm² = 1 dyn·s/cm³. A közeg akusztikai ellenállását az ultrahanghullámok abszorpciója, fénytörése és visszaverődése határozza meg.

A hang- vagy akusztikus nyomás egy közegben a közeg egy adott pontján a pillanatnyi nyomásérték különbsége a hangrezgések jelenlétében és a statikus nyomás között ugyanazon a ponton ezek hiányában. Más szóval, a hangnyomás a közegben az akusztikus rezgések miatt változó nyomás. A változó akusztikus nyomás (nyomásamplitúdó) maximális értéke a részecske oszcillációs amplitúdójából számítható ki:

ahol P a legnagyobb akusztikus nyomás (nyomásamplitúdó);

Fél hullámhossz (λ/2) távolságban a hangnyomás értéke pozitívról negatívra változik. A nyomáskülönbség két ponton a maximális és minimális értékekkel (egymástól λ/2 távolságra a hullámterjedés iránya mentén) egyenlő 2Р.

A pascal (Pa) a hangnyomás SI- egységben való kifejezésére szolgál , amely egy newton per négyzetméter (N/m²) nyomással egyenlő. A hangnyomást a CGS rendszerben dynes/cm²-ben mérik; 1 dyne/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². A feltüntetett mértékegységek mellett gyakran használnak nem szisztémás nyomásmérő egységeket - atmoszféra (atm) és műszaki atmoszféra (at), míg 1 at = 0,98⋅10 6 dyn / cm² = 0,98⋅10 5 N / m². Néha rúdnak vagy mikrobárnak (akusztikus rúdnak) nevezett egységet használnak; 1 bar = 106 dynes /cm².

A hullámterjedés során a közeg részecskéire kifejtett nyomás rugalmas és tehetetlenségi erők hatásának eredménye. Ez utóbbiakat gyorsulások okozzák , amelyek nagysága is növekszik egy időszak alatt nulláról maximumra (a gyorsulás amplitúdóértéke). Ezenkívül az időszak alatt a gyorsulás előjelét változtatja.

A gyorsulás és a nyomás maximális értékei, amelyek a közegben az ultrahanghullámok áthaladása során keletkeznek, időben nem esnek egybe egy adott részecske esetében. Abban a pillanatban, amikor a gyorsuláskülönbség eléri a maximumot, a nyomáskülönbség nullával egyenlő. Az (a) gyorsulás amplitúdóértékét a következő kifejezés határozza meg:

Ha az utazó ultrahanghullámok ütköznek egy akadályba, az nem csak változó nyomást, hanem állandó nyomást is tapasztal. Az ultrahanghullámok áthaladása során fellépő közeg megvastagodása és ritkulása további nyomásváltozásokat idéz elő a közegben az azt körülvevő külső nyomáshoz képest. Ezt a további külső nyomást sugárzási nyomásnak (sugárzási nyomásnak) nevezik. Ez az oka annak, hogy amikor az ultrahanghullámok áthaladnak a folyadék és a levegő határán, folyadékszökők képződnek, és egyedi cseppek válnak le a felszínről. Ezt a mechanizmust gyógyászati ​​anyagok aeroszoljainak képzésében alkalmazták. A sugárzási nyomást gyakran használják az ultrahangos rezgések erejének mérésére speciális mérőeszközökben - ultrahangos mérlegekben.

Folyékony és gáznemű közegben, ahol nincs jelentős sűrűségingadozás, az akusztikus hullámok longitudinális jellegűek, vagyis a részecskék rezgésének iránya egybeesik a hullámmozgás irányával. Szilárd testekben a hosszanti alakváltozások mellett rugalmas nyírási alakváltozások is előfordulnak, amelyek keresztirányú (nyíró) hullámok gerjesztését okozzák; ebben az esetben a részecskék a hullámterjedés irányára merőlegesen oszcillálnak ( transzverzális hullám ). A longitudinális hullámok terjedési sebessége sokkal nagyobb, mint a nyíróhullámok terjedési sebessége.

A kommunikációs eszközök filozófiájában, pszichológiájában és ökológiájában a hangot az észlelésre és gondolkodásra gyakorolt ​​hatásával összefüggésben vizsgálják (például az akusztikus térről, mint az elektronikus kommunikációs eszközök hatására létrejött térről beszélünk).

A hang fizikai paraméterei

Hangspektrum

A spektrum a hangenergia frekvenciaeloszlására utal , azaz egy függvényre, amely a vizsgált hang különböző frekvenciáinak egymáshoz viszonyított reprezentációját mutatja. Ha ez az eloszlás diszkrét, akkor a forma delta függvényeinek összegeként kerül felírásra ; ilyen esetben megadható a jelenlévő frekvenciák listája a teljes intenzitáshoz való hozzájárulásukkal együtt: és így tovább.

A zenei hangokkal kapcsolatban a „spektrum” szó helyett a „ hangszín ” fogalmát használják ugyanebben az értelemben.

Hangintenzitás

A hang intenzitása (erőssége)  egy skaláris fizikai mennyiség, amely a hangterjedés irányába átadott teljesítményt jellemzi. Figyelembe veszi a teljes frekvenciatartományt, nevezetesen . Tegyen különbséget a pillanatnyi, azaz egy adott pillanatban , és egy bizonyos időtartamra átlagolt intenzitás között.

Hang időtartama

A hang  időtartama a rugalmas hullámok forrásának rezgésének teljes időtartama másodpercekben, vagy zenében a zenei ritmus egységeiben (lásd időtartam (zene) ).

Hangsebesség

A hangsebesség a hanghullámok  terjedési sebessége közegben.

A gázokban a hangsebesség általában kisebb, mint a folyadékokban .

A hang sebessége a levegőben a hőmérséklettől függ, normál körülmények között körülbelül 340 m/s.

A hangsebesség bármely közegben a következő képlettel számítható ki:

,

ahol  a közeg adiabatikus összenyomhatósága ;  - sűrűség.

Hangerő

A hangerősség a hang erősségének (a hallásérzékelés abszolút értékének)  szubjektív észlelése . A hangerő főként a hangnyomástól , a hangrezgések amplitúdójától és frekvenciájától függ. Ezenkívül a hang hangerejét befolyásolja a spektrális összetétele, a térbeli lokalizáció, a hangszín, a hangrezgéseknek való kitettség időtartama, az emberi halláselemző egyéni érzékenysége és egyéb tényezők [3] [4] .

Hanggenerálás

Általában különféle természetű oszcilláló testeket használnak hang generálására, amelyek rezgéseket okoznak a környező levegőben. Ilyen generálásra példa lehet a hangszálak , hangszórók vagy hangvilla használata . A legtöbb hangszer ugyanezen az elven alapul. Kivételt képeznek a fúvós hangszerek , amelyekben a hang a légáramlás és a hangszer heterogenitásai közötti kölcsönhatás miatt keletkezik. Az úgynevezett hang- vagy fononlézereket koherens hang létrehozására használják [5] .

Hanggenerátorokat használnak a technikában .

Ultrahang

Magas frekvenciájú ultrahang - rugalmas hangrezgések . Az emberi fül a közegben terjedő rugalmas hullámokat körülbelül 16 Hz-20 kHz -ig terjedő frekvenciával érzékeli ; a magasabb frekvenciájú rezgések ultrahangot jelentenek (a halláson túl). Az ultrahang diagnosztika a reflexió jelenségén alapul .

Ultrahang hullámok elnyelése

Mivel a közeg, amelyben az ultrahang terjed, viszkozitással, hővezető képességgel és egyéb belső súrlódási okokkal rendelkezik, a hullámterjedés során abszorpció történik , azaz a forrástól való távolság növekedésével az ultrahang rezgések amplitúdója és energiája csökken. A közeg, amelyben az ultrahang terjed, kölcsönhatásba lép a rajta áthaladó energiával, és elnyeli annak egy részét. Az elnyelt energia túlnyomó része hővé alakul, kisebb része visszafordíthatatlan szerkezeti változásokat okoz az átadó anyagban.

Az ultrahang behatolási mélysége alatt értse meg azt a mélységet, amelynél az intenzitás felére csökken. Ez az érték fordítottan arányos az abszorpcióval: minél erősebben nyeli el a közeg az ultrahangot, annál kisebb távolságnál az ultrahang intenzitása felére csillapodik.

Ha a közegben inhomogenitások vannak, akkor hangszórás lép fel, ami jelentősen megváltoztathatja az ultrahang terjedésének egyszerű képét, és végső soron a hullám csillapítását is okozhatja az eredeti terjedési irányban.

A közegek (pl. epidermisz – dermis – fascia – izom) határfelületén az ultrahanghullámok refrakciója figyelhető meg.

Utazó és álló ultrahanghullámok

Ha az ultrahanghullámok közegben való terjedése során nem verődnek vissza, akkor haladó hullámok keletkeznek . Az energiaveszteségek következtében a közeg részecskéinek rezgőmozgásai fokozatosan lecsengenek, és minél távolabb helyezkednek el a részecskék a sugárzó felülettől, annál kisebb lesz az oszcillációjuk amplitúdója. Ha az ultrahanghullámok terjedésének útján különböző fajlagos akusztikai ellenállású szövetek vannak, akkor az ultrahanghullámok bizonyos mértékig visszaverődnek a határszakaszról. A beeső és visszavert ultrahanghullámok szuperpozíciója állóhullámokhoz vezethet . Az állóhullámok létrejöttéhez az emitter felülete és a visszaverő felület közötti távolságnak a hullámhossz felének többszörösének kell lennie.

Infrahang

Infrahang (a lat.  infra  - alul, alatt) - olyan hangrezgések, amelyek frekvenciája alacsonyabb, mint az emberi fül által érzékelt. Az infrahang frekvenciatartományának felső határa általában 16-25 Hz. Az infrahang tartomány alsó határa hagyományosan 0,001  Hz . Gyakorlatilag érdekesek lehetnek a hertz tized, sőt századrész oszcillációi, azaz tíz másodperces periódusok.

Mivel az infrahang rezgések fellépésének természete megegyezik a hallható hangéval, az infrahang ugyanazoknak a törvényeknek engedelmeskedik, és ugyanazt a matematikai apparátust használják a leírására, mint a közönséges hallható hang esetében (kivéve a hangszinttel kapcsolatos fogalmakat). . Az infrahangot a közeg gyengén nyeli el, így a forrástól jelentős távolságra terjedhet. A nagyon hosszú hullámhossz miatt a diffrakció kifejezett .

A tengerben keletkező infrahangot a legénység által elhagyott hajók megtalálásának egyik lehetséges okának nevezik [6] .

Kísérletek és bemutatók

A Rubens csövet álló hanghullámok demonstrálására használják .

A hangterjedés sebességének különbsége nyilvánvaló, ha levegő helyett héliumot lélegeznek be, és mondanak valamit, kilélegezve - a hang magasabb lesz. Ha a gáz kén-hexafluorid SF 6 , akkor a hang halkabban szól [7] . Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a gázok megközelítőleg egyformán összenyomhatók, ezért a levegőhöz képest nagyon alacsony sűrűségű héliumban a hangsebesség nő, a kén-hexafluorid pedig nagyon nagy sűrűségű. gázoknál, miközben az emberi orális rezonátor méretei változatlanok maradnak, ennek következtében a rezonanciafrekvencia megváltozik, hiszen minél nagyobb a hangsebesség, annál nagyobb a rezonanciafrekvencia más változatlan körülmények között.

A vízben zajló hangsebesség a vízben végzett ultrahangos fénydiffrakciós élményben vizualizálható . A vízben a levegőhöz képest nagyobb a hangsebesség, mivel még lényegesen nagyobb vízsűrűség mellett is (ami a hangsebesség csökkenéséhez vezethet) a víz annyira rosszul összenyomható, hogy ennek következtében a sebesség hangja még mindig többszöröse fölött van.

2014-ben bemutattak egy installációt, amely centiméteres tárgyakat hanghullámokkal emel [8] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ I. P. Golyamin. Hang // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Enciklopédia (1-2. kötet); Great Russian Encyclopedia (3-5. kötet), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  2. ↑ Pletyka - általános információ (elérhetetlen link) . Letöltve: 2010. augusztus 25. Az eredetiből archiválva : 2013. január 12.. 
  3. ↑ Sound Engineer Archive, 2000, #8 Archiválva : 2007. február 27. a Wayback Machine -nél
  4. ↑ A "Sound Engineer" magazin archívuma, 2000, #9 Archiválva : 2007. február 27.
  5. ↑ Jacob B. Khurgin. A fononlézerek szilárd alapot  kapnak  // Fizika . - 2010. - 20. évf. 3 . — 16. o .
  6. ↑ Mezentsev V. A. A miszticizmus zsákutcáin. Moszkva: Moszkvai munkás , 1987.
  7. ↑ Kén-hexafluorid hangváltás bemutató a YouTube -on
  8. ↑ Az akusztikus "erősugár" távolról vonzza a tárgyakat Archiválva : 2014. május 17. a Wayback Machine -nél // Popular Mechanics

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák