Soļu skaņa uz grīdas, automašīnas rūkoņa uz ielas vai lidmašīnas dzinēja dārdoņa tālumā: tās visas ir skaņas, ko jūs varat dzirdēt, pat ja pats skaņas avots nav redzams. Skaņa ir mums visapkārt. Jūs dzirdat cilvēku balsis, putnu dziesmas, lietus šalkoņu, vēju un dažādu ierīču radītus trokšņus. Taču, kas fizikāli notiek brīdī, kad jūs kaut ko dzirdat?
Atbilde meklējama skaņas viļņos. Skaņa rodas, kad kāds objekts svārstās un šīs svārstības tiek pārnestas uz apkārtējo vidi. Izveidojies vilnis izplatās caur vidi un galu galā sasniedz jūsu ausi. Lai saprastu skaņas fizikā, vispirms jāaplūko skaņas viļņu būtība un to izplatīšanās.
Skaņas sajūta ir atkarīga no auss bungādiņas un tai sekojošo dzirdes kauliņu mehāniskajām svārstībām, ko izraisa gaisa spiediena maiņa.
Hermanis fon Helmholcs
Skaņas fizikā: kā darbojas skaņas viļņi?
Skaņas viļņi ir mehāniski viļņi, kas pārnes enerģiju caur materiālu vidi. Atšķirībā no elektromagnētiskajiem viļņiem skaņa nevar izplatīties vakuumā. Skaņas viļņi parasti ir garenviļņi: vides daļiņas svārstās aptuveni paralēli skaņas izplatīšanās virzienam. Šīs svārstības rada secīgus saspiedumus un retinājumus. Tas nozīmē, ka skaņas vilnis nepārvieto gaisu no skaņas avota līdz jūsu ausij. Tā vietā gaisa daļiņas svārstās ap savu līdzsvara stāvokli un nodod enerģiju cita citai.
Šis princips tieši sasaucas ar iepriekš aplūkoto garenviļņu darbību: svarīgākais ir salīdzināt vides daļiņu svārstību virzienu ar viļņa izplatīšanās virzienu.
Skaņas viļņi un skaņas avots
Lai rastos skaņas viļņi, nepieciešams svārstīgs skaņas avots. Tas var būt cilvēka balss aparāts, skaļruņa membrāna, mūzikas instrumenta stīga vai vibrējoša mehānisma detaļa.
Skaņas viļņi rodas, kad kāds ķermenis sāk svārstīties. Šīs svārstības rada apkārtējās vides daļiņu saspiedumus un retinājumus, kas izplatās kā skaņas vilnis.
Piemēram, skaļrunī elektriskais signāls liek membrānai ātri kustēties uz priekšu un atpakaļ. Membrānas kustība saspiež un retina apkārtējo gaisu, radot skaņas vilni. Arī runājot jūs izmantojat līdzīgu principu. Gaisa plūsma ierosina balss aparāta struktūru, tostarp balss saites, vibrēt. Šīs vibrācijas rada spiediena izmaiņas gaisā, kas izplatās kā skaņas vilnis. Tātad skaņas viļņu rašanās sākas ar svārstībām, bet skaņas uztveršana beidzas brīdī, kad šīs svārstības sasniedz dzirdes sistēmu.
Skaņas izplatīšanās: kā skaņa pārvietojas?
Skaņas izplatīšanās iespējama tikai tad, ja ir materiāla vide, kurā var notikt daļiņu svārstības. Tāpēc skaņa nevar izplatīties vakuumā.
Skaņa var izplatīties gāzēs, šķidrumos un cietvielās, taču tās izplatīšanās ātrums dažādās vidēs atšķiras. Sausā gaisā aptuveni 20 °C temperatūrā skaņas ātrums ir ap 343 m/s. Ūdenī tas ir aptuveni 1480 m/s, bet dažās cietvielās skaņa izplatās vēl ātrāk.
Precīzais skaņas ātrums ir atkarīgs no vides īpašībām un temperatūras. Cietvielās skaņas viļņi parasti izplatās ātrāk nekā šķidrumos un gāzēs, jo elastīgās mijiedarbības starp daļiņām ļauj traucējumam efektīvi pāriet no vienas daļiņas uz nākamo.
Skaņas viļņi un atbalss
Kad skaņas vilnis sastop šķērsli, piemēram, klints sienu vai tuneļa galu, daļa tā enerģijas var atstaroties. Ja atstarotā skaņa pēc pietiekami ilga laika atgriežas līdz klausītājam, jūs to uztverat kā atbalsi.
Atbalss ir labs piemērs tam, ka skaņas viļņiem piemīt tādas pašas fundamentālas viļņu īpašības kā citiem viļņiem - tie var ne tikai izplatīties, bet arī atstaroties.
Skaņas viļņi var atstaroties no šķēršļiem. Ja atstarotā skaņa līdz klausītājam nonāk ar pietiekamu aizkavi, rodas atbalss.
Kas nosaka skaņas augstumu, skaļumu un tembru?
Līdz šim noskaidrojām, ka skaņas viļņi rodas svārstību rezultātā un izplatās materiālā vidē. Taču kāpēc jūs dzirdat atšķirīga augstuma, skaļuma un rakstura skaņas?
Atbildi palīdz izprast trīs svarīgi jēdzieni skaņas fizikā: frekvence, amplitūda un tembrs.
Skaņas frekvence un skaņas augstums
Skaņas frekvence raksturo pilno svārstību skaitu vienā sekundē. To mēra hercos (Hz). Jo lielāka ir skaņas viļņa frekvence, jo augstāku skaņu jūs uztverat. Savukārt mazāka frekvence atbilst zemākai skaņai. Piemēram, ģitāras stīga, kas svārstās ar lielāku frekvenci, rada augstāku skaņu nekā stīga, kas svārstās ar mazāku frekvenci. Cilvēka dzirdes diapazonu parasti raksturo aptuveni 20 Hz līdz 20 000 Hz (20 kHz). Tomēr konkrētā cilvēka dzirdes robežas var atšķirties un ar vecumu parasti sašaurinās.
Skaņas viļņu amplitūda un skaļums
Amplitūda raksturo maksimālo novirzi no svārstību līdzsvara stāvokļa. Skaņas gadījumā lielāka viļņa amplitūda parasti nozīmē lielākas spiediena svārstības un uztverē - skaļāku skaņu. Tomēr skaļumu nevar pilnībā noteikt tikai pēc amplitūdas: cilvēka dzirdes uztvere ir atkarīga arī no skaņas frekvences un citiem akustiskiem faktoriem.
Skaņas viļņi un tembrs
Ar frekvenci un amplitūdu vien nepietiek, lai izskaidrotu, kāpēc viena un tā pati nots uz ģitāras un klavierēm skan atšķirīgi. Šo skaņas raksturu sauc par tembru. Reāls skaņas avots parasti nerada tikai vienu ideāli tīru frekvenci. Pamatfrekvencei pievienojas arī citu frekvenču komponentes jeb harmonikas. To savstarpējā attiecība veido skaņas raksturīgo spektru, ko jūs uztverat kā konkrētā instrumenta vai cilvēka balss tembru. Tāpēc vienādas frekvences un līdzīga skaļuma skaņas var skanēt atšķirīgi, ja to spektrālais sastāvs nav vienāds.
Skaņas viļņu galvenie raksturlielumi
| Raksturlielums | Ko tas raksturo? | No kā galvenokārt atkarīgs? |
|---|---|---|
| Skaņas augstums | Cik augsta vai zema šķiet skaņa | Frekvences |
| Skaļums | Cik skaļa vai klusa šķiet skaņa | Skaņas spiediena amplitūdas un dzirdes uztveres |
| Tembrs | Skaņas raksturīgo skanējumu | Spektrālā sastāva un harmonikām |
Ultraskaņa: skaņas viļņi ar ļoti augstu frekvenci
Ultraskaņa ir skaņas viļņu veids, kura frekvence pārsniedz aptuveni 20 kHz — augstāko frekvenci, ko parasti spēj uztvert cilvēka dzirde. Tātad ultraskaņa fizikāli ir tā pati mehānisko viļņu parādība, ko saucam par skaņu, tikai tās skaņas frekvence ir pārāk augsta cilvēka dzirdei.
Dažādi dzīvnieki uztver daudz augstākas frekvences nekā cilvēks. Piemēram, sikspārņi izmanto ultraskaņu orientācijai un medījuma noteikšanai, bet dažas zobvaļu sugas, tostarp delfīni, izmanto augstas frekvences skaņas eholokācijai.
Ultraskaņas pielietojums medicīnā
Viens no pazīstamākajiem ultraskaņas pielietojumiem ir medicīniskā ultrasonogrāfija jeb ultraskaņas izmeklējums. Ultraskaņas aparāts izmanto devēju, kas ķermenī raida augstas frekvences skaņas viļņus un uztver to atstarotos signālus. Kad ultraskaņas vilnis sastop robežu starp audiem ar atšķirīgām akustiskajām īpašībām, piemēram, starp muskuļaudiem un kaulaudiem, daļa enerģijas tiek atstarota.
Ierīce analizē atgriezušos signālu laiku un raksturlielumus, un dators no šīs informācijas veido ķermeņa iekšējo struktūru attēlu. Tādējādi ultrasonogrāfijas pamatā ir tas pats viļņu princips, ko jau aplūkojām, runājot par skaņas viļņu atstarošanos un atbalsi.
Ultraskaņas pielietojums ārpus medicīnas
Ultraskaņas pielietojums nav ierobežots tikai ar medicīnu. Ultraskaņu izmanto arī rūpniecībā, piemēram, materiālu iekšējo defektu noteikšanai, attāluma mērīšanai un dažādos tīrīšanas procesos. Rūpnieciskajā nesagraujošajā kontrolē ultraskaņas vilni ievada materiālā un analizē tā atstarojumus. Ja materiāla iekšienē ir plaisa vai cits defekts, no tā var atstaroties daļa ultraskaņas enerģijas, ļaujot noteikt defekta atrašanās vietu. Tas parāda, ka ultraskaņas pielietojums balstās uz tiem pašiem fundamentālajiem principiem: skaņas izplatīšanos, atstarošanos un signāla analīzi.
Secinājums
Skaņas viļņi ir mehāniski garenviļņi, kuru izplatīšanai nepieciešama materiāla vide. Skaņas raksturu nosaka vairāki fizikāli lielumi: frekvence galvenokārt nosaka skaņas augstumu, amplitūda ir saistīta ar skaņas skaļumu, bet spektrālais sastāvs veido tās tembru.
Ultraskaņa ir skaņas viļņi ar frekvenci virs aptuveni 20 kHz, tāpēc cilvēka dzirde tos parasti neuztver. Taču ultraskaņai ir plašs ultraskaņas pielietojums - no medicīniskās ultrasonogrāfijas līdz rūpnieciskai materiālu pārbaudei. Arī dabā ultraskaņu izmanto dzīvnieki, piemēram, sikspārņi un delfīni, lai orientētos un noteiktu apkārtējos objektus.
Izprotot skaņas fizikā aplūkotos principus — svārstības, frekvenci, skaņas izplatīšanos un atstarošanos - jūs varat saprast gan ikdienā dzirdamās skaņas, gan tehnoloģijas, kuru darbības pamatā ir ultraskaņa.
🔊 Skaņas viļņi un ultraskaņa - svarīgākais
- Skaņas viļņi ir mehāniski garenviļņi.
- Skaņas izplatīšanai nepieciešama materiāla vide.
- Skaņas frekvence nosaka skaņas augstumu.
- Lielāka amplitūda parasti nozīmē skaļāku skaņu.
- Ultraskaņa ir skaņas viļņi ar frekvenci virs 20 kHz.
- Ultraskaņas viļņi var atstaroties, tāpēc tos izmanto attēlu un mērījumu iegūšanai.
- Ultraskaņas pielietojums ietver medicīnu, rūpniecību un tehniskus mērījumus.
- Sikspārņi un delfīni ultraskaņu izmanto eholokācijai.
Rezumēt ar MI
Vai jums patika šis raksts? Novērtējiet rakstu!
Loading...
