Ses dalgası, belirli bir frekansın mekanik boyuna dalgasıdır. Makalede boyuna ve enine dalgaların ne olduğunu, neden her mekanik dalganın sağlam olmadığını anlayacağız. Dalganın hızını ve sesin oluştuğu frekansları öğrenin. Farklı ortamlarda sesin aynı olup olmadığını öğrenelim ve formülü kullanarak hızını nasıl bulacağımızı öğrenelim.
Dalga görünür
Bir su yüzeyi düşünelim, örneğin sakin havalarda bir gölet. Bir taş atarsanız, suyun yüzeyinde merkezden ayrılan daireler göreceğiz. Peki bir taş değil de bir top alıp onu salınım hareketine sokarsak ne olur? Daireler, topun titreşimleri tarafından sürekli olarak oluşturulacaktır. Bilgisayar animasyonunda gösterilenle yaklaşık olarak aynısını göreceğiz.
Şamandırayı toptan biraz uzağa indirirsek, o da salınım yapacaktır. Dalgalanmalar zaman içinde uzayda birbirinden ayrıldığında, bu sürece dalga denir.
Sesin özelliklerini (dalga boyu, dalga hızı vb.) incelemek için ünlü Rainbow oyuncağı veya Happy Rainbow uygundur.
Yayı uzatalım, sakinleşelim ve keskin bir şekilde aşağı yukarı sallayalım. Kaynak boyunca koşan ve sonra geri dönen bir dalganın ortaya çıktığını göreceğiz. Bu, engelden yansıdığı anlamına gelir. Dalganın zamanla yay boyunca nasıl yayıldığını gözlemledik. Yay parçacıkları dengelerine göre yukarı ve aşağı hareket etti ve dalga sağa ve sola koştu. Böyle bir dalgaya enine dalga denir. İçinde, yayılma yönü, parçacıkların salınım yönüne diktir. Bizim durumumuzda dalga yayılma ortamı bir yaydı.
Şimdi yayı uzatalım, sakinleşelim ve ileri geri çekelim. Yay bobinlerinin onun boyunca sıkıştırıldığını göreceğiz. Dalga aynı yönde ilerler. Yay bir yerde daha fazla sıkıştırılır, diğerinde daha fazla gerilir. Böyle bir dalga boyuna olarak adlandırılır. Parçacıklarının salınım yönü, yayılma yönü ile çakışmaktadır.
Yoğun bir ortam düşünelim, örneğin katı bir cisim. Keserek deforme edersek bir dalga ortaya çıkar. Sadece katılarda etki eden elastik kuvvetler nedeniyle görünecektir. Bu kuvvetler, eski haline getirme rolünü oynar ve elastik bir dalga oluşturur.
Bir sıvıyı kesme ile deforme edemezsiniz. Enine bir dalga gazlarda ve sıvılarda yayılamaz. Başka bir şey uzunlamasınadır: elastik kuvvetlerin etki ettiği tüm ortamlarda yayılır. Boyuna bir dalgada, parçacıklar birbirine yaklaşır, sonra uzaklaşır ve ortamın kendisi sıkıştırılır ve seyrekleşir.
Birçok insan sıvılarınsıkıştırılamaz, ancak durum böyle değil. Şırınganın pistonuna su ile basarsanız biraz küçülür. Gazlarda, basma-çekme deformasyonu da mümkündür. Boş bir şırınganın pistonuna basmak havayı sıkıştırır.
Hız ve dalga boyu
Yazının başında ele aldığımız animasyona dönelim. Koşullu toptan ayrılan dairelerden birinde keyfi bir nokta seçip onu takip ediyoruz. Nokta merkezden uzaklaşır. Hareket ettiği hız, dalga tepesinin hızıdır. Şu sonuca varabiliriz: dalganın özelliklerinden biri dalganın hızıdır.
Animasyon, dalganın tepelerinin aynı mesafede olduğunu gösteriyor. Bu dalga boyudur - özelliklerinden bir diğeri. Dalgalar ne kadar sık olursa, uzunlukları o kadar kısa olur.
Neden her mekanik dalga ses değildir
Bir alüminyum cetvel alın.
Şişme, bu nedenle deneyim için iyidir. Cetveli masanın kenarına koyuyoruz ve güçlü bir şekilde çıkması için elimizle bastırıyoruz. Kenarına bastırıp keskin bir şekilde serbest bırakıyoruz - serbest kısım titreşmeye başlayacak, ancak ses olmayacak. Cetveli biraz uzatırsanız, kısa kenarın titreşimi bir ses oluşturacaktır.
Bu deneyim neyi gösteriyor? Sesin yalnızca bir cisim yeterince hızlı hareket ettiğinde ortamdaki dalga hızı yüksek olduğunda ortaya çıktığını gösterir. Dalganın bir özelliğini daha tanıtalım - frekans. Bu değer vücudun saniyede kaç titreşim yaptığını gösterir. Havada bir dalga oluşturduğumuzda, belirli koşullar altında ses oluşur - yeterli olduğundayüksek frekans.
Mekanik dalgalarla ilgili olmasına rağmen sesin bir dalga olmadığını anlamak önemlidir. Ses, ses (akustik) dalgaları kulağa girdiğinde oluşan duyumdur.
Haydi cetvele geri dönelim. Büyük kısım uzatıldığında, cetvel salınım yapar ve ses çıkarmaz. Bu bir dalga yaratır mı? Elbette, ama bu mekanik bir dalga, ses dalgası değil. Şimdi bir ses dalgası tanımlayabiliriz. Bu, frekansı 20 Hz ila 20 bin Hz aralığında olan mekanik bir boyuna dalgadır. Frekans 20 Hz'den az veya 20 kHz'den fazlaysa, titreşimler olmasına rağmen duymayız.
Ses kaynağı
Salınan herhangi bir cisim akustik dalgaların kaynağı olabilir, sadece elastik bir ortama, örneğin havaya ihtiyaç duyar. Sadece katı bir cisim titreşemez, aynı zamanda sıvı ve gaz da titreşebilir. Birkaç gazın bir karışımı olarak hava, yalnızca bir yayılma ortamı olamaz - kendisi de bir akustik dalga üretebilir. Nefesli çalgıların sesinin altında yatan şey onun titreşimleridir. Flüt veya trompet titreşmiyor. Seyrekleşen ve sıkıştırılan, dalgaya belirli bir hız veren havadır, bunun sonucunda sesi duyarız.
Farklı ortamlarda ses yayma
Farklı maddelerin ses çıkardığını öğrendik: sıvı, katı, gaz. Aynı şey akustik bir dalga iletme yeteneği için de geçerlidir. Ses, vakum dışında herhangi bir elastik ortamda (sıvı, katı, gaz) yayılır. Boş bir uzayda, diyelim ki ayda titreyen bir cismin sesini duymayacağız.
İnsanlar tarafından algılanan seslerin çoğu havadadır. Balıklar, denizanaları suyun içinden uzaklaşan bir akustik dalga duyarlar. Suyun altına dalarsak, geçen bir motorlu teknenin sesini de duyarız. Ayrıca dalga boyu ve dalga hızı havadakinden daha yüksek olacaktır. Bu, motor sesinin su altına dalan bir kişi tarafından ilk duyulacak ses olacağı anlamına gelir. Aynı yerde teknesinde oturan balıkçı sesi daha sonra duyacaktır.
Katılarda ses daha da iyi yayılır ve dalga hızı daha yüksektir. Kulağınıza sert bir cisim, özellikle metal koyarsanız ve üzerine hafifçe vurursanız çok iyi duyacaksınız. Başka bir örnek kendi sesinizdir. Daha önce bir ses kayıt cihazına veya bir videoya kaydedilmiş konuşmamızı ilk duyduğumuzda, ses yabancı geliyor. Bu neden oluyor? Çünkü hayatta ağzımızdan çıkan ses titreşimlerinden çok kafatasımızın kemiklerinden geçen dalgaların titreşimleri kadar işitiyoruz. Bu engellerden yansıyan ses biraz değişiyor.
Ses hızı
Bir ses dalgasının hızı, aynı sesi düşünürsek, farklı ortamlarda farklı olacaktır. Ortam ne kadar yoğun olursa, ses kulağımıza o kadar hızlı ulaşır. Tren bizden o kadar uzağa gidebilir ki tekerleklerin sesi henüz duyulmaz. Ancak kulağınızı tırabzana koyarsanız uğultuyu net bir şekilde duyabiliriz.
Bu, ses dalgalarının katılarda havaya göre daha hızlı yayıldığını gösterir. Şekil, farklı ortamlarda sesin hızını göstermektedir.
Dalga denklemi
Hız, frekans ve dalga boyu birbirine bağlıdır. Yüksek frekansta titreşen cisimler için dalga daha kısadır. Düşük frekanslı sesler daha uzun bir dalga boyuna sahip oldukları için daha uzak mesafeden duyulabilir. İki dalga denklemi vardır. Dalga özelliklerinin birbirine bağımlılığını gösterirler. Denklemlerden herhangi iki miktarı bilerek üçüncüyü hesaplayabilirsiniz:
с=ν × λ, c hızdır, ν frekanstır, λ dalga boyudur.
İkinci akustik dalga denklemi:
s=λ / T, burada T dönemdir, yani vücudun bir salınım yaptığı zamandır.
