Ses dalgası, gaz, sıvı ve katı ortamlarda meydana gelen ve insan işitme organlarına ulaştığında onlar tarafından ses olarak algılanan bir dalga sürecidir. Bu dalgaların frekansı saniyede 20 ila 20.000 salınım aralığındadır. Bir ses dalgası için formüller veriyoruz ve özelliklerini daha ayrıntılı olarak ele alıyoruz.
Neden bir ses dalgası var?
Birçok insan ses dalgasının ne olduğunu merak eder. Sesin doğası, elastik bir ortamda pertürbasyonun meydana gelmesinde yatar. Örneğin, belirli bir hacimdeki havada sıkıştırma şeklinde bir basınç bozulması meydana geldiğinde, bu alan uzayda yayılma eğilimi gösterir. Bu süreç, kaynağa bitişik alanlarda havanın sıkıştırılmasına ve bu da genişlemeye eğilimli olmasına yol açar. Bu süreç, örneğin insan kulağı gibi bir alıcıya ulaşana kadar alanın giderek daha fazlasını kaplar.
Ses dalgalarının genel özellikleri
Ses dalgasının ne olduğunu ve insan kulağı tarafından nasıl algılandığını düşünelim. Ses dalgasıboyunadır, kulak kabuğuna girdiğinde belirli bir frekans ve genlikte kulak zarının titreşimlerine neden olur. Bu dalgalanmaları, zara bitişik havanın mikro hacmindeki periyodik basınç değişiklikleri olarak da gösterebilirsiniz. İlk olarak, normal atmosfer basıncına göre artar ve ardından harmonik hareketin matematiksel yasalarına uyarak azalır. Hava sıkıştırmasındaki değişikliklerin genliği, yani bir ses dalgasının oluşturduğu maksimum veya minimum basınç ile atmosfer basıncı arasındaki fark, ses dalgasının kendisinin genliği ile orantılıdır.
Birçok fiziksel deney, insan kulağının zarar vermeden algılayabileceği maksimum basıncın 2800 µN/cm2 olduğunu göstermiştir. Karşılaştırma için, dünya yüzeyine yakın atmosfer basıncının 10 milyon µN/cm2 olduğunu varsayalım. Basınç ve salınım genliğinin orantılılığı göz önüne alındığında, ikinci değerin en güçlü dalgalar için bile önemsiz olduğunu söyleyebiliriz. Bir ses dalgasının uzunluğundan bahsedersek, saniyede 1000 titreşimlik bir frekans için bu, santimetrenin binde biri olacaktır.
En zayıf sesler, 0.001µN/cm2 düzeyinde basınç dalgalanmaları yaratır, 1000 Hz'lik bir frekans için karşılık gelen dalga salınım genliği 10- 9 cm, hava moleküllerinin ortalama çapı 10-8 cm iken, yani insan kulağı son derece hassas bir organdır.
Ses dalgalarının yoğunluğu kavramı
GeometrikBir ses dalgası açısından, belirli bir formun titreşimidir, fiziksel açıdan ses dalgalarının ana özelliği, enerji aktarma yetenekleridir. Dalga enerjisi transferinin en önemli örneği, yayılan elektromanyetik dalgaları tüm gezegenimize enerji sağlayan güneştir.
Fizikte bir ses dalgasının yoğunluğu, bir dalga tarafından birim zamanda ve dalganın yayılmasına dik olan birim yüzey boyunca taşınan enerji miktarı olarak tanımlanır. Kısacası, bir dalganın yoğunluğu, birim alandan aktarılan gücüdür.
Ses dalgalarının gücü genellikle sonuçların pratik analizi için uygun olan logaritmik bir ölçeğe dayanan desibel cinsinden ölçülür.
Çeşitli seslerin yoğunluğu
Aşağıdaki desibel ölçeği, farklı ses yoğunluklarının anlamı ve neden olduğu duyumlar hakkında bir fikir verir:
- Hoş olmayan ve rahatsız edici duyumlar için eşik 120 desibelden (dB) başlar;
- Perçin çekici 95 dB gürültü üretir;
- hızlı tren - 90 dB;
- trafik caddesi - 70 dB;
- insanlar arasındaki normal bir konuşmanın hacmi 65 dB'dir;
- Orta hızlarda hareket eden modern araba 50 dB gürültü üretir;
- ortalama radyo ses düzeyi - 40 dB;
- sessiz konuşma - 20 dB;
- ağaç yapraklarının gürültüsü - 10 dB;
- Minimum insan sesi duyarlılığı eşiği 0 dB'ye yakındır.
İnsan kulağının hassasiyeti şunlara bağlıdır:2000-3000 Hz frekanslı ses dalgaları için maksimum değerdir. Bu frekans aralığındaki bir ses için, insan duyarlılığının alt eşiği 10-5 dB'dir. Belirtilen aralıktan daha yüksek ve daha düşük frekanslar, bir kişinin 20 Hz ve 20.000 Hz'ye yakın frekansları yalnızca onlarca dB'lik yoğunluklarında duyacağı şekilde düşük hassasiyet eşiğinde bir artışa yol açar.
Yoğunluğun üst eşiğine gelince, sesin bir kişi için rahatsızlığa ve hatta acıya neden olmaya başladığı, pratik olarak frekansa bağlı olmadığı ve 110-130 dB aralığında olduğu söylenmelidir..
Ses dalgasının geometrik özellikleri
Gerçek bir ses dalgası, basit harmonik titreşimlere ayrıştırılabilen, boyuna dalgalardan oluşan karmaşık bir salınım paketidir. Bu tür salınımların her biri, geometrik bir bakış açısından aşağıdaki özelliklerle tanımlanır:
- Genlik - dalganın her bölümünün dengeden maksimum sapması. Bu değer için, atama A.
- Dönem. Bu, basit bir dalganın tam salınımını tamamlaması için geçen süredir. Bu süreden sonra dalganın her noktası salınım sürecini tekrarlamaya başlar. Periyot genellikle T harfi ile gösterilir ve SI sisteminde saniye olarak ölçülür.
- Sıklık. Bu, belirli bir dalganın saniyede kaç salınım yaptığını gösteren fiziksel bir niceliktir. Yani kendi anlamında dönemin tersi bir değerdir. Latince f harfi ile gösterilir. Bir ses dalgasının frekansı için, bunu bir periyot boyunca belirleme formülü aşağıdaki gibidir: f=1/T.
- Bir dalganın uzunluğu, bir salınım periyodunda kat ettiği mesafedir. Geometrik olarak dalga boyu, sinüzoidal bir eğri üzerinde en yakın iki maksimum veya en yakın iki minimum arasındaki mesafedir. Bir ses dalgasının salınım uzunluğu, en yakın hava sıkıştırma alanları veya dalganın hareket ettiği boşluktaki seyrekleşmesinin en yakın yerleri arasındaki mesafedir. Genellikle Yunan harfi λ. ile gösterilir.
- Ses dalgası yayılma hızı, sıkıştırma alanının veya dalganın seyreklik alanının birim zaman başına yayıldığı mesafedir. Bu değer v harfi ile gösterilir. Bir ses dalgasının hızı için formül: v=λf.
Saf ses dalgasının geometrisi, yani sabit saflık dalgası, sinüsoidal bir yasaya uyar. Genel durumda, bir ses dalgasının formülü şöyledir: y=Asin(ωt), burada y, dalganın belirli bir noktasının koordinatının değeridir, t zamandır, ω=2pif döngüsel salınım frekansı.
Periyodik olmayan ses
Birçok ses kaynağı periyodik olarak kabul edilebilir, örneğin gitar, piyano, flüt gibi müzik aletlerinden gelen ses, ancak doğada periyodik olmayan çok sayıda ses de vardır, yani ses titreşimleri değişir uzaydaki frekansları ve şekilleri. Teknik olarak bu tür seslere gürültü denir. parlakaperiyodik ses örnekleri kentsel gürültü, denizin sesi, davul gibi vurmalı çalgılardan gelen sesler ve diğerleridir.
Ses yayılım ortamı
Fotonlarının yayılması için herhangi bir maddi ortama ihtiyaç duymayan elektromanyetik radyasyonun aksine, sesin doğası öyledir ki, yayılması için belirli bir ortama ihtiyaç vardır, yani fizik yasalarına göre ses dalgaları olamaz. boşlukta yayılır.
Ses gazlarda, sıvılarda ve katılarda yayılabilir. Bir ortamda yayılan bir ses dalgasının temel özellikleri şunlardır:
- dalga doğrusal olarak yayılır;
- homojen bir ortamda her yöne eşit olarak yayılır, yani ses kaynaktan uzaklaşarak mükemmel bir küresel yüzey oluşturur.
- Sesin genliği ve frekansından bağımsız olarak, dalgaları belirli bir ortamda aynı hızda yayılır.
Çeşitli ortamlarda ses dalgalarının hızı
Sesin yayılma hızı iki ana faktöre bağlıdır: dalganın hareket ettiği ortam ve sıcaklık. Genel olarak şu kural geçerlidir: ortam ne kadar yoğunsa ve sıcaklığı ne kadar yüksekse, ses içinde o kadar hızlı hareket eder.
Örneğin, 20 ℃ sıcaklıkta ve %50 nemde dünya yüzeyine yakın havada bir ses dalgasının yayılma hızı 1235 km/sa veya 343 m/s'dir. Belirli bir sıcaklıktaki suda ses 4,5 kat daha hızlı yayılır.yaklaşık 5735 km/s veya 1600 m/s var. Ses hızının havadaki sıcaklığa bağımlılığına gelince, her santigrat derece için sıcaklıktaki artışla 0,6 m / s artar.
Tını ve ton
Bir tel veya metal plakanın serbestçe titreşmesine izin verilirse, farklı frekanslarda sesler üretecektir. Belirli bir frekansta ses çıkaran bir vücut bulmak çok nadirdir, genellikle bir nesnenin sesi belirli bir aralıkta bir dizi frekansa sahiptir.
Bir sesin tınısı, içinde bulunan harmoniklerin sayısı ve bunların yoğunlukları ile belirlenir. Tını, öznel bir değerdir, yani belirli bir kişi tarafından ses çıkaran bir nesnenin algılanmasıdır. Tını genellikle şu sıfatlarla tanımlanır: yüksek, parlak, sesli, melodik vb.
Ton, yüksek veya düşük olarak sınıflandırılmasını sağlayan bir ses duyumudur. Bu değer de subjektiftir ve herhangi bir aletle ölçülemez. Ton, nesnel bir miktarla ilişkilidir - bir ses dalgasının frekansı, ancak aralarında kesin bir ilişki yoktur. Örneğin, sabit yoğunluklu tek frekanslı bir ses için, frekans arttıkça ton da yükselir. Sesin frekansı sabit kalır, ancak yoğunluğu artarsa, ton düşer.
Ses kaynaklarının şekli
Mekanik olarak titreşen ve dolayısıyla ses üreten vücudun şekline göre, üç ana ses dalgası kaynağı türü vardır:
- Nokta kaynağı. Küresel şekilli ses dalgaları üretir ve kaynaktan uzaklaştıkça hızla azalır (kaynağa olan mesafe iki katına çıkarsa yaklaşık 6dB).
- Hat kaynağı. Yoğunluğu bir nokta kaynaktan daha yavaş azalan silindirik dalgalar oluşturur (kaynağa olan mesafenin her iki katına çıkması için yoğunluk 3 dB azalır).
- Düz veya iki boyutlu bir kaynak. Sadece belirli bir yönde dalgalar üretir. Böyle bir kaynağa bir örnek, silindir içinde hareket eden bir piston olabilir.
Elektronik ses kaynakları
Bir ses dalgası oluşturmak için elektronik kaynaklar, elektromanyetik indüksiyon olgusu nedeniyle mekanik titreşimler gerçekleştiren özel bir zar (hoparlör) kullanır. Bu kaynaklar şunları içerir:
- çeşitli diskler için oynatıcılar (CD, DVD ve diğerleri);
- kaset kaydediciler;
- radyolar;
- TV'ler ve diğerleri.
