الموجة الصوتية هي موجة طولية ميكانيكية ذات تردد معين. في المقالة سوف نفهم ما هي الموجات الطولية والعرضية ، ولماذا لا تكون كل موجة ميكانيكية سليمة. اكتشف سرعة الموجة وترددات الصوت. دعنا نكتشف ما إذا كان الصوت هو نفسه في بيئات مختلفة ونتعلم كيفية العثور على سرعته باستخدام الصيغة.
تظهر موجة
لنتخيل سطحًا مائيًا ، على سبيل المثال بركة في طقس هادئ. إذا رميت حجرًا ، فسنرى على سطح الماء دوائر تتباعد عن المركز. وماذا سيحدث إذا لم نأخذ حجراً بل كرة ونجعلها في حركة تذبذبية؟ سيتم إنشاء الدوائر باستمرار من خلال اهتزازات الكرة. سنرى نفس الشيء تقريبًا كما هو موضح في الرسوم المتحركة للكمبيوتر.
إذا خفضنا العوامة على مسافة ما من الكرة ، فسوف تتأرجح أيضًا. عندما تتباعد التقلبات في الفضاء بمرور الوقت ، تسمى هذه العملية موجة.
لدراسة خصائص الصوت (الطول الموجي ، سرعة الموجة ، إلخ) ، لعبة قوس قزح الشهيرة ، أو Happy Rainbow ، مناسبة.
دعنا نمد الربيع ، ونتركه يهدأ ونهزه لأعلى ولأسفل بحدة. سنرى أن موجة ظهرت ، كانت تسير على طول الربيع ، ثم عادت. هذا يعني أنه ينعكس من العقبة. لاحظنا كيف انتشرت الموجة على طول الربيع بمرور الوقت. تحركت جزيئات الربيع لأعلى ولأسفل بالنسبة لتوازنها ، وكانت الموجة تسير إلى اليسار واليمين. تسمى هذه الموجة الموجة المستعرضة. في ذلك ، يكون اتجاه انتشاره عموديًا على اتجاه تذبذب الجسيمات. في حالتنا ، كان وسط انتشار الموجة نبعًا.
الآن دعونا نمتد الربيع ، دعه يهدأ واسحب ذهابًا وإيابًا. سنرى أن لفائف الزنبرك مضغوطة على طولها. تعمل الموجة في نفس الاتجاه. في أحد الأماكن يكون الزنبرك مضغوطًا بدرجة أكبر ، وفي مكان آخر يكون أكثر تمددًا. تسمى هذه الموجة الطولية. يتزامن اتجاه تذبذب جسيماتها مع اتجاه الانتشار
لنتخيل وسطًا كثيفًا ، على سبيل المثال ، جسم صلب. إذا قمنا بتشويهها بالقص ، ستنشأ موجة. سيظهر بسبب القوى المرنة التي تعمل فقط في المواد الصلبة. تلعب هذه القوى دور استعادة وتوليد موجة مرنة.
لا يمكنك تشويه السائل بالقص. لا يمكن أن تنتشر الموجة المستعرضة في الغازات والسوائل. شيء آخر طولي: ينتشر في جميع البيئات حيث تعمل القوى المرنة. في الموجة الطولية ، تقترب الجسيمات من بعضها البعض ، ثم تبتعد ، والوسط نفسه مضغوط ومخلخل.
يعتقد الكثير من الناس أن السوائلغير قابل للضغط ، لكن هذا ليس هو الحال. إذا ضغطت على مكبس المحقنة بالماء ، فسوف ينكمش قليلاً. في الغازات ، يمكن أيضًا حدوث تشوه ضغط الشد. الضغط على مكبس حقنة فارغة يضغط الهواء.
السرعة والطول الموجي
لنعد إلى الرسوم المتحركة التي نظرنا إليها في بداية المقال. نختار نقطة اعتباطية على إحدى الدوائر المتباعدة عن الكرة الشرطية ونتبعها. النقطة تبتعد عن المركز. السرعة التي يتحرك بها هي سرعة ذروة الموجة. يمكننا أن نستنتج: من خصائص الموجة سرعة الموجة
يوضح الرسم المتحرك أن قمم الموجة تقع على نفس المسافة. هذا هو الطول الموجي - سمة أخرى من خصائصه. كلما زاد تواتر الأمواج كلما كان طولها أقصر.
لماذا لا تكون كل موجة ميكانيكية سليمة
خذ مسطرة من الألومنيوم.
إنه نطاط ، لذا فهو جيد للتجربة. نضع المسطرة على حافة الطاولة ونضغط عليها بيدنا حتى تبرز بقوة. نضغط على حافته ونطلقه بحدة - سيبدأ الجزء الحر في الاهتزاز ، لكن لن يكون هناك صوت. إذا قمت بتمديد المسطرة قليلاً فقط ، فإن اهتزاز الحافة القصيرة سيحدث صوتًا.
ماذا تظهر هذه التجربة؟ يوضح أن الصوت لا يحدث إلا عندما يتحرك الجسم بسرعة كافية عندما تكون سرعة الموجة في الوسط عالية. دعونا نقدم خاصية أخرى للموجة - التردد. توضح هذه القيمة عدد الاهتزازات التي يصنعها الجسم في الثانية. عندما نخلق موجة في الهواء ، يحدث الصوت في ظل ظروف معينة - عندما يكون ذلك كافياًتردد عالي
من المهم أن نفهم أن الصوت ليس موجة ، على الرغم من ارتباطه بالموجات الميكانيكية. الصوت هو الإحساس الذي يحدث عند دخول الموجات الصوتية إلى الأذن.
دعنا نعود إلى المسطرة. عندما يتم تمديد الجزء الأكبر ، تتأرجح المسطرة ولا تصدر أي صوت. هل هذا يخلق موجة؟ بالتأكيد ، لكنها موجة ميكانيكية وليست موجة صوتية. الآن يمكننا تحديد الموجة الصوتية. هذه موجة طولية ميكانيكية ، يتراوح ترددها من 20 هرتز إلى 20 ألف هرتز. إذا كان التردد أقل من 20 هرتز أو أكثر من 20 كيلوهرتز فلن نسمعه بالرغم من حدوث اهتزازات.
مصدر الصوت
يمكن لأي جسم متأرجح أن يكون مصدرًا للموجات الصوتية ، فهو يحتاج فقط إلى وسط مرن ، مثل الهواء. لا يهتز جسم صلب فحسب ، بل يهتز أيضًا سائل وغاز. لا يمكن أن يكون الهواء كمزيج من عدة غازات مجرد وسط انتشار - فهو بحد ذاته قادر على توليد موجة صوتية. اهتزازاته هي التي تكمن وراء صوت آلات الرياح. الفلوت أو البوق لا يهتز. وهو الهواء المخلخل والمضغوط يعطي الموجة سرعة معينة ونتيجة لذلك نسمع الصوت.
نشر الصوت في بيئات مختلفة
اكتشفنا أن المواد المختلفة سليمة: سائلة ، صلبة ، غازية. الشيء نفسه ينطبق على القدرة على إجراء موجة صوتية. ينتشر الصوت في أي وسط مرن (سائل ، صلب ، غازي) ، باستثناء الفراغ. في فضاء فارغ قل على سطح القمر لن نسمع صوت اهتزاز الجسم
معظم الأصوات التي يراها البشر محمولة جواً. تسمع الأسماك وقنديل البحر موجة صوتية تتشعب عبر الماء. إذا غوصنا تحت الماء ، فسوف نسمع أيضًا ضجيج قارب بمحرك يمر. علاوة على ذلك ، سيكون الطول الموجي وسرعة الموجة أعلى من الهواء. هذا يعني أن صوت المحرك سيكون أول ما يسمعه الشخص الغطس تحت الماء. الصياد الجالس في قاربه في نفس المكان سيسمع الضجيج لاحقا
في المواد الصلبة ، ينتقل الصوت بشكل أفضل ، وتكون سرعة الموجة أعلى. إذا وضعت شيئًا صلبًا ، وخاصة المعدن ، على أذنك وضغطت عليه ، فسوف تسمع جيدًا. مثال آخر هو صوتك. عندما نسمع حديثنا لأول مرة ، والذي تم تسجيله مسبقًا على مسجل صوت أو من مقطع فيديو ، يبدو الصوت غريبًا. لماذا يحدث هذا؟ لأننا في الحياة لا نسمع الكثير من الاهتزازات الصوتية من أفواهنا مثل اهتزازات الأمواج التي تمر عبر عظام جمجمتنا. يتغير الصوت المنعكس من هذه العوائق إلى حد ما.
سرعة الصوت
سرعة الموجة الصوتية ، إذا اعتبرنا نفس الصوت ، ستكون مختلفة في بيئات مختلفة. كلما كانت الوسيلة أكثر كثافة ، زادت سرعة وصول الصوت إلى أذننا. يمكن للقطار أن يبتعد عنا لدرجة أن صوت العجلات لن يُسمع بعد. ومع ذلك ، إذا وضعت أذنك على القضبان ، فيمكننا سماع الدوي بوضوح.
يشير هذا إلى أن الموجات الصوتية تنتقل في المواد الصلبة أسرع من الهواء. يوضح الشكل سرعة الصوت في بيئات مختلفة.
معادلة الموجة
مترابطة السرعة والتردد وطول الموجة. بالنسبة للأجسام التي تهتز بتردد عالٍ ، تكون الموجة أقصر. يمكن سماع الأصوات ذات التردد المنخفض على مسافة أكبر لأن لها طول موجي أطول. هناك نوعان من المعادلات الموجية. يوضحون الترابط بين خصائص الموجة من بعضها البعض. بمعرفة أي كميتين من المعادلات يمكنك حساب الثالث:
с=ν × λ ،
حيث c هي السرعة ، التردد ، هو الطول الموجي.
معادلة الموجة الصوتية الثانية:
ق=λ / T ،
حيث T هي الفترة ، أي الوقت الذي يصنع فيه الجسم ذبذبة واحدة.
