Звучни таласи
Још је старогрчки филозоф Аристотел сматрао да се звук и светлост простиру кроз ваздух слично таласима на морској површини. Такође је мислио, да ни светлост ни звук не могу да се простиру без супстанцијалне средине тј. ваздуха. Наиме, тек у XVII веку је експериментаторима пошло за руком да “произведу” вакуум. Испод стакленог звона је био постављен механички сат, чије куцање је престало да се чује након извлачења ваздуха. Што се тиче звука, Аристотел је био у праву.
Узрок сваког звука су вибрације, брзи покрети, осциловање честица средине које преносе енергију. Звучне вибрације можемо директно да осетимо. Довољно је да руком додирнемо звучник или на пример бубањ па да осетимо вибрације еластичне површине. У физичком смислу, звук је једноставно механичко побуђивање материјалне средине која може бити у било ком агрегатном стању, однодно ваздух – или било који други гас, чврсто тело или течност.
Звук - механички талас уреди
Талас у физици је просторно и временски променљиво поље које преноси енергију кроз простор. Механички талас је процес преношења периодичног поремећаја посредством еластичне средине. За настанак механичког таласа потребно је постојање извора – осцилатора и еластичне средине. Честице које осцилују не крећу се са таласом већ остају на својим местима осцилујући око својих равнотежних положаја. Кроз простор се шири поремећај у облику механичког таласа чија брзина зависи од еластичних особина средине и густине средине.
Карактеристике звучних таласа уреди
У зависности од правца осциловања честица средине, таласи могу да буду трансверзални и лонгитудинални. Звучни таласи су лонгитудинални и као такви могу се простирати у сва три агрегатна стања.
Слично као и код осциловања и код звучних таласа можемо дефинисати карактеристичне величине.
Набројаћемо:
- Период осциловања је време у току којег се изврши једна осцилација делића средине. Означавамо са Т а јединица је секунда с.
- Фреквенција представља број осцилација у јединици времена. Једнака је реципрочној вредности периода осциловања. ν=1/Т а јединица је Хз= с−1.
- Таласна дужинанајближе растојање изумеђу две тачке које се налазе у истом стању осциловања, означавамо са λ а изражена је у метрима м.
- Брзина таласа је повезана са фреквенцијом и таласном дужином ц=λ∙ν
Брзина простирања таласа у разним срединама уреди
Брзину простирања механичког таласа разматрамо на моделу куглица које су међусобно повезане еластичним опругама. Брзина којом се преноси поремећај дуж линије међусобно повезаних делића зависиће од два фактора :
- маса делића : - утиче на брзину простирања поремећаја јер због инерције већој маси ће требати дуже време како би се покренула или зауставила. У реалним срединама густина одређује ефективну масу. Већа густина даје већу ефективну масу па зато и поремећај спорије путује.
- јачина опруге : она такође утиче на преношење поремећаја тако што ће јача опруга бити у стању да јаче гура следећу лоптицу и даје јој веће убрзање. У реалним материјалима јачину опруге можемо поредити са модулом еластичности, односно са Yоунг-овим модулом еластичности код чврстих тела. Што је већа вредност модула еластичности неке средине то је и већа тврдоћа опруге па ће се поремећај преносити са већом брзином.
- ц=√Еy/ρ
где је в – брзина изражена у м/с , ρ - густина изражена у кг/м3, Еy – Yоунг-ов модул еластичности изражен у Н/м2 .
Међутим, густина чврстих тела не зависи од правца али то не мора увек да буде случај. Тако на пример у месингу је вредност Yоунг-овог модула идентична у свим правцима јер је хомогеног састава, док је код дрвета он различит у првцу пружања влакана и правцу попречном на влакна дрвета. Стога, месинг, и други метали, ће преносити поремећај независно од правца истом брзином, док ће у дрвету постојати различите брзине уздужног и попречног простирања таласа. Ово можемо показати на једноставном примеру: густина челика је 7800 кг/м3, а Yоунг-ов модул еластичности Еy= 2.1 * 1011 Н/м2, па ће брзина износити:
- ц=5189 м/с
густина дрвета букве је 680 кг/м3, а Еy уздужно= 14 * 109 Н/м2, и Еy попречно= 0.88 * 109 Н/м2
- цуздужно= 4527 м/с
- цпопречно= 1138 м/с
Овакве варијације у брзини звука у материјалима, као што је дрво, итекако утичу на акустику дрвених музичких инструмената, као и посебне импликације при дизајну звучничких кабинета.
Брзина таласа у ваздуху уреди
Звуком сматрамо треперење које се простире ваздухом, што је за људски говор или музику уобичајена средина кроз коју се простире. Како ваздух нема Yоунг-ов модул еластичности, али јесте стишљив, то наводи да у њему мора постојати нека еквивалентна величина. Брзина звука зависи од модула запреминске стишљивости ваздуха. У ставрности се у ваздуху дешавају врло брзе промене запремине и притиска, које доводе до промене температуре у малим запреминама. На местима повећаног притиска ваздух се загрева а на местима разређења, хлади. Ова места због велике брзине промена, не стижу да изједначе температуре са околином. Зато сматрамо да је процес простирања звука адијабатски. Брзина звука у гасовима зависи дакле од Поасонове константе γ, од притиска п и густине гаса ρ. Пошто су код гасова притисак, запремина и температура међусобно повезане, може се закључити да брзина звука мора да зависи и од ове последње. Ово можемо лако показати ако претпоставимо да се ради о идеалном гасу за који важи једначина стања идеалног гаса, па се добија:
- ц = √(γ РТ/M)
Заменом константи у овај израз добија се зависност брзине простирања звучних таласа у зависности од температуре:
- ц=20,1√Т
Дакле, за температуру ваздуха од 20 °Ц брзина простирања звука ће износити
- ц=20,1√(273+20)=344 м/с
Референце уреди
Литература уреди
- Варадан, V. К., анд Васундара V. Варадан, "Еластиц wаве сцаттеринг анд пропагатион". Аттенуатион дуе то сцаттеринг оф ултрасониц цомпрессионал wавес ин гранулар медиа - А.Ј. Деванеy, Х. Левине, анд Т. Плона. Анн Арбор, Мицх., Анн Арбор Сциенце, 1982.
- Сцхааф, Јохн ван дер, Јаап C. Сцхоутен, анд Цор M. ван ден Блеек, "Еxпериментал Обсерватион оф Прессуре Wавес ин Гас-Солидс Флуидизед Бедс". Америцан Институте оф Цхемицал Енгинеерс. Неw Yорк, Н.Y., 1997.
- Крисхан, С, анд А А Селим, "Генератион оф трансверсе wавес бy нон-линеар wаве-wаве интерацтион". Департмент оф Пхyсицс, Университy оф Алберта, Едмонтон, Цанада.
- Барроw, W. L., "Трансмиссион оф елецтромагнетиц wавес ин холлоw тубес оф метал", Проц. ИРЕ, вол. 24, пп. 1298–1398, Оцтобер 1936.
- Русселл, Дан, "Лонгитудинал анд Трансверсе Wаве Мотион". Ацоустицс Аниматионс, Пеннсyлваниа Стате Университy, Градуате Програм ин Ацоустицс.
- Лонгитудинал Wавес, wитх аниматионс "Тхе Пхyсицс Цлассроом"