Eine Schallwelle ist eine mechanische Longitudinalwelle einer bestimmten Frequenz. In dem Artikel werden wir verstehen, was Longitudinal- und Transversalwellen sind, warum nicht jede mechanische Welle Schall ist. Finden Sie die Geschwindigkeit der Welle und die Frequenzen heraus, bei denen Schall auftritt. Lassen Sie uns herausfinden, ob der Ton in verschiedenen Umgebungen gleich ist, und lernen Sie, wie Sie seine Geschwindigkeit mithilfe der Formel ermitteln.
Welle erscheint
Stellen wir uns eine Wasseroberfläche vor, zum Beispiel einen Teich bei ruhigem Wetter. Wenn Sie einen Stein werfen, sehen wir auf der Wasseroberfläche Kreise, die von der Mitte abweichen. Und was passiert, wenn wir nicht einen Stein, sondern eine Kugel nehmen und diese in oszillierende Bewegung versetzen? Die Kreise werden ständig durch die Schwingungen der Kugel erzeugt. Wir sehen ungefähr dasselbe wie in der Computeranimation.
Wenn wir den Schwimmer in einiger Entfernung vom Ball absenken, wird er auch schwingen. Wenn zeitliche Schwankungen im Raum auseinanderlaufen, nennt man diesen Vorgang Welle.
Um die Eigenschaften von Schall (Wellenlänge, Wellengeschwindigkeit usw.) zu untersuchen, eignet sich das berühmte Rainbow-Spielzeug oder Happy Rainbow.
Lass uns die Feder dehnen, sie beruhigen und kräftig auf und ab schütteln. Wir werden sehen, dass eine Welle auftauchte, die entlang der Quelle lief und dann zurückkehrte. Das bedeutet, dass es vom Hindernis reflektiert wird. Wir haben beobachtet, wie sich die Welle im Laufe der Zeit entlang der Quelle ausbreitete. Die Teilchen der Feder bewegten sich relativ zu ihrem Gleichgewicht auf und ab, und die Welle lief nach links und rechts. Eine solche Welle wird Transversalwelle genannt. Dabei steht die Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Schwingungsrichtung der Teilchen. In unserem Fall war das Wellenausbreitungsmedium eine Feder.
Jetzt spannen wir die Feder, lassen sie ruhig werden und ziehen hin und her. Wir werden sehen, dass die Windungen der Feder entlang ihr zusammengedrückt werden. Die Welle läuft in die gleiche Richtung. An einer Stelle ist die Feder stärker gestaucht, an einer anderen stärker gedehnt. Eine solche Welle wird als Longitudinalwelle bezeichnet. Die Schwingungsrichtung seiner Teilchen stimmt mit der Ausbreitungsrichtung überein.
Stellen wir uns ein dichtes Medium vor, zum Beispiel einen starren Körper. Wenn wir es durch Scheren verformen, entsteht eine Welle. Es wird aufgrund der elastischen Kräfte auftreten, die nur in Festkörpern wirken. Diese Kräfte spielen die Rolle der Wiederherstellung und erzeugen eine elastische Welle.
Du kannst eine Flüssigkeit nicht durch Scherung verformen. In Gasen und Flüssigkeiten kann sich eine Transversalwelle nicht ausbreiten. Eine andere Sache ist longitudinal: Es breitet sich in allen Umgebungen aus, in denen elastische Kräfte wirken. Bei einer Longitudinalwelle nähern sich die Teilchen einander an, entfernen sich dann und das Medium selbst wird komprimiert und verdünnt.
Viele Leute denken, dass Flüssigkeiteninkompressibel, aber das ist nicht der Fall. Wenn Sie mit Wasser auf den Kolben der Spritze drücken, schrumpft diese etwas. In Gasen ist auch eine Druck-Zug-Verformung möglich. Durch Drücken des Kolbens einer leeren Spritze wird die Luft komprimiert.
Geschwindigkeit und Wellenlänge
Kehren wir zu der Animation zurück, die wir am Anfang des Artikels betrachtet haben. Wir wählen einen beliebigen Punkt auf einem der Kreise, der von der bedingten Kugel abweicht, und folgen ihm. Der Punkt bewegt sich von der Mitte weg. Die Geschwindigkeit, mit der es sich bewegt, ist die Geschwindigkeit des Wellenbergs. Wir können schlussfolgern: Eine der Eigenschaften der Welle ist die Geschwindigkeit der Welle.
Die Animation zeigt, dass sich die Wellenberge in gleicher Entfernung befinden. Dies ist die Wellenlänge - eine weitere ihrer Eigenschaften. Je häufiger die Wellen, desto kürzer ihre Länge.
Warum nicht jede mechanische Welle ein Ton ist
Nimm ein Aluminiumlineal.
Es ist hüpfend, also ist es gut für die Erfahrung. Wir legen das Lineal auf die Tischkante und drücken mit der Hand darauf, sodass es stark hervorsteht. Wir drücken auf die Kante und lassen sie scharf los - der freie Teil beginnt zu vibrieren, aber es ist kein Ton zu hören. Wenn Sie das Lineal nur ein wenig ausfahren, erzeugt die Vibration der kurzen Kante ein Geräusch.
Was zeigt diese Erfahrung? Es zeigt, dass Schall nur dann entsteht, wenn sich ein Körper schnell genug bewegt, wenn die Wellengeschwindigkeit im Medium hoch ist. Lassen Sie uns eine weitere Eigenschaft der Welle vorstellen - die Frequenz. Dieser Wert zeigt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde der Körper macht. Wenn wir eine Welle in der Luft erzeugen, entsteht unter bestimmten Bedingungen Schall – wenn genugHochfrequenz.
Es ist wichtig zu verstehen, dass Schall keine Welle ist, obwohl er mit mechanischen Wellen verwandt ist. Schall ist die Empfindung, die auftritt, wenn Schallwellen in das Ohr eindringen.
Kehren wir zum Lineal zurück. Wenn der größere Teil ausgefahren wird, oszilliert das Lineal und macht keinen Ton. Entsteht dadurch eine Welle? Sicher, aber es ist eine mechanische Welle, keine Schallwelle. Jetzt können wir eine Schallwelle definieren. Dies ist eine mechanische Longitudinalwelle, deren Frequenz im Bereich von 20 Hz bis 20.000 Hz liegt. Wenn die Frequenz weniger als 20 Hz oder mehr als 20 kHz beträgt, hören wir sie nicht, obwohl Vibrationen auftreten.
Tonquelle
Jeder schwingende Körper kann Quelle akustischer Wellen sein, er braucht nur ein elastisches Medium, zB Luft. Nicht nur ein fester Körper kann schwingen, sondern auch eine Flüssigkeit und ein Gas. Luft als Gemisch mehrerer Gase kann nicht nur ein Ausbreitungsmedium sein – sie ist selbst in der Lage, eine Schallwelle zu erzeugen. Es sind seine Schwingungen, die dem Klang von Blasinstrumenten zugrunde liegen. Die Flöte oder Trompete vibriert nicht. Es ist die verdünnte und komprimierte Luft, die der Welle eine bestimmte Geschwindigkeit verleiht, wodurch wir den Ton hören.
Verbreitung von Schall in verschiedenen Umgebungen
Wir haben herausgefunden, dass verschiedene Substanzen klingen: flüssig, fest, gasförmig. Dasselbe gilt für die Fähigkeit, eine akustische Welle zu leiten. Schall breitet sich in jedem elastischen Medium (flüssig, fest, gasförmig) aus, außer im Vakuum. In einem leeren Raum, sagen wir auf dem Mond, werden wir das Geräusch eines vibrierenden Körpers nicht hören.
Die meisten Geräusche, die von Menschen wahrgenommen werden, stammen aus der Luft. Fische, Quallen hören eine akustische Welle, die durch das Wasser divergiert. Wenn wir unter Wasser tauchen, werden wir auch das Geräusch eines vorbeifahrenden Motorbootes hören. Außerdem sind die Wellenlänge und die Wellengeschwindigkeit höher als in Luft. Dies bedeutet, dass das Geräusch des Motors das erste ist, was von einer Person, die unter Wasser taucht, gehört wird. Der Fischer, der an derselben Stelle in seinem Boot sitzt, wird das Geräusch später hören.
In Festkörpern breitet sich der Schall noch besser aus und die Wellengeschwindigkeit ist höher. Wenn Sie einen harten Gegenstand, insbesondere Metall, an Ihr Ohr h alten und darauf klopfen, hören Sie sehr gut. Ein weiteres Beispiel ist Ihre eigene Stimme. Wenn wir zum ersten Mal unsere Sprache hören, die zuvor auf einem Diktiergerät oder aus einem Video aufgezeichnet wurde, erscheint die Stimme fremd. Warum passiert dies? Denn im Leben hören wir weniger Schallschwingungen aus unserem Mund als Schwingungen von Wellen, die durch die Knochen unseres Schädels gehen. Der von diesen Hindernissen reflektierte Schall verändert sich etwas.
Schallgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit einer Schallwelle, wenn wir denselben Schall betrachten, wird in verschiedenen Umgebungen unterschiedlich sein. Je dichter das Medium, desto schneller erreicht der Schall unser Ohr. Der Zug kann so weit von uns wegfahren, dass das Geräusch der Räder noch nicht zu hören ist. Wenn Sie jedoch Ihr Ohr an die Schienen legen, können wir das Rumpeln deutlich hören.
Dies deutet darauf hin, dass sich Schallwellen in Festkörpern schneller ausbreiten als in Luft. Die Abbildung zeigt die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Umgebungen.
Wellengleichung
Geschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge sind miteinander verbunden. Bei hochfrequent schwingenden Körpern ist die Welle kürzer. Niederfrequente Töne können in größerer Entfernung gehört werden, da sie eine längere Wellenlänge haben. Es gibt zwei Wellengleichungen. Sie veranschaulichen die Abhängigkeit der Welleneigenschaften voneinander. Wenn Sie zwei beliebige Größen aus den Gleichungen kennen, können Sie die dritte berechnen:
с=ν × λ, wobei c die Geschwindigkeit ist, ν die Frequenz ist, λ die Wellenlänge ist.
Zweite Schallwellengleichung:
s=λ / T, wobei T die Periode ist, also die Zeit, die der Körper eine Schwingung ausführt.
