Sunetul este însoțitorul unei persoane de-a lungul vieții sale, dar puțini oameni se gândesc la ce este acesta. CU punct fizic Din punct de vedere al vederii, sunetul poate fi definit ca fiind mișcările oscilatorii ale particulelor într-un mediu elastic cauzate de o anumită sursă, în unde scurte - elastice. Viteza sunetului depinde de proprietățile mediului în care se propagă: în gaze viteza sunetului crește odată cu creșterea temperaturii și presiunii, în lichide scade odată cu creșterea temperaturii (excepția este apa, în care viteza sunetului atinge un maxima la 74°C si incepe sa scada doar la cresterea acestei temperaturi). Pentru aer, această dependență arată astfel:

C = 332 + 0,6t c

unde t c este temperatura mediu inconjurator, °C.

Tabelul 1. Viteza sunetului în gaze, la o temperatură de 0 ° C și o presiune de 1 atm.

Tabelul 2. Viteza sunetului în lichide la o temperatură de 20 °C.

La solide, viteza sunetului este determinată de modulul elastic al substanței și densitatea acesteia, în timp ce aceasta diferă în direcțiile longitudinale și transversale în solidele izotrope nemărginite.

Tabelul 3. Viteza sunetului într-un solid.

Tabelele arată în mod clar că viteza sunetului în gaze este mult mai mică decât în ​​solide, motiv pentru care în filmele de aventură poți vedea adesea oameni care pun urechea la pământ pentru a determina prezența unei urmăriri; acest fenomen este vizibil și lângă calea ferată, când sunetul unui tren care sosește se aude de două ori - prima dată este transmis de-a lungul șinelor și a doua oară prin aer.

Procesul mișcării oscilatorii a unei unde sonore într-un mediu elastic poate fi descris folosind exemplul de oscilație a unei particule de aer:

O particulă de aer forțată să se miște din poziția inițială datorită influenței unei surse de sunet este acționată de forțele elastice ale aerului, care încearcă să o readucă la locul inițial, dar datorită acțiunii forțelor de inerție, la întoarcere, particula nu se oprește, ci începe să se îndepărteze de poziția inițială în direcția opusă, unde, la rândul lor, acționează și forțe elastice asupra ei și procesul se repetă.

Figura 1. Procesul de vibrație a particulelor de aer

În figură (Figura nr. 2), moleculele de aer sunt reprezentate figurativ prin puncte mici (există mai mult de un milion de ele într-un metru cub de aer). Presiunea din regiunea de compresie este puțin mai mare decât presiunea atmosferică, iar în regiunea de rarefacție, dimpotrivă, este sub presiunea atmosferică. Direcția săgeților mici arată că, în medie, moleculele se deplasează spre dreapta dintr-o zonă de înaltă presiune și spre stânga dintr-o zonă de joasă presiune. Oricare dintre moleculele reprezentate parcurge mai întâi o anumită distanță la dreapta, apoi aceeași distanță la stânga, în raport cu poziția inițială, în timp ce unda sonoră se deplasează uniform spre dreapta.

Figura 2. Mișcarea undelor sonore

Este logic să punem întrebarea - de ce se mișcă unda sonoră spre dreapta? Răspunsul poate fi găsit examinând cu atenție săgețile din figura anterioară: în locul în care săgețile se ciocnesc între ele, se formează o nouă acumulare de molecule, care va fi situată în partea dreaptă a zonei de compresie inițiale; îndepărtați-vă de punctul de ciocnire al săgeților, densitatea moleculelor scade și se formează o nouă zonă de rarefacție, de unde mișcarea treptată a zonei de înaltă și presiune scăzută determină deplasarea undei sonore spre dreapta.

Figura 3. Procesul de deplasare a unei unde sonore

Mișcarea ondulatorie de acest fel se numește oscilații armonice sau sinusoidale, care este descrisă după cum urmează:

x(t) = Asin(wt + φ)

O undă simplă armonică sau sinusoidală este prezentată în figură (Figura nr. 4):

Figura 4. Undă sinusoidală

Lungimea de undă depinde de frecvența și viteza sunetului:

Lungime de undă (m) = Viteza undei (m/s) / Frecvență (Hz)

În consecință, frecvența este determinată după cum urmează:

Frecvența (Hz) = Viteza undei (m/s) / Lungimea undei (m)

Din aceste ecuații este clar că pe măsură ce frecvența crește, lungimea de undă scade.

Tabel 4. Lungimea de undă în funcție de frecvența sunetului (la temperatura aerului 20 °C)

Intensitatea sunetului scade pe măsură ce distanța față de sursa sonoră crește. Dacă o undă sonoră nu întâlnește niciun obstacol pe calea sa, atunci sunetul de la sursă se deplasează în toate direcțiile. Figura (Figura nr. 5) arată natura modificării intensității sunetului - intensitatea sunetului rămâne constantă, dar aria de influență crește, motiv pentru care intensitatea sunetului scade într-un anumit punct.

Figura 5. Procesul de propagare a undelor sonore

În funcție de tipul sursei sonore, există mai multe tipuri de unde sonore: plate, sferice și cilindrice.

Figura 6. Tipuri de surse sonore și reprezentare schematică a frontului de undă
a - placă extinsă; b - sursă punctuală; c - sursă liniară.

La propagare, undele plane nu își schimbă forma și amplitudinea, undele sferice nu își schimbă forma (amplitudinea scade cu 1/r), undele cilindrice își schimbă atât forma, cât și amplitudinea (descrește cu 1/№r).

Pentru ca sunetul să se propage, este necesar un mediu elastic. În vid, undele sonore nu se pot propaga, deoarece nu există nimic care să vibreze. Acest lucru poate fi verificat la experiență simplă. Dacă plasați un clopot electric sub un clopot de sticlă, atunci pe măsură ce aerul este pompat de sub clopot, sunetul de la clopot va deveni din ce în ce mai slab până când se oprește complet.

Se știe că în timpul unei furtuni vedem un fulger și abia după un timp auzim bubuitul tunetului. Această întârziere apare deoarece viteza sunetului în aer este mult mai mică decât viteza luminii provenind de la fulger.

Viteza sunetului în aer a fost măsurată pentru prima dată în 1636 de omul de știință francez M. Mersenne. La o temperatură de 20 °C este egală cu 343 m/s, adică 1235 km/h. Rețineți că la această valoare viteza unui glonț tras de la o pușcă de asalt Kalashnikov scade la o distanță de 800 m. Viteza inițială a glonțului este de 825 m/s, ceea ce depășește semnificativ viteza sunetului în aer. Prin urmare, o persoană care aude sunetul unei împușcături sau fluierul unui glonț nu trebuie să-și facă griji: acest glonț a trecut deja pe lângă el. Glonțul depășește sunetul împușcăturii și ajunge la victimă înainte de a sosi sunetul.

Viteza sunetului în gaze depinde de temperatura mediului: cu o creștere a temperaturii aerului crește, iar cu o scădere scade. La 0 °C, viteza sunetului în aer este de 332 m/s.

În diferite gaze, sunetul călătorește cu la viteze diferite. Cu cât masa moleculelor de gaz este mai mare, cu atât viteza sunetului este mai mică. Astfel, la o temperatură de 0 °C, viteza sunetului în hidrogen este de 1284 m/s, în heliu - 965 m/s, iar în oxigen - 316 m/s.

Viteza sunetului în lichide este de obicei mai mare decât viteza sunetului în gaze. Viteza sunetului în apă a fost măsurată pentru prima dată în 1826 de J. Colladon și J. Sturm. Ei și-au efectuat experimentele pe lacul Geneva din Elveția. Pe o barcă au dat foc prafului de pușcă și în același timp au lovit un clopoțel coborât în ​​apă. Sunetul acestui clopot, coborât în ​​apă, a fost surprins de o altă barcă, care se afla la o distanță de 14 km de prima. Pe baza intervalului de timp dintre clipirea semnalului luminos și sosirea semnalului sonor, s-a determinat viteza sunetului în apă. La o temperatură de 8°C s-a dovedit a fi egală cu 1440 m/s.

Viteza sunetului în solide este mai mare decât în ​​lichide și gaze. Dacă puneți urechea pe șină, atunci după ce ați lovit celălalt capăt al șinei, se aud două sunete. Unul dintre ei ajunge la ureche pe calea ferată, celălalt pe calea aerului.

Pământul are o bună conductivitate a sunetului. Prin urmare, pe vremuri, în timpul unui asediu, în zidurile cetății erau așezați „ascultători”, care, prin sunetul transmis de pământ, puteau stabili dacă inamicul sapă sau nu în ziduri. Punendu-și urechile la pământ, au monitorizat și apropierea cavaleriei inamice.

Solidele conduc bine sunetul. Datorită acestui fapt, oamenii care și-au pierdut auzul sunt uneori capabili să danseze pe muzică care ajunge la nervii auditivi nu prin aer și urechea exterioară, ci prin podea și oase.

Viteza sunetului poate fi determinată prin cunoașterea lungimii de undă și a frecvenței (sau a perioadei) vibrației.

Majoritatea oamenilor înțeleg perfect ce este sunetul. Este asociat cu auzul și este asociat cu fiziologic și procese psihologice. Creierul procesează senzațiile care vin prin organele auzului. Viteza sunetului depinde de mulți factori.

Sunete distinse de oameni

În sensul general al cuvântului, sunetul este fenomen fizic, care provoacă efecte asupra organelor auzului. Are forma undelor longitudinale de diferite frecvențe. Oamenii pot auzi sunet a cărui frecvență variază între 16-20.000 Hz. Aceste unde longitudinale elastice, care se propagă nu numai în aer, ci și în alte medii, ajungând la urechea umană, provoacă senzații sonore. Oamenii nu pot auzi totul. Undele elastice cu o frecvență mai mică de 16 Hz se numesc infrasunete, iar cele peste 20.000 Hz se numesc ultrasunete. Urechea umană nu le poate auzi.

Caracteristicile sunetului

Există două caracteristici principale ale sunetului: volumul și înălțimea. Prima dintre ele este legată de intensitatea undei sonore elastice. Există un alt indicator important. Dimensiunea fizică, care caracterizează înălțimea, este frecvența de oscilație a undei elastice. În acest caz, se aplică o singură regulă: cu cât este mai mare, cu atât sunetul este mai mare și invers. O altă caracteristică importantă este viteza sunetului. Acesta variază în diferite medii. Reprezintă viteza de propagare a undelor sonore elastice. Într-un mediu gazos, această cifră va fi mai mică decât în ​​cazul lichidelor. Viteza sunetului în solide este cea mai mare. Mai mult, pentru undele longitudinale este întotdeauna mai mare decât pentru cele transversale.

Viteza de propagare a undelor sonore

Acest indicator depinde de densitatea mediului și de elasticitatea acestuia. În mediile gazoase este afectată de temperatura substanței. De regulă, viteza sunetului nu depinde de amplitudinea și frecvența undei. În cazuri rare când aceste caracteristici au o influență, ele vorbesc despre așa-numita dispersie. Viteza sunetului în vapori sau gaze variază între 150-1000 m/s. În mediile lichide este deja 750-2000 m/s, iar în materiale solide - 2000-6500 m/s. În condiții normale, viteza sunetului în aer atinge 331 m/s. În apă obișnuită - 1500 m/s.

Viteza undelor sonore în diferite medii chimice

Viteza de propagare a sunetului în diferite medii chimice nu este aceeași. Deci, în azot este de 334 m/s, în aer - 331, în acetilenă - 327, în amoniac - 415, în hidrogen - 1284, în metan - 430, în oxigen - 316, în heliu - 965, în monoxid de carbon - 338, în dioxid de carbon - 259, în clor - 206 m/s. Viteza unei unde sonore în mediile gazoase crește odată cu creșterea temperaturii (T) și a presiunii. În lichide, cel mai adesea scade pe măsură ce T crește cu câțiva metri pe secundă. Viteza sunetului (m/s) în medii lichide (la o temperatură de 20°C):

Apa - 1490;

Alcool etilic - 1180;

Benzen - 1324;

Mercur - 1453;

tetraclorura de carbon - 920;

Glicerina - 1923.

Singura excepție de la regula de mai sus este apa, în care viteza sunetului crește odată cu creșterea temperaturii. Acesta atinge maximul atunci când acest lichid este încălzit la 74°C. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, viteza sunetului scade. Pe măsură ce presiunea crește, aceasta va crește cu 0,01%/1 Atm. În apa de mare sărată, pe măsură ce temperatura, adâncimea și salinitatea cresc, viteza sunetului va crește. În alte medii, acest indicator se schimbă diferit. Astfel, într-un amestec de lichid și gaz, viteza sunetului depinde de concentrația componentelor sale. Într-un solid izotopic, acesta este determinat de densitatea și modulele sale elastice. Undele elastice transversale (de forfecare) și longitudinale se propagă în medii dense neconfinate. Viteza sunetului (m/s) în solide (unde longitudinale/transversale):

Sticla - 3460-4800/2380-2560;

Cuarț topit - 5970/3762;

Beton - 4200-5300/1100-1121;

Zinc - 4170-4200/2440;

Teflon - 1340/*;

Fier de călcat - 5835-5950/*;

Aur - 3200-3240/1200;

Aluminiu - 6320/3190;

Argint - 3660-3700/1600-1690;

Alama - 4600/2080;

Nichel - 5630/2960.

La feromagneți, viteza undei sonore depinde de intensitatea câmpului magnetic. În monocristalele, viteza unei unde sonore (m/s) depinde de direcția de propagare a acesteia:

• rubin (undă longitudinală) - 11240;
• sulfura de cadmiu (longitudinal/transversal) - 3580/4500;
• niobat de litiu (longitudinal) - 7330.

Viteza sunetului în vid este 0, deoarece pur și simplu nu se propagă într-un astfel de mediu.

Determinarea vitezei sunetului

Tot ce ține de semnalele sonore i-a interesat pe strămoșii noștri cu mii de ani în urmă. Aproape toți oamenii de știință remarcabili au lucrat pentru a determina esența acestui fenomen. lumea antica. Chiar și matematicienii antici au stabilit că sunetul este determinat de mișcări oscilatorii corpuri. Euclid și Ptolemeu au scris despre asta. Aristotel a stabilit că viteza sunetului are o valoare finită. Primele încercări de a determina acest indicator au fost făcute de F. Bacon în secolul al XVII-lea. A încercat să stabilească viteza comparând intervalele de timp dintre sunetul împușcăturii și fulgerul de lumină. Pe baza acestei metode, un grup de fizicieni de la Academia de Științe din Paris a determinat pentru prima dată viteza unei unde sonore. În diferite condiții experimentale a fost de 350-390 m/s. Justificarea teoretică a vitezei sunetului a fost luată în considerare pentru prima dată de I. Newton în „Principiile” sale. P.S. a putut determina corect acest indicator. Laplace.

Formule de viteză a sunetului

Pentru mediile gazoase și lichide în care sunetul se propagă, de regulă, adiabatic, schimbarea temperaturii asociată cu tensiunea și compresia într-o undă longitudinală nu se poate egaliza rapid într-o perioadă scurtă de timp. Evident, acest indicator este influențat de mai mulți factori. Viteza unei unde sonore într-un mediu gazos omogen sau lichid este determinată de următoarea formulă:

unde β este compresibilitatea adiabatică, ρ este densitatea mediului.

În derivatele parțiale, această cantitate se calculează folosind următoarea formulă:

c 2 = -υ 2 (δρ/δυ) S = -υ 2 Cp/Cυ (δρ/δυ) T,

unde ρ, T, υ - presiunea mediului, temperatura acestuia și volumul specific; S - entropie; Cp - capacitate termică izobară; Cυ - capacitate termică izocoră. Pentru mediile de gaz, această formulă va arăta astfel:

c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,

unde ζ este valoarea adiabatică: 4/3 pentru gazele poliatomice, 5/3 pentru gazele monoatomice, 7/5 pentru gazele diatomice (aer); R - constanta de gaz (universal); T - temperatura absolută, măsurată în kelvin; k este constanta lui Boltzmann; t - temperatura în °C; M - masa molara; m - greutate moleculară; ά 2 = ζR/ M.

Determinarea vitezei sunetului într-un solid

Într-un corp solid omogen, există două tipuri de unde care diferă în polarizarea vibrațiilor în raport cu direcția de propagare a acestora: transversale (S) și longitudinale (P). Viteza primului (C S) va fi întotdeauna mai mică decât a celui de-al doilea (C P):

C P2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1 - v)/(1 + v)(1-2v)ρ;

C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,

unde K, E, G - compresie, Young, module de forfecare; v - raportul lui Poisson. Când se calculează viteza sunetului într-un solid, se folosesc module elastici adiabatici.

Viteza sunetului în mediile multifazate

În mediile multifazate, datorită absorbției inelastice a energiei, viteza sunetului depinde direct de frecvența vibrațiilor. Într-un mediu poros în două faze, se calculează folosind ecuațiile Bio-Nikolaevsky.

Concluzie

Măsurarea vitezei unei unde sonore este utilizată pentru a determina diferite proprietăți ale substanțelor, cum ar fi modulul de elasticitate al unui solid, compresibilitatea lichidelor și gazelor. O metodă sensibilă pentru detectarea impurităților este măsurarea micilor modificări ale vitezei undei sonore. La solide, fluctuația acestui indicator permite studierea structurii benzii semiconductorilor. Viteza sunetului este o cantitate foarte importantă, măsurarea căreia ne permite să învățăm multe despre o mare varietate de medii, corpuri și alte obiecte cercetare științifică. Fără capacitatea de a-l determina, multe descoperiri științifice ar fi imposibile.

Introducere.

Concept sunet De obicei o asociem cu auzul și, prin urmare, cu procesele fiziologice din urechi, precum și cu procesele psihologice din creierul nostru (unde sunt procesate senzațiile care intră în organele auzului). În plus, sub sunetînțelegem fenomenul fizic care provoacă un efect asupra urechilor noastre și anume undele longitudinale. Dacă astfel de unde elastice care se propagă în aer au o frecvență cuprinsă între 16 inainte de 20000 Hz, atunci, când ajung la urechea umană, provoacă o senzație sunet. În conformitate cu aceasta, se numesc unde elastice în orice mediu având o frecvență în limitele specificate unde sonore sau pur și simplu sunet. Se numesc unde elastice cu frecvențe mai mici de 16 Hz infrasunete; se numesc unde cu frecvenţe ce depăşesc 20.000 Hz ecografie. Urechea umană nu poate auzi infra și ultrasunetele.

Pentru o persoană care ascultă, două caracteristici ale sunetului devin imediat evidente, și anume volumul și înălțimea acestuia. Volum este legată de intensitatea undei sonore, care este proporțională cu pătratul amplitudinii undei. Înălţime Sunetul indică dacă este înalt, ca o vioară sau violoncel, sau scăzut, ca sunetul unei tobe sau al unei coarde de bas. Mărimea fizică care caracterizează înălțimea sunetului este frecvența de oscilație a undei sonore, care a fost observată pentru prima dată de Galileo. Cu cât frecvența este mai mică, cu atât înălțimea sunetului este mai mică și cu cât frecvența este mai mare, cu atât sunetul este mai mare.

Unul dintre caracteristici importante sunetul este al lui viteză. Viteza sunetului este viteza cu care undele sonore se deplasează printr-un mediu. În gaze, viteza sunetului este mai mică decât în ​​lichide, iar în lichide este mai mică decât în ​​solide (iar pentru undele transversale viteza este întotdeauna mai mică decât pentru cele longitudinale). Viteza sunetului în gaze și vapori este de la 150 la 1000 m/s, în lichide de la 750 la 2000 m/s, în solide de la 2000 la 6500 m/s. În aer în condiții normale viteza sunetului este de 330 m/s, în apă - 1500 m/s.

Rezumatul discută și efectul, a cărui existență a fost subliniată în 1842 de CHRISTIAN DOPPLER (Doppler) (Doppler) (1803-53), fizician și astronom austriac. Acest efect a fost numit ulterior după el.

1. Viteza undelor sonore în diverse medii.

De obicei, ne gândim la sunet ca fiind călătorind prin aer, deoarece de obicei aerul este cel care intră în contact cu timpanele noastre, iar vibrațiile sale fac acele timpane să vibreze. Cu toate acestea, undele sonore se pot propaga și în alte substanțe. Un înotător poate auzi sunetul a două pietre care se lovesc una de cealaltă în timp ce se află sub apă, deoarece vibrațiile sunt transmise la ureche de apă. Dacă pui urechea la pământ, poți auzi apropierea unui tren sau a unui tractor. În acest caz, pământul nu vă afectează direct timpanele. Cu toate acestea, o undă longitudinală care se propagă în pământ se numește undă sonoră deoarece vibrațiile sale fac ca aerul din urechea externă să vibreze. Într-adevăr, undele longitudinale care se propagă în orice mediu material sunt adesea numite unde sonore. Evident, sunetul nu se poate propaga în absența materiei. De exemplu, este imposibil să auzi sunetul unui clopoțel situat în interiorul unui vas din care a fost pompat aer [experimentul lui Robert Boyle (1660)].

Viteza sunetuluiîn diverse substanţe are sensuri diferite. În aer la o temperatură de 0 o C și o presiune de 1 atm, sunetul circulă cu o viteză de 331,3 m/s. În aer și alte medii gazoase și lichide, viteza depinde de modulul de compresie Bși densitatea mediului (substanță) r:

În heliu, a cărui densitate este semnificativ mai mică decât densitatea aerului, iar modulul de compresie este aproape același, viteza sunetului este de aproape trei ori mai mare. În lichide și solide, care sunt semnificativ mai puțin compresibile și, prin urmare, au module elastice semnificativ mai mari, viteza este în mod corespunzător mai mare. Viteza valorilor sunetului în diferite substanțe sunt date în tabelele 1.1, 1.2, 1.3; ele depind cel mai mult de temperatură (vezi tabelele 1.4, 1.5), totuși această dependență este semnificativă doar pentru gaze și lichide. De exemplu, în aer, cu o creștere a temperaturii cu 1 o C, viteza sunetului crește cu aproximativ 0,60 m/s:

u"(331+0,60T) m/s,

unde T este temperatura în o C. De exemplu, la 20 o C avem:

u" m/s = 343 m/s.

2. Efectul Doppler în acustică.

Poate ați observat că tonul sirenei unei mașini de pompieri, care se mișcă cu viteză mare, scade brusc după ce vehiculul trece pe lângă tine. Este posibil să fi observat, de asemenea, o schimbare a înălțimii semnalului unei mașini care trece pe lângă tine cu viteză mare. Pasul motorului unei mașini de curse se schimbă, de asemenea, când trece pe lângă un observator. Dacă o sursă de sunet se apropie de observator, înălțimea sunetului crește în comparație cu când sursa de sunet era în repaus. Dacă sursa de sunet se îndepărtează de observator, atunci înălțimea sunetului scade. Acest fenomen se numește efectul Dopplerși apare pentru toate tipurile de valuri. Să luăm acum în considerare motivele apariției sale și să calculăm modificarea frecvenței undelor sonore datorită acestui efect.

Efectul Doppler: a - ambii observatori de pe trotuar aud sunetul sirenei unei mașini de pompieri în picioare la aceeași frecvență; b - observatorul spre care se apropie mașina de pompieri aude un sunet de o frecvență mai mare, iar observatorul de care se îndepărtează mașina de pompieri aude un sunet mai scăzut.

Să luăm în considerare, în scopuri specifice, o mașină de pompieri a cărei sirenă, atunci când vehiculul este staționat, emite un sunet de o anumită frecvență în toate direcțiile, așa cum se arată în Fig. 2.1,a. Lăsați mașina de pompieri să înceapă acum să se miște, iar sirena continuă să emită unde sonore la aceeași frecvență. Cu toate acestea, în timpul conducerii, undele sonore emise de sirenă în față vor fi mai apropiate decât atunci când mașina nu se mișcă, așa cum se arată în Fig. 2.1, b. Acest lucru se întâmplă deoarece, în timpul deplasării sale, autospeciala de pompieri „prinde” undele emise anterior. Astfel, un observator din apropierea drumului va observa un număr mai mare de creste de unde trecând pe lângă el pe unitatea de timp și, prin urmare, pentru el frecvența sunetului va fi mai mare. Pe de altă parte, undele care se propagă în spatele mașinii vor fi mai departe unele de altele, deoarece mașina pare să se „desprindă” de ele. În consecință, pe unitatea de timp, mai puține creste ale valurilor vor trece de observatorul în spatele mașinii, iar înălțimea sunetului va fi mai mică.

Orez. 2.2.

Pentru a calcula modificarea frecvenței, folosim Fig. 2.2. Vom presupune că în cadrul nostru de referință aerul (sau alt mediu) este în repaus. În fig. 2.2 sursa de sunet (de exemplu, o sirenă) este în repaus. Sunt afișate crestele de unde succesive, una dintre ele tocmai emisă de sursa de sunet. Distanța dintre aceste creste este egală cu lungimea de undă l. Dacă frecvența de oscilație a sursei de sunet este egală cu ¦, atunci timpul scurs între emisia crestelor undelor este egal cu

T= 1/¦.

În fig. Sursa de sunet 2.3 se mișcă cu viteză u ist. În timpul T (abia a fost determinat), prima creastă a undei va parcurge distanța d =uT, Unde u- viteza undei sonore în aer (care, desigur, va fi aceeași indiferent dacă sursa se mișcă sau nu). În același timp, sursa de sunet se va deplasa la o distanță d ist = u ist T. Atunci distanța dintre crestele succesive ale undelor este egală cu noua lungime de undă l`, se va scrie sub forma

l` = d + d ist = ( u+u este) T= (u+u ist)/¦,

deoarece T= 1/¦. Frecvența ¦` undei este dată de expresia

¦`= u/l` = u¦/ ( u+u este),

¦` = ¦/(1 +u este /u) [sursa de sunet se îndepărtează de observatorul în repaus].

Deoarece numitorul fracției este mai mare decât unu, avem ¦`<¦. Например, если источник создаёт звук на частоте 400 Гц, когда он находится в покое, то, когда источник начинает двигаться в направлении от наблюдателя, стоящего на месте, со скоростью 30 м/с, последний услышит звук на частоте (при температуре 0 о C)

¦` = 400 Hz / 1 + (30 m/s)/(331 m/s) = 366,64 Hz.

Lungime de undă nouă pentru o sursă care se apropie de observator cu viteză u ist, va fi egal

l` = d - d ist.

În acest caz, frecvența ¦` este dată de expresia

¦` = ¦/(1 -u este /u) [sursa sonoră se apropie de observatorul în repaus].

Efectul Doppler apare și atunci când sursa sonoră este în repaus (față de mediul în care se propagă undele sonore) și observatorul se mișcă. Dacă un observator se apropie de o sursă de sunet, el aude un sunet cu o înălțime mai mare decât cea emisă de sursă. Dacă observatorul se îndepărtează de sursă, atunci sunetul i se pare mai scăzut. Cantitativ, schimbarea frecvenței aici diferă puțin de cazul în care sursa se mișcă și observatorul este în repaus. În acest caz, distanța dintre crestele valurilor (lungimea de undă l) nu se modifică, dar viteza de deplasare a crestelor în raport cu observatorul se modifică. Dacă observatorul se apropie de sursa de sunet, atunci viteza undelor în raport cu observatorul va fi egală cu u` = u + u obs, unde u este viteza de propagare a sunetului în aer (presupunem că aerul este în repaus) și u obs – viteza observatorului. Prin urmare, noua frecvență va fi egală cu

¦`= u` /l = (u + u obs)/ l,

sau, pentru că l= u /¦,

¦` = (1 +u obs /u) ¦ [observatorul se apropie de o sursă sonoră staționară].

În cazul în care observatorul se îndepărtează de sursa de sunet, viteza relativă va fi egală cu u` = u - u observabil,

¦` = (1 -u obs /u) ¦ [observatorul se îndepărtează de sursa sonoră staționară].

Dacă o undă sonoră este reflectată de un obstacol în mișcare, atunci frecvența undei reflectate din cauza efectului Doppler va diferi de frecvența undei incidente, adică. va avea loc o așa-numită schimbare de frecvență Doppler. Dacă undele sonore incidente și reflectate sunt suprapuse una peste alta, va apărea o suprapunere și aceasta va duce la bătăi. Frecvența bătăilor este egală cu diferența dintre frecvențele celor două unde. Această manifestare a efectului Doppler este utilizată pe scară largă în diferite dispozitive medicale, care folosesc de obicei unde ultrasonice în intervalul de frecvență megaherți. De exemplu, undele ultrasunete reflectate de celulele roșii din sânge pot fi utilizate pentru a determina viteza fluxului sanguin. În mod similar, această metodă poate fi folosită pentru a detecta mișcarea toracelui fetal, precum și pentru a monitoriza de la distanță bătăile inimii. Trebuie remarcat faptul că efectul Doppler stă și la baza metodei de detectare a radarului pentru vehiculele care depășesc viteza prescrisă, dar în acest caz se folosesc unde electromagnetice (radio) mai degrabă decât unde sonore.

Precizia relațiilor (2.1) și (2.2) scade dacă u ist sau u observațiile se apropie de viteza sunetului. Acest lucru se datorează faptului că deplasarea particulelor de mediu nu va mai fi proporțională cu forța de restabilire, adică. vor apărea abateri de la legea lui Hooke, astfel încât majoritatea raționamentului nostru teoretic își vor pierde forța.

Concluzie.

Sunet se propagă sub formă de undă longitudinală în aer și alte medii. Viteza sunetului în aer crește odată cu creșterea temperaturii; la 0 o C este de aproximativ 331 m/s.

efectul Doppler este că mișcarea unei surse de sunet sau a ascultătorului provoacă o modificare a înălțimii sunetului. Caracteristic oricăror unde (lumină, sunet etc.). Când sursa se apropie de receptor l scade, iar odată cu distanța crește cu o sumă l - l O = nl O /c, Unde l o - lungimea de undă a sursei, c- viteza de propagare a undelor, n- viteza relativa a sursei. Cu alte cuvinte, dacă sursa sonoră și ascultătorul se apropie, înălțimea sunetului crește; dacă se îndepărtează unul de celălalt, atunci înălțimea sunetului scade.

Bibliografie.

1. Marea Enciclopedie a lui Chiril și Metodiu 2001 (2 CD-ROM).

2. Giancoli D. Fizica: În 2 volume.T. 1: Trans. din engleza - M.: Mir, 1989. – 656 p., ill.

3. Enochovich A. S. O scurtă carte de referință despre fizică. – Ed. a II-a, revizuită și completată. – M.: Şcoala superioară, 1976. – 288 p., ill.

4. Savelyev I.V. Curs de fizică generală: Manual. indemnizatie. În 3 volume.T. 2. Electricitate și magnetism. Valuri. Optica. – Ed. a III-a, rev. – M.: Știință. Ch. ed. fizica si matematica lit., 1988. – 496 p., ill.

AplicațieA.

AplicațieB.

Mese.

Notă. Coeficientul de temperatură al vitezei sunetului arată câți metri pe secundă crește viteza sunetului într-o substanță atunci când temperatura acesteia crește cu 1 o C. Semnul minus arată că acest lichid are un coeficient de temperatură negativ al vitezei. Aceasta înseamnă că, pe măsură ce temperatura crește, viteza sunetului în lichid scade. Excepția este apa; pe măsură ce temperatura crește de la 0 la 74 o C, viteza sunetului în ea crește. Cea mai mare viteză a sunetului în apă la 74 o C este de 1555,5 m/s.

Știm că sunetul călătorește prin aer. De aceea putem auzi. Niciun sunet nu poate exista în vid. Dar dacă sunetul este transmis prin aer, datorită interacțiunii particulelor sale, nu va fi transmis și de alte substanțe? Voi.

Propagarea și viteza sunetului în diferite medii

Sunetul nu este transmis doar prin aer. Probabil că toată lumea știe că dacă pui urechea la perete, poți auzi conversații în camera alăturată. În acest caz, sunetul este transmis de perete. Sunetele circulă în apă și în alte medii. În plus, propagarea sunetului are loc diferit în diferite medii. Viteza sunetului variază in functie de substanta.

Este curios că viteza de propagare a sunetului în apă este de aproape patru ori mai mare decât în ​​aer. Adică, peștii aud „mai repede” decât noi. În metale și sticlă, sunetul circulă și mai repede. Acest lucru se datorează faptului că sunetul este o vibrație a unui mediu, iar undele sonore se deplasează mai repede în medii mai bune conductoare.

Densitatea și conductivitatea apei este mai mare decât cea a aerului, dar mai mică decât cea a metalului. În consecință, sunetul este transmis diferit. Când treceți de la un mediu la altul, viteza sunetului se schimbă.

Lungimea undei sonore se modifică, de asemenea, pe măsură ce trece de la un mediu la altul. Doar frecvența sa rămâne aceeași. Dar tocmai acesta este motivul pentru care putem discerne cine anume vorbește chiar și prin pereți.

Deoarece sunetul este vibrații, toate legile și formulele pentru vibrații și unde sunt bine aplicabile vibrațiilor sonore. Atunci când se calculează viteza sunetului în aer, trebuie să se țină cont și de faptul că această viteză depinde de temperatura aerului. Pe măsură ce temperatura crește, viteza de propagare a sunetului crește. În condiții normale, viteza sunetului în aer este de 340.344 m/s.

Unde sonore

Undele sonore, așa cum se știe din fizică, se propagă în medii elastice. Acesta este motivul pentru care sunetele sunt bine transmise de către pământ. Așezându-vă urechea la pământ, puteți auzi zgomotul pașilor, zgomotul copitelor și așa mai departe de la distanță.

În copilărie, probabil toată lumea s-a distrat punând urechea la șine. Sunetul roților trenului este transmis de-a lungul șinelor pe câțiva kilometri. Pentru a crea efectul de absorbție inversă a sunetului, sunt utilizate materiale moi și poroase.

De exemplu, pentru a proteja o cameră de sunete străine, sau, dimpotrivă, pentru a preveni scăparea sunetelor din cameră în exterior, camera este tratată și izolată fonic. Peretii, podeaua si tavanul sunt acoperite cu materiale speciale pe baza de polimeri spumati. Într-o astfel de tapițerie toate sunetele dispar foarte repede.