Kui helilaine teel ei ole takistusi, levib see kõigis suundades ühtlaselt. Kuid mitte iga takistus ei muutu tema jaoks takistuseks.
Olles kohanud oma teel takistust, võib heli selle ümber painduda, peegelduda, murduda või neelduda.
heli difraktsioon
Me võime rääkida inimesega, kes seisab hoone nurga taga, puu taga või aia taga, kuigi me ei näe teda. Me kuuleme seda, sest heli suudab nende objektide ümber painduda ja tungida nende taga olevasse piirkonda.
Laine võimet takistusest mööda minna nimetatakse difraktsioon .
Difraktsioon on võimalik, kui helilaine lainepikkus ületab takistuse suuruse. Madala sagedusega helilained on üsna pikad. Näiteks sagedusel 100 Hz on see 3,37 m. Sageduse vähenedes muutub pikkus veelgi pikemaks. Seetõttu paindub helilaine kergesti sellega proportsionaalsete objektide ümber. Pargi puud ei takista meil üldse heli kuulmast, sest nende tüvede läbimõõdud on helilaine lainepikkusest palju väiksemad.
Difraktsiooni tõttu tungivad helilained läbi takistuse vahede ja aukude ning levivad nende taga.
Asetame helilaine teele auguga lameekraani.
Kui helilaine pikkus ƛ palju suurem kui augu läbimõõt D , või need väärtused on ligikaudu võrdsed, siis augu taga jõuab heli ekraani taga oleva ala (helivarju ala) kõikidesse punktidesse. Väljuv lainefront näeb välja nagu poolkera.
Kui ƛ vaid veidi väiksem kui pilu läbimõõt, siis levib põhiosa lainest otse ja väike osa lahkneb veidi külgedele. Ja juhul, kui ƛ palju vähem D , liigub kogu laine edasisuunas.
heli peegeldus
Kui helilaine tabab kahe meediumi vahelist liidest, on selle edasiseks levimiseks võimalikud erinevad võimalused. Heli võib peegelduda liidesest, see võib minna teise meediumisse ilma suunda muutmata või see võib murduda, see tähendab minna, muutes oma suunda.
Oletame, et helilaine teele on tekkinud takistus, mille suurus on lainepikkusest palju suurem, näiteks kalju. Kuidas heli käitub? Kuna see ei saa sellest takistusest mööda minna, peegeldub see sellest. Takistuse taga on akustiline varjutsoon .
Takistusest peegelduvat heli nimetatakse kaja .
Helilaine peegelduse iseloom võib olla erinev. See sõltub peegeldava pinna kujust.
peegeldus nimetatakse helilaine suuna muutuseks kahe erineva meediumi vahelisel liidesel. Peegeldumisel naaseb laine keskkonda, kust see tuli.
Kui pind on tasane, peegeldub heli sellelt samamoodi nagu valguskiir peegeldub peeglist.
Nõgusalt pinnalt peegelduvad helikiired fokusseeritakse ühte punkti.
Kumer pind hajutab heli.
Dispersiooniefekti annavad kumerad sambad, suured liistud, lühtrid jne.
Heli ei liigu ühest kandjast teise, vaid peegeldub sealt, kui kandja tihedused oluliselt erinevad. Niisiis, vees ilmunud heli ei liigu õhku. Liideselt peegeldudes jääb see vette. Jõe kaldal seisev inimene seda heli ei kuule. Selle põhjuseks on vee ja õhu lainetakistuse suur erinevus. Akustikas on lainetakistus võrdne keskkonna tiheduse ja selles helikiiruse korrutisega. Kuna gaaside lainetakistus on palju väiksem kui vedelike ja tahkete ainete lainetakistus, siis õhu ja vee piirile jõudes peegeldub helilaine.
Vees olevad kalad ei kuule veepinna kohal tekkivat heli, kuid eristavad selgelt heli, mille allikaks on vees vibreeriv keha.
heli murdumine
Heli levimise suuna muutmist nimetatakse murdumine . See nähtus ilmneb siis, kui heli liigub ühest kandjast teise ja selle levimise kiirus neis kandjates on erinev.
Langemisnurga siinuse ja peegeldusnurga siinuse suhe võrdub heli levimiskiiruste suhtega keskkonnas.
kus i - langemisnurk,
r on peegeldusnurk,
v1 on heli levimise kiirus esimeses keskkonnas,
v2 on heli levimise kiirus teises keskkonnas,
n on murdumisnäitaja.
Heli murdumist nimetatakse murdumine .
Kui helilaine ei lange pinnaga risti, vaid 90°-st erineva nurga all, siis murdub laine langeva laine suunast kõrvale.
Heli murdumist võib täheldada mitte ainult kandjatevahelisel liidesel. Helilained võivad muuta oma suunda ebahomogeenses keskkonnas – atmosfääris, ookeanis.
Atmosfääris põhjustavad murdumist õhutemperatuuri muutused, õhumasside liikumiskiirus ja suund. Ja ookeanis ilmneb see vee omaduste heterogeensuse tõttu - erinev hüdrostaatiline rõhk erinevatel sügavustel, erinev temperatuur ja erinev soolsus.
heli neeldumine
Kui helilaine pinda tabab, neeldub osa selle energiast. Ja kui palju energiat meedium suudab neelata, saab määrata helineeldumistegurit teades. See koefitsient näitab, millise osa helivibratsiooni energiast neelab 1 m 2 takistust. Selle väärtus on vahemikus 0 kuni 1.
Heli neeldumise mõõtühikut nimetatakse sabin . See sai oma nime Ameerika füüsiku järgi Wallace Clement Sabin, arhitektuurse akustika asutaja. 1 sabin on energia, mis neelab 1 m 2 pinnast, mille neeldumistegur on 1. See tähendab, et selline pind peab neelama absoluutselt kogu helilaine energia.
Reverberatsioon
Wallace Sabin
Materjalide heli neelamise omadust kasutatakse arhitektuuris laialdaselt. Foggi muuseumisse kuuluva loengusaali akustikat uurides jõudis Wallace Clement Sabin järeldusele, et saali suuruse, akustiliste tingimuste, heli neelavate materjalide tüübi ja pindala vahel on seos, ja järelkaja aeg .
Reverb nimetatakse helilaine takistustelt peegeldumise protsessiks ja selle järkjärguliseks sumbumiseks pärast heliallika väljalülitamist. Suletud ruumis võib heli seintelt ja esemetelt mitu korda tagasi põrgata. Selle tulemusena ilmuvad erinevad kajasignaalid, millest igaüks kõlab justkui lahus. Seda efekti nimetatakse reverbi efekt .
Ruumi kõige olulisem omadus on järelkaja aeg , mille tutvustas ja arvutas välja Sabin.
kus V - ruumi maht,
AGA – üldine helineeldumine.
kus a i on materjali helineeldumistegur,
Si on iga pinna pindala.
Kui järelkõlaaeg on pikk, näivad helid ruumis ringi liikuvat. Need kattuvad üksteisega, summutavad peamise heliallika ja saal läheb buumiks. Lühikese järelkõlaajaga neelavad seinad kiiresti helid ja muutuvad kurdiks. Seetõttu peab igas toas olema oma täpne arvutus.
Arvutuste tulemuste põhjal paigutas Sabin helisummutavad materjalid nii, et "kajaefekt" vähenes. Ja Bostoni sümfooniasaali, kus ta akustikakonsultant oli, peetakse siiani üheks maailma parimaks saaliks.
Pikkade vahemaade tagant levib helienergia ainult mööda õrnaid kiiri, mis ei puuduta kogu tee ookeani põhja. Sel juhul on heli leviku ulatusele keskkonna poolt seatud piirang selle neeldumine merevees. Peamine neeldumismehhanism on seotud lõõgastusprotsessidega, mis kaasnevad akustilise lainega vees lahustunud ioonide ja soolade molekulide vahelise termodünaamilise tasakaalu rikkumisega. Tuleb märkida, et põhiroll laias helisagedusvahemikus neeldumisel on magneesiumsulfiidi soolal MgSO4, kuigi protsentuaalselt on selle sisaldus merevees üsna väike – peaaegu 10 korda väiksem kui näiteks NaCl kivimil. sool, mis sellegipoolest ei mängi heli neeldumisel olulist rolli.
Üldiselt neeldumine merevees on seda suurem, mida kõrgem on heli sagedus. Sagedustel 3-5 kuni vähemalt 100 kHz, kus domineerib ülaltoodud mehhanism, on neeldumine võrdeline sagedusega umbes 3/2 võimsuseni. Madalamatel sagedustel aktiveerub uus neeldumismehhanism (võimalik, et boorisoolade olemasolu tõttu vees), mis muutub eriti märgatavaks sadade hertside vahemikus; siin on neeldumistase anomaalselt kõrge ja väheneb sageduse vähenemisega palju aeglasemalt.
Merevees neeldumise kvantitatiivsete omaduste selgemaks kujutamiseks märgime, et selle mõju tõttu nõrgeneb heli sagedusega 100 Hz 10 tuhande km pikkusel teel ja sagedusega 10 kHz. - vaid 10 km kaugusel (joonis 2). Seega saab pikamaa veealuse side jaoks, veealuste takistuste kaugtuvastamiseks jms kasutada ainult madala sagedusega helilaineid.
Joonis 2 – Kaugused, mille juures eri sagedusega helid merevees levides sumbuvad 10 korda.
Sagedusvahemiku 20–2000 Hz kuuldavate helide piirkonnas ulatub keskmise intensiivsusega helide levimise ulatus vee all 15–20 km-ni ja ultraheli piirkonnas 3–5 km-ni.
Laboritingimustes väikese veekoguse korral täheldatud helisummutuse väärtuste põhjal võiks eeldada palju suuremaid vahemikke. Looduslikes tingimustes mõjutab aga lisaks vee enda omadustest tingitud summutusele (nn viskoosne sumbumine) ka selle hajumine ja neeldumine keskkonna erinevatest ebahomogeensustest.
Heli murdumine ehk helikiire teekonna kõverus on tingitud vee omaduste heterogeensusest, peamiselt piki vertikaali, mille põhjuseks on kolm peamist põhjust: hüdrostaatilise rõhu muutused sügavusega, soolsuse muutused ja temperatuurimuutused, mis on tingitud veemassi ebaühtlasest kuumenemisest päikesekiirte toimel. Nende põhjuste koosmõjul muutub heli levimise kiirus, mis magevee puhul on umbes 1450 m/s ja merevee puhul umbes 1500 m/s, sügavusega ning muutumise seadus sõltub aastaajast. , kellaaeg, reservuaari sügavus ja mitmed muud põhjused . Helikiired, mis väljuvad allikast mingi nurga all horisondi suhtes, painduvad ja painde suund sõltub helikiiruste jaotusest keskkonnas. Suvel, kui ülemised kihid on soojemad kui alumised, kõverduvad kiired allapoole ja peegelduvad enamasti altpoolt, kaotades olulise osa oma energiast. Vastupidi, talvel, kui alumised veekihid hoiavad oma temperatuuri, samas kui ülemised kihid jahtuvad, painduvad kiired ülespoole ja peegelduvad veepinnalt mitmekordselt, mille käigus läheb palju vähem energiat kaotsi. Seetõttu on talvel heli levimiskaugus suurem kui suvel. Murdumise tõttu nn. surnud tsoonid, st allika lähedal asuvad alad, kus puudub kuuldavus.
Murdumise olemasolu võib aga kaasa tuua heli leviku ulatuse suurenemise – see on helide ülipika levimise nähtus vee all. Mingil sügavusel veepinna all on kiht, milles heli levib väikseima kiirusega; sellest sügavusest kõrgemal suureneb heli kiirus temperatuuri tõusu tõttu ja allpool hüdrostaatilise rõhu suurenemise tõttu sügavusega. See kiht on omamoodi veealune helikanal. Murdumise tõttu kanali teljest üles või alla kõrvale kaldunud kiir kipub alati sinna tagasi sattuma. Kui sellesse kihti asetada heliallikas ja vastuvõtja, saab sadade ja tuhandete kilomeetrite kaugusel salvestada isegi keskmise intensiivsusega helisid (näiteks 1-2 kg väikeste laengute plahvatused). Heli leviku ulatuse olulist suurenemist veealuse helikanali olemasolul võib täheldada siis, kui heliallikas ja vastuvõtja ei asu tingimata kanali telje, vaid näiteks pinna lähedal. Sel juhul tungivad kiired allapoole murdudes sügavatesse kihtidesse, kus kalduvad ülespoole ja väljuvad allikast mitmekümne kilomeetri kaugusel uuesti pinnale. Edasi kordub kiirte levimismuster ja selle tulemusena järjestikused nn. sekundaarsed valgustatud tsoonid, mida tavaliselt jälgitakse mitmesaja km kaugusel.
Kõrgsageduslike helide, eriti ultraheli, levimist, kui lainepikkused on väga väikesed, mõjutavad väikesed ebahomogeensused, mida tavaliselt leidub looduslikes reservuaarides: mikroorganismid, gaasimullid jne. Need ebahomogeensused toimivad kahel viisil: nad neelavad ja hajutavad helilainete energiat. Selle tulemusena väheneb helivibratsioonide sageduse suurenemisega nende levimisulatus. See efekt on eriti märgatav vee pinnakihis, kus esineb kõige rohkem ebaühtlust. Heli hajumine ebahomogeensuste, aga ka veepinna ja põhja ebatasasuste tõttu põhjustab heliimpulsi saatmisega kaasneva veealuse järelkõla nähtuse: ebahomogeensuse ja ühinemise kombinatsioonist peegelduvad helilained annavad viivituse heliimpulss, mis jätkub pärast selle lõppu sarnaselt kinnistes ruumides täheldatava järelkõlaga. Veealune järelkõla on üsna märkimisväärne häire mitmete hüdroakustika praktiliste rakenduste jaoks, eriti sonari puhul.
Veealuste helide leviulatuse piire piirab ka nn. meremüra, millel on kaks päritolu. Osa mürast tuleneb lainete mõjust veepinnale, surfist, veerevate kivikeste mürast jne. Teine osa on seotud merefaunaga; see hõlmab kalade ja teiste mereloomade tekitatud helisid.
Helilained võivad levida erinevates keskkondades – vedelas, tahkes ja gaasilises olekus. Lained ei saa tekkida ainult õhuvabas ruumis. Mida tihedam on keskkond, seda suurem on heli levimise kiirus selles. Vees on helilainete kiirus rohkem kui neli korda suurem kui nende õhus levimise kiirus.
Siin on selle nähtuse seletus füüsikaliselt:
Heli levib elastses keskkonnas kiiremini. Mida suurem on selle keskkonna tihedus, seda soodsam on see helivibratsioonide levimiseks. Heli kiirus vees ulatub 1500 meetrini sekundis ja õhus - ainult 330-340 m / s, kiirus sõltub ka temperatuurist.
Võrdluseks, heli kiirus metallides on 5000 meetrit sekundis.
Helilained ei levi ainult õhuvabas ruumis, vedelas keskkonnas levivad rahulikult nii gaasilised kui ka tahked helilained.
Helilainete levimiskiirus sõltub otseselt keskkonna tihedusest, mida suurem on keskkonna tihedus, seda tugevam on laine levimiskiirus.
Vee tihedus on palju suurem kui õhu tihedus ja seetõttu on helilaine kiirus vees suurem.
Argumendiks, Volodja, tood sa peamise põhjuse. Jah. Kuna vesi on vähem kokkusurutav kui gaas. Tahke keha on vähem kokkusurutav (lainete levimise ajal) kui vedelik. Suures sügavuses vesi juhib heli kiiremini kui pinnal, seal on see rohkem kokkusurutud. Heli kiiruse ja keskkonna tiheduse vahel on pöördvõrdeline seos. Teisisõnu, mida vähem kokkusurutav on laine levimise keskkond, seda kiiremini see laine liigub.
Toon umbkaudse analoogia. Kui rong hakkab liikuma, jookseb kompositsioonist läbi mingi quot, wave kõliseb ja viimane vagun hakkab liikuma mõni aeg pärast seda, kui vedur on liikuma hakanud. Sama asi, kuid vastupidises järjekorras, toimub peatumise ajal. Ja kõik sellepärast, et kolmapäev kokkusurutav, autode vahel on teatav vahe, mis mängib quot rolli; tihendatavus keskkond. Kui alustamise (peatamise) hetkel kogu quot koosseis; või kokkusurutud (see pole näiteks horisontaalsel platvormil), siis viimane vagun liigub (peatub) peaaegu samaaegselt veduriga. Sööde ei ole kokkusurutav ja laine levib palju kiiremini.
Heli on lained, mis levivad mis tahes aines. Õhk on haruldane aine ja vesi on palju tihedam aine kui õhk. Seetõttu levivad helilained vees kiiremini kui õhus.
Helilained jagunevad piki- ja põikisuunalisteks. Heli levimise kiirus sõltub keskkonna tihedusest ja võib varieeruda üsna laiades piirides.Vees ja gaasilises keskkonnas, kus tiheduse kõikumine ei ole oluline, levivad akustilised lained pikisuunas ehk osakeste võnkesuunas. keskkonna osa langeb kokku laine liikumise suunaga. Tihedates (tahketes) kehades tekivad lisaks pikisuunalistele liikumistele ka elastsed nihkedeformatsioonid, mis põhjustavad põik- (nihke)lainete ilmnemist; seetõttu teostavad osakesed laine levimise suunaga risti võnkumisi. Lisaks laine levimissuunale mängib rolli ka keskkonna akustiline takistus ja rõhk. Lisaks sõltub heli kiirus ka sellisest tegurist nagu ainete kokkusurutavus.
Vee all levib heli kiiremini kui õhus ja viis korda kiiremini.
Isegi vaalad kuulevad üksteist 5 kilomeetri kaugusel.
Miks siis heli vee all kiiremini levib? Kõik sõltub tihedusest!
Vee tihedus on suurem kui õhul, kuid väiksem kui metallil. Sellest lähtuvalt edastatakse helid erinevalt.
Kuid helilained võivad levida isegi elastses keskkonnas, näiteks kui paned kõrva maapinnale, on kuulda sammude häält, kabja kolinat, autosõitu ja palju muud.
Heli on mehhaanilised vibratsioonid, mis edastatakse mis tahes keskkonnas ja mida tajub meel. Tulenevalt erinevate meediumite füüsikalistest omadustest on helivibratsioonide levimiskiirus erinev. Mida tihedam on keskkond, seda suurem on heli edastamise kiirus Vastus ülesandele: Helilained levivad vees kiiremini kui õhus, põhjusel, et vee tihedus on suurem.
Puhtas vees on heli kiirus 1500 meetrit sekundis, soojemas ja soolases vees see suureneb. Vesi on õhust tihedam, seega levib heli kiiremini. Lisaks tajub inimene veealust heli läbi koljuluude ning heli tajuvad mõlemad kõrvad, mistõttu jääb mulje, et helid veerevad igast küljest.
Enamik inimesi teab hästi, mis on heli. See on seotud kuulmisega ning on seotud füsioloogiliste ja psühholoogiliste protsessidega. Ajus töödeldakse kuulmisorganite kaudu tekkivaid aistinguid. Heli kiirus sõltub paljudest teguritest.
Helid, mida inimesed kuulevad
Selle sõna üldises tähenduses on heli füüsiline nähtus, mis avaldab mõju kuulmisorganitele. Sellel on erineva sagedusega pikisuunalised lained. Inimene kuuleb heli, mille sagedus on vahemikus 16–20 000 Hz. Need elastsed pikilained, mis levivad mitte ainult õhus, vaid ka teistes keskkondades, jõudes inimese kõrva, tekitavad heliaistinguid. Inimesed ei kuule kõike. Elastseid laineid sagedusega alla 16 Hz nimetatakse infraheliks ja üle 20 000 Hz - ultraheliks. Nende inimkõrv ei kuule.
Heli omadused
Helil on kaks peamist omadust: valjus ja helikõrgus. Esimene neist on seotud elastse helilaine intensiivsusega. On veel üks oluline näitaja. Kõrgust iseloomustav füüsikaline suurus on elastselaine võnkesagedus. Sel juhul kehtib üks reegel: mida suurem see on, seda kõrgem on heli ja vastupidi. Teine oluline omadus on heli kiirus. See on erinevates keskkondades erinev. See tähistab elastsete helilainete levimiskiirust. Gaasilises keskkonnas on see indikaator väiksem kui vedelikes. Heli kiirus tahketes ainetes on suurim. Pealegi on see pikisuunaliste lainete puhul alati suurem kui põiklainete puhul.
Helilaine kiirus
See indikaator sõltub söötme tihedusest ja selle elastsusest. Gaasilises keskkonnas mõjutab seda aine temperatuur. Heli kiirus ei sõltu reeglina laine amplituudist ja sagedusest. Harvadel juhtudel, kui need omadused mõjutavad, räägitakse nn hajutamisest. Heli kiirus aurudes või gaasides on vahemikus 150-1000 m/s. Vedelas keskkonnas on see juba 750-2000 m/s ja tahketes materjalides 2000-6500 m/s. Tavatingimustes ulatub heli kiirus õhus 331 m/s. Tavalises vees - 1500 m / s.
Helilainete kiirus erinevates keemilistes keskkondades
Heli levimise kiirus erinevates keemilistes keskkondades ei ole sama. Niisiis on see lämmastikus 334 m / s, õhus - 331, atsetüleenis - 327, ammoniaagis - 415, vesinikus - 1284, metaanis - 430, hapnikus - 316, heeliumis - 965, süsinikmonooksiidis - 338, süsihappes - 259, klooris - 206 m/s. Helilaine kiirus gaasilises keskkonnas suureneb temperatuuri (T) ja rõhu tõustes. Vedelikes väheneb see kõige sagedamini T suurenemisega mitme meetri võrra sekundis. Helikiirus (m/s) vedelas keskkonnas (temperatuuril 20 °C):
Vesi - 1490;
Etüülalkohol - 1180;
Benseen - 1324;
Merkuur - 1453;
Süsiniktetrakloriid - 920;
Glütseriin - 1923.
Ainus erand sellest reeglist on vesi, milles temperatuuri tõustes suureneb ka heli kiirus. See saavutab maksimumi, kui vedelikku kuumutatakse temperatuurini 74 °C. Temperatuuri edasise tõusuga heli kiirus väheneb. Rõhu suurenemisega suureneb see 0,01% / 1 Atm. Soolases merevees suureneb temperatuuri, sügavuse ja soolsuse tõustes ka heli kiirus. Teistes keskkondades varieerub see indikaator erineval viisil. Niisiis sõltub heli kiirus vedeliku ja gaasi segus selle komponentide kontsentratsioonist. Isotoopilises tahkes aines määravad selle tihedus ja elastsusmoodulid. Piiramata tihedas keskkonnas levivad põiki (nihke) ja pikisuunalised elastsed lained. Heli kiirus (m/s) tahketes ainetes (pikilaine/ristlaine):
Klaas - 3460-4800/2380-2560;
sulatatud kvarts - 5970/3762;
Betoon - 4200-5300/1100-1121;
Tsink - 4170-4200/2440;
teflon - 1340/*;
Raud - 5835-5950/*;
Kuld - 3200-3240/1200;
Alumiinium - 6320/3190;
Hõbe - 3660-3700/1600-1690;
Messing - 4600/2080;
Nikkel - 5630/2960.
Ferromagnetites sõltub helilaine kiirus magnetvälja tugevusest. Üksikkristallides sõltub helilaine kiirus (m/s) selle levimissuunast:
- rubiin (pikilaine) - 11240;
- kaadmiumsulfiid (piki- / põikisuunaline) - 3580/4500;
- liitiumniobaat (pikisuunaline) - 7330.
Heli kiirus vaakumis on 0, sest sellises keskkonnas see lihtsalt ei levi.
Heli kiiruse määramine
Kõik helisignaalidega seonduv huvitas meie esivanemaid tuhandeid aastaid tagasi. Peaaegu kõik iidse maailma silmapaistvad teadlased töötasid selle nähtuse olemuse määratlemise kallal. Isegi iidsed matemaatikud leidsid, et heli tekitavad keha võnkuvad liikumised. Eukleides ja Ptolemaios kirjutasid sellest. Aristoteles tegi kindlaks, et heli kiirus erineb lõpliku väärtuse võrra. Esimesed katsed seda näitajat määrata tegi F. Bacon 17. sajandil. Ta püüdis kiirust kindlaks teha, võrreldes lasu heli ja valgussähvatuse vahelisi ajavahemikke. Selle meetodi põhjal määras Pariisi Teaduste Akadeemia füüsikute rühm esimest korda helilaine kiiruse. Erinevates katsetingimustes oli see 350–390 m/s. Helikiiruse teoreetilist põhjendust käsitles esimest korda oma "Põhimõttes" I. Newton. P.S.-l õnnestus see näitaja õigesti määrata. Laplace.
Heli kiiruse valemid
Gaasilistes keskkondades ja vedelikes, milles heli levib reeglina adiabaatiliselt, ei saa pikisuunalises laines paisumise ja kokkusurumisega kaasnev temperatuurimuutus lühikese aja jooksul kiiresti ühtlustada. Ilmselt mõjutavad seda arvu mitmed tegurid. Helilaine kiirus homogeenses gaasilises keskkonnas või vedelikus määratakse järgmise valemiga:
kus β on adiabaatiline kokkusurutavus, ρ on keskkonna tihedus.
Osatuletisinstrumentides arvutatakse see väärtus järgmise valemi järgi:
c 2 \u003d -υ 2 (δρ / δυ) S \u003d -υ 2 Cp / Cυ (δρ / δυ) T,
kus ρ, T, υ on keskkonna rõhk, selle temperatuur ja eriruumala; S - entroopia; Cp - isobaarne soojusmahtuvus; Cυ - isohooriline soojusmahtuvus. Gaasilise keskkonna puhul näeb see valem välja järgmine:
c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,
kus ζ on adiabaadi väärtus: 4/3 mitmeaatomiliste gaaside puhul, 5/3 üheaatomiliste gaaside puhul, 7/5 kaheaatomiliste gaaside puhul (õhk); R - gaasikonstant (universaalne); T on absoluutne temperatuur, mõõdetuna kelvinites; k - Boltzmanni konstant; t - temperatuur °C; M on molaarmass; m on molekulmass; ά 2 = ζR/M.
Heli kiiruse määramine tahkes kehas
Homogeensusega tahkes kehas on kahte tüüpi laineid, mis erinevad võnkumiste polarisatsiooni poolest nende levimissuuna suhtes: põik- (S) ja pikisuunalised (P). Esimese (C S) kiirus on alati väiksem kui teise (C P):
C P 2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1-v)/(1 + v)(1-2v)ρ;
C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,
kus K, E, G - survemoodulid, Young, nihke; v - Poissoni koefitsient. Heli kiiruse arvutamisel tahkes kehas kasutatakse adiabaatilisi elastsusmooduleid.
Heli kiirus mitmefaasilises meedias
Mitmefaasilises keskkonnas on heli kiirus energia mitteelastse neeldumise tõttu otseses sõltuvuses vibratsiooni sagedusest. Kahefaasilises poorses keskkonnas arvutatakse see Biot-Nikolaevsky võrrandite abil.
Järeldus
Helilaine kiiruse mõõtmist kasutatakse ainete erinevate omaduste, näiteks tahke aine elastsusmoodulite, vedelike ja gaaside kokkusurutavuse määramisel. Tundlik meetod lisandite määramiseks on helilaine kiiruse väikeste muutuste mõõtmine. Tahkistes ainetes võimaldab selle indeksi kõikumine uurida pooljuhtide ribastruktuuri. Heli kiirus on väga oluline suurus, mille mõõtmine võimaldab palju teada saada mitmesuguste meediumide, kehade ja muude teaduslike uurimisobjektide kohta. Ilma selle kindlaksmääramise võimaluseta oleksid paljud teaduslikud avastused võimatud.
Me tajume helisid nende allikatest kaugel. Tavaliselt liigub heli meieni õhu kaudu. Õhk on elastne keskkond, mis edastab heli.
Pane tähele!
Kui heli edastuskandja eemaldatakse allika ja vastuvõtja vahelt, siis heli ei levi ja seetõttu vastuvõtja seda ei taju.
Näide:
Asetame äratuskella õhupumba kella alla (joonis 1).
Kuni kellas on õhku, on kella heli selgelt kuulda. Kui kella alt õhku välja pumbatakse, siis heli tasapisi nõrgeneb ja lõpuks muutub kuuldamatuks. Ilma edastusvahendita ei saa kella taldriku vibratsioon levida ja heli ei jõua meie kõrva. Lase õhku kella alla ja kuule uuesti helinat.
Pane tähele!
Elastsed ained, nagu metallid, puit, vedelikud, gaasid, juhivad hästi helisid.
Paneme puidust tahvli ühte otsa taskukella ja me ise liigume teise otsa. Kui asetate oma kõrva tahvlile, kuuleme kella (joonis 2).
Seo metalllusika külge nöör. Kinnitage nööri ots kõrva külge. Lusikat lüües kuuleme tugevat heli (joonis 3). Veelgi tugevamat heli kuuleme, kui asendame nööri traadiga.
Pane tähele!
Pehmed ja poorsed kehad on halvad helijuhid.
Ruumi kaitsmiseks võõraste helide eest on seinad, põrand ja lagi kaetud helisummutavate materjalide kihtidega. Vahekihtidena kasutatakse vilti, presskorki, poorseid kive, erinevaid vahtpolümeeride baasil valmistatud sünteetilisi materjale (näiteks vahtplast). Heli sellistes kihtides sumbub kiiresti.
Heli levib igas elastses keskkonnas – tahkes, vedelas ja gaasilises, kuid ei saa levida ruumis, kus ainet pole.
Allika võnkumised tekitavad oma keskkonnas elastse helisageduslaine. Kõrva jõudev laine mõjub kuulmekile, pannes selle vibreerima heliallika sagedusele vastava sagedusega. Trummikesta värisemine kandub luuluude kaudu kuulmisnärvi otstesse, ärritab neid ja tekitab seeläbi helitunde (joon. 4).
Gaasides ja vedelikes võivad eksisteerida ainult pikisuunalised elastsed lained. Seetõttu edastatakse õhus heli pikisuunaliste lainete kaudu, st heliallikast tuleva õhu vahelduvate kondenseerumiste ja hõrenemiste kaudu.
Helilaine, nagu kõik teised mehaanilised lained, ei levi ruumis koheselt, vaid teatud kiirusega.
Püssi pauku vaadates näeme esmalt tuld ja suitsu ning siis mõne aja pärast kuulme ka lasu häält.
Laadimine...
