Дыбыс толқыны – белгілі бір жиіліктегі механикалық бойлық толқын. Мақалада біз бойлық және көлденең толқындардың не екенін түсінеміз, неге әрбір механикалық толқын дыбыс емес. Толқынның жылдамдығын және дыбыстың пайда болу жиілігін табыңыз. Дыбыстың әртүрлі орталарда бірдей екенін білейік және формула арқылы оның жылдамдығын қалай табуға болатынын білейік.
Толқын пайда болады
Су бетін елестетейік, мысалы, тыныш ауа-райындағы тоған. Егер сіз тас лақтырсаңыз, онда судың бетінде біз ортасынан алшақ жатқан шеңберлерді көреміз. Ал тасты емес, шарды алып, тербелмелі қозғалысқа келтірсек не болады? Шеңберлер доптың дірілінен үнемі пайда болады. Біз компьютерлік анимацияда көрсетілгендей шамамен көреміз.
Егер біз флотты шардан біршама қашықтықта түсірсек, ол да тербеледі. Уақыт өте келе кеңістікте ауытқулар алшақтайтын болса, бұл процесс толқын деп аталады.
Дыбыс қасиеттерін (толқын ұзындығы, толқын жылдамдығы, т.б.) зерттеу үшін әйгілі «Радуга» ойыншығы немесе Бақытты кемпірқосақ қолайлы.
Серіппені созайық, тыныштандырып, қатты шайқаймыз. Бұлақ бойымен ағып, кейін қайта оралған толқын пайда болғанын көреміз. Бұл кедергіден көрінеді дегенді білдіреді. Уақыт өте келе бұлақ бойымен толқынның қалай тарағанын байқадық. Серіппенің бөлшектері тепе-теңдік күйіне қатысты жоғары және төмен жылжыды, ал толқын солға және оңға қарай жүгірді. Мұндай толқын көлденең толқын деп аталады. Онда оның таралу бағыты бөлшектердің тербеліс бағытына перпендикуляр болады. Біздің жағдайда толқынның таралу ортасы серіппелі болды.
Енді серіппені созайық, тыныштандырып, алға-артқа тартайық. Серіппенің орамдары оның бойымен қысылғанын көреміз. Толқын бір бағытта қозғалады. Бір жерде серіппе көбірек қысылады, екінші жерде ол көбірек созылады. Мұндай толқын бойлық деп аталады. Оның бөлшектерінің тербеліс бағыты таралу бағытымен сәйкес келеді.
Тығыз ортаны, мысалы, қатты денені елестетейік. Егер оны қырқу арқылы деформацияласақ, толқын пайда болады. Ол тек қатты денелерде әрекет ететін серпімді күштердің арқасында пайда болады. Бұл күштер серпімді толқынды қалпына келтіру және тудыру рөлін атқарады.
Сұйықтықты ығысу арқылы деформациялауға болмайды. Көлденең толқын газдар мен сұйықтарда тарала алмайды. Тағы бір нәрсе бойлық: ол серпімді күштер әрекет ететін барлық ортада таралады. Бойлық толқында бөлшектер бір-біріне жақындайды, содан кейін алыстайды және ортаның өзі қысылып, сирек болады.
Көп адамдар сұйықтық деп ойлайдысығылмайды, бірақ олай емес. Шприцтің поршеніне сумен бассаңыз, ол аздап кішірейеді. Газдарда қысу-созылу деформациясы да мүмкін. Бос шприцтің поршенін басқанда ауа қысылады.
Жылдамдық және толқын ұзындығы
Мақаланың басында қарастырған анимацияға оралайық. Шартты шардан алшақ жатқан шеңберлердің бірінен ерікті нүктені таңдаймыз және оны орындаймыз. Нүкте орталықтан алыстайды. Оның қозғалу жылдамдығы толқын шыңының жылдамдығы болып табылады. Қорытындылай аламыз: толқынның сипаттамаларының бірі - толқын жылдамдығы.
Анимация толқынның шыңдары бірдей қашықтықта орналасқанын көрсетеді. Бұл толқын ұзындығы - оның тағы бір сипаттамалары. Толқындар неғұрлым жиі болса, олардың ұзындығы соғұрлым қысқа болады.
Неге әрбір механикалық толқын дыбыс емес
Алюминий сызғышты алыңыз.
Бұл серпінді, сондықтан тәжірибе үшін жақсы. Сызғышты үстелдің шетіне қойып, қатты шығып тұратындай етіп қолымызбен басамыз. Біз оның шетіне басып, оны күрт босатамыз - бос бөлік дірілдей бастайды, бірақ дыбыс болмайды. Сызғышты сәл ғана ұзартсаңыз, қысқа жиектің дірілінен дыбыс шығады.
Бұл тәжірибе нені көрсетеді? Ол дыбыс ортадағы толқын жылдамдығы жоғары болған кезде дене жеткілікті жылдам қозғалғанда ғана пайда болатынын көрсетеді. Толқынның тағы бір сипаттамасын - жиілікті енгізейік. Бұл мән дененің секундына қанша тербеліс жасайтынын көрсетеді. Біз ауада толқын жасағанда, дыбыс белгілі бір жағдайларда - жеткілікті болғанда пайда боладыжоғары жиілік.
Дыбыс механикалық толқындарға қатысты болса да, толқын емес екенін түсіну маңызды. Дыбыс – дыбыс (акустикалық) толқындар құлаққа енгенде пайда болатын сезім.
Сызғышқа оралайық. Үлкен бөлігі ұзартылған кезде сызғыш тербеледі және дыбыс шығармайды. Бұл толқын тудырады ма? Әрине, бірақ бұл дыбыс толқыны емес, механикалық толқын. Енді дыбыс толқынын анықтай аламыз. Бұл механикалық бойлық толқын, оның жиілігі 20 Гц-тен 20 мың Гц-ке дейін. Жиілік 20 Гц-тен аз немесе 20 кГц-тен жоғары болса, діріл пайда болғанымен, біз оны естімейміз.
Дыбыс көзі
Кез келген тербелмелі дене акустикалық толқындардың көзі бола алады, оған тек серпімді орта қажет, мысалы, ауа. Қатты дене ғана емес, сұйық және газ да дірілдей алады. Бірнеше газдардың қоспасы ретінде ауа таралу ортасы ғана емес, оның өзі акустикалық толқын тудыруға қабілетті. Үрмелі аспаптар үнінің негізінде оның тербелісі жатыр. Сыбызғы немесе керней дірілдемейді. Бұл ауа сирек және сығылған, толқынға белгілі бір жылдамдық береді, нәтижесінде дыбысты естиміз.
Дыбысты әртүрлі орталарда тарату
Біз әр түрлі заттардың дыбыс шығаратынын білдік: сұйық, қатты, газ тәрізді. Бұл акустикалық толқынды өткізу қабілетіне де қатысты. Дыбыс вакуумнан басқа кез келген серпімді ортада (сұйық, қатты, газ тәріздес) таралады. Айда делік, бос кеңістікте біз дірілдеген дененің дыбысын естімейміз.
Адам қабылдайтын дыбыстардың көпшілігі ауа арқылы таралады. Балықтар, медузалар су арқылы ауытқыған акустикалық толқынды естиді. Судың астына сүңгісек, біз де өтіп бара жатқан моторлы қайықтың шуын естиміз. Оның үстіне толқын ұзындығы мен толқын жылдамдығы ауаға қарағанда жоғары болады. Бұл мотордың дыбысы су астына сүңгіп бара жатқан адамға бірінші болып естілетінін білдіреді. Сол жерде қайығында отырған балықшы шуды кейін естиді.
Қатты денелерде дыбыс одан да жақсы таралады және толқын жылдамдығы жоғарырақ. Құлағыңызға қатты затты, әсіресе металды қойып, оны түртсеңіз, сіз өте жақсы естисіз. Тағы бір мысал - сіздің дауысыңыз. Бұрын дыбыс жазғышта немесе бейнежазбадан жазылған сөзімізді алғаш естігенде, дауыс бөтен болып көрінеді. Неліктен бұл болып жатыр? Өйткені өмірде біз аузымыздан дыбыс тербелістерін емес, бас сүйегіміздің сүйектері арқылы өтетін толқындардың тербелісін естиміз. Бұл кедергілерден шағылысқан дыбыс аздап өзгереді.
Дыбыс жылдамдығы
Дыбыс толқынының жылдамдығы, егер бір дыбысты қарастырсақ, әртүрлі ортада әртүрлі болады. Орта неғұрлым тығыз болса, дыбыс соғұрлым тезірек құлағымызға жетеді. Пойыз бізден алысқа баруы мүмкін, доңғалақтардың дыбысы әлі естілмейді. Дегенмен, құлағыңызды рельске тақасаңыз, гуілді анық естиміз.
Бұл дыбыс толқындарының ауаға қарағанда қатты денелерде жылдамырақ таралатынын көрсетеді. Сурет әртүрлі орталардағы дыбыс жылдамдығын көрсетеді.
Толқын теңдеуі
Жылдамдық, жиілік және толқын ұзындығы бір-бірімен байланысты. Жоғары жиілікте тербелетін денелер үшін толқын қысқа болады. Төмен жиілікті дыбыстарды үлкенірек қашықтықта естуге болады, себебі олардың толқын ұзындығы үлкен. Екі толқын теңдеуі бар. Олар бір-бірінен толқындық сипаттамалардың өзара тәуелділігін көрсетеді. Теңдеулерден кез келген екі шаманы біле отырып, үшіншісін есептеуге болады:
с=ν × λ, мұндағы c – жылдамдық, ν – жиілік, λ – толқын ұзындығы.
Екінші акустикалық толқын теңдеуі:
s=λ / T, мұндағы T – период, яғни дененің бір тербеліс жасайтын уақыты.
