Helilained Seisev laine on sulustatud piirkonnas vastassuunaliste lainete

Helilained

Seisev laine on sulustatud piirkonnas vastassuunaliste lainete interferentsi tulemus, mille korral energia levikut ei toimu Seisulaine tekib juhul, kui laineid juhtiva keha otsale lähenev laine ning otsalt tagasi peegeldunud laine tugevdavad teineteist interferentsil. Seisulaine iga punkt võngub kindla amplituudiga. Punkte, kus amplituud on maksimaalne, nimetatakse seisulaine paisudeks. Punkte, mis ei võngu (amplituud = 0) nimetatakse seisulaine sõlmedeks. Laineid juhtiva keha otstel paikneb alati seisulaine sõlm. Seetõttu peab keha pikkusele L mahtuma täisarv m poollainepikkusi: Laine sõlmedes, kui võnkeamplituud = 0.

Sulustatud piirkondades moodustuvad seisvad lained Seisev laine on keskkonna võnkuv olek Seisva laine võrrand: y(x, t) = A(x) cos(ωt + φ) Seisva laine faas ei sisalda ruumikoordinaati ja sõltub vaid ajast Seetõttu ei kanna ta edasi energiat, küll aga omab seda cos ωt määrab laine hetkeamplituudi. Amplituud muudab märki Lainefüüsikas võnkumine esineb kui seisulaine

Seisvad lained - Piiratud keskkonnad toetavad vaid teatud sagedusi, mida nimetatakse resonantssagedusteks ja nendega seotud lainepikkusi - Resonantsi tingimuseks on, et piirkonda mahub täpselt täisarv n korda poollaineid - Seda tingib asjaolu, et keskkonna piiril saab laine amplituud olla vaid 0 (mis on võnkumise ääretingimus)

Resonantsi tingimuseks on, et piirkonda mahub täpselt täisarv n korda poollaineid Põhitoon (fundamental frequency, sünonüümid: juhtheli, juhttoon, põhiheli) on naturaalhelirea toon, mille sagedus võrdub heliallika väikseima võnkesagedusega (n=1, 1 poollaine) Ülemtoon (overtone, ülemheli) põhitooni kordne sagedus, mille n = 2, 3, 4. . . poollainet Osahelid (sünonüümid: osatoonid, harmoonikud, harmoonilised helid) on põhitoon koos ülemhelidega. Osahelid tekivad harmoonilise võnkumise korral sellest, et keha võngub ühel ajal nii tervikuna kui ka kaheksandik-, kolmandik-, neljandik- jne. osadena. Osahelid moodustavad naturaalhelirea. Mõistete "ülemhelid" ja "osahelid" tihe seos tingib muusikapraktikast tulenevalt tihti nende mõistete kasutamise sünonüümidena, mis pole päris õige. Järgnevas tabelis on näha mõistete omavaheline seos: 1 f 2 f 3 f 4 f n=1 n=2 n=3 n=4 440 Hz 880 Hz 1320 Hz 1760 Hz põhitoon esimene ülemheli teine ülemheli kolmas ülemheli esimene osaheli teine osaheli kolmas osaheli neljas osaheli Ülemhelide arvust ja suhtelisest tugevusest oleneb põhiheli tämber (tone-colour). Muusikariista kõlakast tõstab mõned ülemtoonid esile. Nii tekib iseloomulik kõlavärving ehk tämber.

Eriti huvilistele 1 f 2 f 3 f 4 f n=1 n=2 n=3 n=4 440 Hz 880 Hz 1320 Hz 1760 Hz põhitoon esimene ülemheli teine ülemheli kolmas ülemheli Kui pillikeele pikkus on L, sinna peab mahtuma täisarv poollainepikkusi: L = (λ/2)n millest λ = 2 L/n

Eriti huvilistele Elastse laine energia on võrdeline aine tihedusega ja sageduse ja amplituudi ruuduga Lainete intensiivsus näitab, kui palju energiat kannab laine ajaühikus läbi levimissuunaga ristuva ühikulise pinna. Intensiivsuse SI-ühikuks on 1 W/m 2. Oletame, et helilaine allikas on võnkuv membraan. Energia, mida saadetake keskkonda, on membraani liikumise kineetiline energia ja on võrdeline kiiruse ruuduga. Membraani kineetiline energia muundub õhu deformatsiooni potentsiaalseks energiaks.

Eriti huvilistele Helirõhk on rõhk, mis tekib helilaine levimisel gaasis või vedelikus. See on akustiliste võnkumiste poolt tekitatud rõhk p pinnale. Inimkõrvas kuulmisaistingut tekitav minimaalne rõhk on 10 -5 Pa. See on 1010 korda väiksem atmosfäärirõhust. Valuaistingut tekitab helirõhk ligikaudu 100 Pa(1 atm=105 Pa) Helirõhutase (müratase) (Lp) on suhteline helirõhk, mis määratakse detsibellides (d. B) kuuldeläve helirõhu suhtes p 0 = 2*10 -5 N/m 2 = 20 µPa (kuuldeläve helirõhk). Helirõhu suhteline tase (Lp)

Akustiline seisulaine gaasis Molekulide liikumine Rõhk

Heli on elastses keskkonnas lainena leviv võnkumine, kitsamas mõttes inimkõrvaga kuuldav võnkliikumine. Helilaine võib levida kas tasalainena või keralainena. Tasalainet saab tekitada suur tasapinnaline keha, mis võngub edasi-tagasi. Kerapinnaline helilaine ehk keralaine tekitab heliallikas, mille mõõtmed on väikesed võrreldes lainepikkusega. Enamik reaalseid heliallikaid tekitavad keralaine. Kaugustel, mis on suuremad kui 10 heli lainepikkust, võib keralaine väikest osa käsitleda kui tasalainet. Helide liigitus Muusikalised helid on helid, mis koosnevad harmoonilistest võnkumistest. Neid tekitavad näiteks helihargid, muusikariistad, lauljad jne. Mürad on helid, mille ajaline käik ei ole perioodiline ja tundub inimkõrva jaoks korrapäratu. Võib öelda ka, et müra on kombinatsioon nõrkadest ja sagedastest löökidest. Löögid on väga lühiajalised helid, mis tekivad näiteks paukudest, plahvatustest, elektrisädemetest, raskete kehade löökidest jne.

Heli on elastses keskkonnas leviv elastsuslaine (gaasis või vedelikus - pikilaine, tahkes – piki- aga ka ka ristlaine) Õhus vibreeriv keha “tõukab” temaga kokkupuutuvaid molekule vibreerimise suunas, ning see ebaühtlane õhu liikumine kandub edasi molekulide liikumise kiirusega (seega sõltub temperatuurist ja gaasi molaarmassist). Gaasides molekulid on üksteisest kaugel ja liiguvad korrapäratult ning helikiirus on madal: 259 ms-1 (CO 2) – 1284 ms-1 (H 2), õhus – 331 ms-1. Vedelikes on molekulid väga lähedal ja “tõuge” levib palju kiiremini: 1350 ms-1(H 2 O), klaasis – 5 km s-1, puidus – 4 km s-1, Kristallilise ehitusega tahketes kehades “tõuke” deformatsioonile lisanduvad painde ja väände deformatsioonid, mis tekitavad ka ristlaineid. Metallides heli kiirus ulatub kuni 6 km s-1.

Kas saab ka kiiremini kui molekulid? Eriti huvilistele Kui keha liigub vees aeglaselt – laine “jookseb” temast eespool ning tekitab taha “koonuse”. Sama nähtus toimub ka õhus. Lööklainet ei teki. Kui keha kiirus võrdub molekulide liikumise kiirusega (helikiirusega) tekib tema ette kokkusurutud gaasi molekulide kiht– järsk tiheduse/rõhu hüpe mida nimetatakse lööklaineks. Kui keha kiirus ületab helikiiruse (animatsioonil 2 x helikiirus), helilained tekitavad keha taha koonilise lööklaine frondi.

Eriti huvilistele Keha kiire liikumine õhus (Kuna õhus levivaid laineid ei ole näha, kujutage ette lainete levimist vees. ) Õhk on kokkusurutav ja kiirendusega liikuva keha ette tekib järjest tihedam õhukiht, mis “jookseb” tema ees molekulide liikumise kiirusega ning suunab õhuvoolud sujuvalt kehast mööda. Kui keha (nt. lennuki) kiirus võrdub molekulide liikumise kiirusega (helikiirusega) tekib tema ette “sein” kokkusurutud gaasi molekulidest – järsk tiheduse/rõhu hüpe mida nimetatakse lööklaineks. Selline tiheda gaasi “sein” tekitab suurt koormust lennuki tiibadele ning suurendab lennukite purunemise tõenäosust. “Löök”, mida kuuleme lennuki möödumisel, ongi maapinnale jõudnud lööklaine. Ekslikult arvatakse, et pauk käib sellel hetkel, kui lennuk ületab helikiiruse. Tegelikult. . . kui lennuk lendab teist 5 X üle, siis kuulete ka 5 “lööki”.

Eriti huvilistele Helibarjäär on kiiruste piirkond, kus keha aerodünaamiline takistus kasvab järsult. Kui õhus (atmosfääris) liikuva keha kiirus läheneb helikiirusele, siis tekib õhu kokkusurutavuse tõttu sellest kehast lähtuv lööklaine. Lööklaine tagajärjel suureneb õhus liikuva keha aerodünaamiline takistus hüppeliselt enne helikiiruse ületamist. Aerodünaamikas nimetatakse sellist nähtust piltlikult helibarjääriks. Peale helikiiruse ületamist aerodünaamiline takistus väheneb, kuid jääb suuremaks kui allahelikiirust lennates. Helibarjääri ületamisel võib sageli näha startivast raketist või kiirenduvast lennukist lähtuvat kergelt koonusekujulist pilvetaolist moodustist. See on tingitud veeauru kondensatsioonist, mis tekib väikses tsoonis lennuki taga, seoses kiire rõhu ja temperatuuri langemisega. Esmakordselt ületati helikiirust 1947 a. Aastal 2010 mehitamata USA katselennuk hoidis 5 X helikiirust (6200 km/h) 3 min jooksul.

Eriti huvilistele Tšeljabinski meteooriplahvatus 2013. aasta 15. veebruari hommikul, umbes kell 9: 15 kohaliku aja järgi, tabas Tšeljabinski linna vähemalt 54 000 km/h (15 km/s) kiirusel umbes 10 tonni kaalunud maaväline keha. Plahvatus toimus 15 -25 km kõrgusel maapinnast, plahvatuse võimsus oli umbes 500 kilotonni TNT, mis on kuni 30 korda võimsam kui Hirošima plahvatus. Lööklaine tagajärjel said kannatada 1142 inimest ja üle 3000 ehitise Lööklaine (shock wave) on gaasi tugeval ning järsul kokkusurumisel (nt plahvatuse puhul) tekkiv liikuv pind (nn lainefront), milles keskkonna tihedus, rõhk ja osakeste kiirus muutuvad hüppeliselt.

Eriti huvilistele Kui kaugel on äikesepilv? Välk on võimas nähtav elektrilahendus, mis esineb äikesepilves, pilvede vahel või pilve ja maapinna vahel. Tavaliselt välk kestab 0, 2 sekundit. Selle ajaga jõuab säde pilve ja maa vahel üles-alla käia isegi mitukümmend korda. Kõige rohkem on joonvälku, mis kujutab endast harilikult 2. . . 3 km pikkust mitmeharulist välgukanalit. Sähvatusele järgnev lööklaine, mis tekib välgu kuumusest plahvatuslikult paisuvast õhust, põhjustab kõue ehk müristamise. Mida kaugemal välku lööb, seda pikem on välgu ja müristamise vaheline aeg. Aikesepilve kaugust tavaliselt arvutatakse : 1 kilomeetrile vastab 3 s (helikiirus 330 m/s). See ei ole õige. Plahvatuse lööklaine levib alguses suurema kiirusega kui helikiirus (kuni 2 km/s) ja kaugemal väheneb helikiiruseni.

Eriti huvilistele Heli kõrgus Harmoonilist helivõnkumist tajub inimene mingi kindla muusikalise toonina. Heli kõrgusele vastab heli sagedus: suure sagedusega võnkumist tajutakse kõrge toonina, väikese sagedusega võnkumist madala toonina. Heli sagedus näitab, mitu täisvõnget sooritab õhuosake ühe sekundi jooksul, (1 Hz = 1 s-1). Helivõnkumiste sagedusvahemikku, mis vastab sageduse muutumisele 2 korda, nimetatakse oktaaviks. Noodi nimetus do Sagedus (Hz) 261. 6 re mi fa sol la si do 293. 7 329. 6 349. 2 392 440 493. 9 523. 2 Heli valjus Suure amplituudiga helivõnkumist tajub inimkõrv valju helina, väikese amplituudiga võnkumist aga nõrga helina. Heli kiirus c avaldub valemiga: kus E on keskkonna ruumelastsusmoodul ja ρ on keskkonna tihedus. Heli levib igas keskkonnas kindla, sellele keskkonnale omase kiirusega. Helikiirus v on on võrdne sageduse f ja lainepikkuse l korrutisega: Heli kiirus õhus on 332 m/s. 1 sekundi pikkune helisignaal võtab õhus enda alla 332 meetri pikkuse lõigu (sõltumata heli sagedusest).

Helid meie ümber Eriti huvilistele Helilaine levimine on molekulidelt molekulidele üle kanduva võnkumise tulemus. Heli levimise kiirus sõltub keskkonna tihedusest. Õhus levib helilaine keskmiselt kiirusega 340 m/s, vees 1500 m/s. Inimene kuuleb helivõnkumisi sagedusvahemikus umbes 16 -20000 hertsi. Väikestel lastel võib ülemine piir ulatuda isegi kuni 40000 hertsini. Kõige tundlikum on kõrv helisagedustele vahemikus 1 -3 k. Hz. Üksteise järel esitatavaid helikõrguseid eristatakse maksimaalse tundlikkuse alas (800 – 1500 Hz) keskmiselt kolme hertsise täpsusega. Kõrgematel sagedustel on täpsus väiksem. Vanusega hakkab helisageduste kõrguse ülempiir vähenema: 30 -aastased ei kuule üle 15 k. Hz, 50 -aastased - üle 12 k. Hz ja 70 -aastased - kõrgemaid sagedusi kui 6 k. Hz, mis vastab normaalses kõnes esinevatele sagedustele. Kõige madalam meeslauluhääl on sagedusega 60 Hz, naishääl võib lauldes küündida sageduseni 12000 Hz. Rootsi uuring (~2000 a. ): kuini 10 % noortest ei kuule linnulaulu (kõrvaklapid, disko). Telefonisüsteemides edastatakse reeglina helisid sagedusega 300 Hz – 3400 Hz (seega serenaadi laulmine telefoni kaudu ei ole eriti mõtekas).

Eriti huvilistele Peale kuuldavate helide on veel madalamaid ja kõrgemaid helisid, mida inimkõrv ei kuule. Infraheli (alla 16 Hz) ei ole kuuldav, kuid selle mõju on tuntav. Õhus on nende lainete pikkus üle 20 meetri. Infraheli võib tekkida erinevatel põhjustel: tuule liikumisel üle suuremõõtmeliste takistuste (hoonete, elektripostide, merelainete); plahvatuste, vulkaanipursete, maavärisemise ja äikesega; mitmesuguste mehhanismide töötamisel, masinate vibreerimisel. Kuna infraheli on suure lainepikkusega, levib see mitmesugustes keskkondades (ka maakoores) peaaegu nõrgenemata. Infraheli paindub kergesti sellliste takistuste taha, mille mõõtmed on samas suurusjärgus infraheli lainepikkusega. Vähese neeldumise ja suure paindumise tõttu tungib infraheli kõikjale - hoonetesse, maa sisse, vette. Infraheli raskesti avastatav, sest tavalised mikrofonid ei registreeri seda. Maavärisemisele või tsunamile eelnev infraheli võib hoiatada läheneva loodusõnnetuse eest. Kuna infraheli levib ka mööda maapinda, võib seda registreerida seismograafiga, millel on vastava sagedusega tööpiirkond.

Eriti huvilistele Infraheli mõjub inimorganismile väga halvasti, põhjustades väsimust, iiveldust, unisust, hirmu, ärevust ning olulist reageerimiskiiruse ja tasakaalu nõrgenemist. Selle põhjuseks on asjaolu, et inimeste siseorganid (süda, kopsud, magu, sisekõrv jne. ) võnguvad sagedustega 3 - 12 Hz. Infraheli võib inimese siseelundid viia resonantsi. Infraheli võib põhjustada autojuhtidel suure kiirusega sõites väsimust, nägemisteravuse halvenemist ja hirmutunnet. Näiteks: kui sõiduauto sõidab kiirusega 100 km/h, tekitab see infraheli valjusega 100 d. B. Pakiraam katusel ja avatud autoaken suurendavad infraheli tugevust. Infraheli kaasneb ka mootorrataste, kopterite, lennukite ja rakettide liikumisel. Laevade mootoriruumides on peale tugeva akustilise müra ka väga tugev infraheli. Sagedused 0. 3 -4 Hz (unes) ja 9 -13 Hz päeval võivad tekitada hallutsinatsioone. Sagedus 7 Hz – aju α-rütmi sagedus, 19 Hz – silmamunade resonants, 6 -9 Hz – kudede rebenemine (> 130 d. B). 1944. a.

Eriti huvilistele Ultraheli Kõrgema sagedusega helisid, mille sagedus on üle 20000 Hz, nimetatakse ultraheliks. Ultrahelidiagnostika: kuna ultraheli peegeldub osaliselt kudede lahutuspinnalt, siis võimaldab see määrata erinevate kudede asendit. Tööstuses kasutatakse ultraheli esemete või detailide defektide kindlakstegemisel. Kui esemel on pragusid või konarusi, UH peegeldub nende pinnalt ja siis on võimalik kajameetodil määrata defektide asukohta ja sügavust. Laevanduses kasutatakse ultraheli kalaparvede, allveelaevade, jäämägede ja mitmesuguste teiste veealuste objektide asukoha määramiseks. Ultraheliga saab uurida ka merepõhja sügavust ja põhja reljeefi. Kajalood saadab merepõhja lühikese ultrahelisignaali, heli peegeldub tagasi. Kaugus objektini = 0. 5 · aeg · heli kiirus.

Eriti huvilistele Ultrahelipuhastus on puhastusmeetod, mis põhineb puhastavate esemete pinnal ultrahelivõnkumise tõttu tekkiva kavitatsiooni ja puhastusvedeliku suure kiirenduse koosmõjul. Kavitatsiooniks nimetatakse nähtust, kui vedeliku voolamisel voolu pidevus katkeb ja vedelikku tekivad “tühikud”, kus vedeliku rõhk langeb alla tema aurumise rõhu. Vedelik aurustub, Mullide tekkimine ja kadumine toimub suure sagedusega, kuni 1000 korda sekundis, see põhjustab lööke ning vibratsiooni. Puhastamist vajav detail pannakse vanni, milles olev puhastusvedelik pannakse ultrahelisagedusega võnkuma (tavaliselt sagedusega 30 k. Hz-90 k. Hz). Selle käigus tekib mikroskoopilisi väikseid mulle, mis plahvatavad jõuliselt sissepoole põhjustades kavitatsiooni, mis tekitab tugeva hõõruva liikumise puhastatava eseme pinnal. Mullid on piisavalt väikesed, et tungida ka läbi mikroskoopiliselt väikeste pragude puhastades põhjalikult ja ühtlaselt. Ultrahelipuhastust rakendatakse näiteks täppisaparaatide, optikaseadmete ja tööriistade väikeste ja keeruka kujuga osade puhastamiseks õlist, värvist, abrasiivpasta jääkidest, tolmust, tahmast, higist, sõrmejälgedest jne. Vile: et tekiksied akustilised võnked, õhuvoog peab olema moduleeritud (UH-vile koertele (120 k. Hz)). Sireen: õhuvoogu moduleerib (katkestab) resonaaroris pöörlev perforeeritud ketas

Eriti huvilistele Müra on heli, mis tekib heliallika korrapäratul võnkumisel. Müra põhiomadused on helivältus, helitugevus ja tämber. Müra erineb muusikalisest helist konkreetse helikõrguse puudumise tõttu. Muusikas on müra paljude löökpillide, näiteks trummi, triangli, gongi, kastanettide poolt tekitatud heli. Samuti on iga muusikainstrumendi helis peale põhitooni ehk esimese osaheli ning terve rea ülemhelide ehk kõrgemate osahelide muusikainstrumendile iseloomulikke mürasid (õhujoa kahin puhkpillides, akustilised löögid klappide avamisel-sulgemisel, keelpillipoogna ebamäärase või ülemäärase surve korral tekkivad sahinad, kriginad või kräginad, laulja kuuldav hingamine jne). Muusikakultuuris suhtumine mürasse oli välistav või tauniv. Nüüdismuusika tunnus on müra teadlik kasutuselevõtt ning estetiseerimise.

Eriti huvilistele Signaal on tehnikas andmete esituseks kasutatava füüsikalise suuruse variatsioon. Võib olla looduslikku või tehislikku päritolu, ühe või mitme sõltumatu muutuja funktsioon Signaal võib olla: ühedimensionaalne: s(t) (näiteks kõne) kahedimensionaalne: s(x, y) (näiteks tasapinnaline kujutis) mitmedimensionaalne v(x, y, t) (näiteks videosignaal) Signaali tüüpideks on näiteks: Elektrisignaal kus varieerub pinge pidevsignaal ehk analoogsignaal, milles andmeid esitav tunnussuurus võib hetkel omandada suvalise väärtuse mingist pidevast vahemikust diskreetsignaal, ajas järjestikustest elementidest koosnev signaal, mille igal elemendil on üks või mitu tunnussuurust, digitaalsignaal, diskreetsignaal, milles andmed esitatakse lõpliku arvu täpselt määratletud diskreetsete väärtustega, mida üks ta tunnussuurustest võib omandada ajas. akustiline signaal, helist koosnev signaal

Eriti huvilistele Analoogsignaal — signaal, milles andmeid esitav tunnussuurus võib igal hetkel omandada suvalise väärtuse mingist pidevast vahemikust Diskreetne signaal — ajas järjestikustest elementidest koosnev signaal, mille igal elemendil on üks või mitu tunnussuurust, näiteks amplituud. (ajavahemik fikseeritud, amplituud –suvaline) Kvantiseeritud (kvanditud) signaal – tunnussuuruste järgi diskreetne Signaal (amlituudi väärtused fikseeritud) Digitaalne signaal — diskreetsignaal, milles andmed esitatakse lõpliku arvu täpselt määratletud diskreetsete väärtustega, mida üks ta tunnussuurustest võib omandada ajas (diskreetne aja ja tunnussuuruse järgi)

Eriti huvilistele Mistahes pidev ja piisavalt regulaarne funktsioon on esitatav siinusfunktsioonide integraalina. Fourier' teisendus teisendab funktsiooni f selle sagedusspektrit iseloomustavaks funktsiooniks Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830), prantsuse füüsik ja matemaatik Perioodiline funktsioon esitatakse kui harmooniliste võngete lineaarne kombinatsioon

Eriti huvilistele Function s(x) (in red) is a sum of six sine functions of different amplitudes and harmonically related frequencies. Their summation is called a Fourier series. The Fourier transform, S(f) (in blue), which depicts amplitude vs frequency, reveals the 6 frequencies and their amplitudes.

Eriti huvilistele

Eriti huvilistele

Eriti huvilistele