Skaņas vilnis ir spiediena viļņa veids, ko izraisa objekta vibrācija vadošā vidē, piemēram, gaisā. Kad objekts vibrē, tas izsūta virkni viļņu, ko var interpretēt kā skaņu. Piemēram, kad kāds sit bungu, tas liek vibrēt bungas membrānai, un vibrācija tiek pārraidīta pa gaisu, kur tā var sasniegt klausītāja ausi. Vibrācijas pārvietojas ar dažādu ātrumu caur dažādiem līdzekļiem, bet nevar pārvietoties caur vakuumu. Skaņas viļņi tiek izmantoti ne tikai saziņai, bet arī, lai nodrošinātu nepieejamu objektu un struktūru attēlus, okeāna pētījumos, kā arī ģeoloģijā un seismoloģijā.
Viļņu veidi
Skaņa pārvietojas pa gāzēm, šķidrumiem un cietām vielām garenvirziena viļņu veidā. Tas nozīmē, ka vides saspiešana notiek tajā pašā virzienā, kurā virzās skaņa. Cietās vielās un uz šķidrumu virsmām vibrācija var izplatīties arī kā šķērsviļņi. Tajos saspiešana ir taisnā leņķī pret kustības virzienu.
Skaņas ātrums
Skaņas kustības ātrums ir atkarīgs no vides blīvuma, caur kuru tā pārvietojas. Tas ātrāk pārvietojas caur blīvāku vidi, tāpēc tas ir ātrāks cietās vielās nekā šķidrumos un ātrāk šķidrumos nekā gāzēs. Zināmos, zemes apstākļos skaņas ātrums vienmēr ir ārkārtīgi mazāks nekā gaismas ātrums, bet neitronu zvaigznes īpaši blīvajā materiālā tas var pietuvoties gaismas ātrumam. Ātruma atšķirību pa gaisu pierāda aizkave starp zibens uzliesmojumu un pērkona skaņu attālam novērotājam: gaisma ierodas gandrīz acumirklī, bet skaņa aizņem ievērojamu laiku.
Skaņas ātrums gaisā mainās atkarībā no spiediena un temperatūras, un augstāks spiediens un temperatūra nodrošina lielāku ātrumu. Piemēram, pie 68 ° F (20 ° C) un standarta jūras līmeņa spiediena tas ir 1,126 pēdas sekundē (343.3 metri sekundē). Ūdenī ātrums atkal ir atkarīgs no temperatūras; pie 68°F (20°C) tas ir 4,859 pēdas/sek (1,481 m/s). Ātrums cietās vielās ir ļoti mainīgs, taču dažas tipiskās vērtības ir 13,700 4,176 pēdas/sek (20,000 m/s) ķieģeļiem, 6,100 39,400 pēdas/sek (12,000 m/s) tēraudā un XNUMX XNUMX pēdas/sek (XNUMX XNUMX m/s). dimantā.
Viļņa garums, frekvence un amplitūda
Skaņu var raksturot ar viļņa garumu, frekvenci un amplitūdu. Viļņa garums ir definēts kā attālums, kas nepieciešams, lai pabeigtu visu ciklu. Pilns cikls virzās no pīķa uz virsotni vai siles uz leju.
Frekvence ir termins, ko izmanto, lai aprakstītu pabeigto ciklu skaitu noteiktā laika periodā, tāpēc īsākiem viļņu garumiem ir augstākas frekvences. To mēra hercos (Hz), kur viens hercs ir viens cikls sekundē, un kilohercos (kHz), kur viens kHz ir 1,000 Hz. Cilvēki var dzirdēt skaņas diapazonā no 20 Hz līdz aptuveni 20 kHz, taču vibrācijām var būt daudz zemākas vai augstākas frekvences. Daudzu dzīvnieku dzirde pārsniedz cilvēka diapazonu. Vibrācijas, kas ir zem cilvēka dzirdes diapazona, sauc par infraskaņu, savukārt tās, kas pārsniedz šo diapazonu, sauc par ultraskaņu.
Skaņas augstums ir atkarīgs no frekvences, augstākiem toņiem ir augstākas frekvences. Amplitūda ir viļņu augstums un raksturo pārvadātās enerģijas daudzumu. Lielām amplitūdām ir lielāks skaļums.
Viļņu parādības
Skaņas viļņi ir pakļauti daudzām ar gaismas viļņiem saistītām parādībām. Piemēram, tos var atstarot no virsmām, tiem var rasties difrakcija ap šķēršļiem, un tie var piedzīvot refrakciju, pārvietojoties starp divām dažādām vidēm, piemēram, gaisu un ūdeni, un tas viss ir līdzīgs gaismai. Vēl viena kopīga parādība ir traucējumi. Kad satiekas skaņas viļņi no diviem dažādiem avotiem, tie var pastiprināt viens otru vietās, kur sakrīt virsotnes un ieplakas, un atslēgt viens otru vietās, kur virsotne sastopas ar zemi, radot traucējumu modeli ar skaļām un klusām zonām. Ja vibrācijām ir dažādas frekvences, kombinētajā skaņā tas var radīt impulsa efektu vai “sitienu”.
Aplikācijas
Skaņas viļņiem ir daudz pielietojumu zinātnē un medicīnā. Ultraskaņas attēlveidošanu var izmantot, lai izmeklētu medicīniskas problēmas un veiktu svarīgas pārbaudes. Viena labi zināma lietojumprogramma ir ultraskaņas skenēšana, ko izmanto, lai izveidotu nedzimuša bērna attēlu, lai pārbaudītu viņa veselību gadījumos, kad rentgena starojums nebūtu drošs. Skaņas impulsus, kas pazīstami kā hidrolokatori, var izmantot, lai kartētu okeāna dibenu, precīzi mērot laiku, kas nepieciešams atbalss uztveršanai.
Seismoloģijā Zemes iekšējo uzbūvi var izpētīt, novērojot skaņas viļņu izplatīšanos. Tā kā šķērseniskie viļņi nevar pārvietoties cauri šķidrumiem, šo paņēmienu var izmantot, lai kartētu izkusušo iežu apgabalus zem virsmas. Parasti skaņu rada sprādziens, un vibrācijas tiek uztvertas dažādos attālos punktos, ceļojot cauri Zemei. Izpētot šķērsenisko viļņu modeli, kas šajā kontekstā pazīstami kā “s-viļņi” un garenvirziena viļņus, kas pazīstami kā “p-viļņi”, var izveidot precīzu trīsdimensiju karti, kas parāda cieto un izkausēto iežu sadalījumu. .