ხმის სიჩქარე.

ხმის სიჩქარე- მოძრაობის სიჩქარე ელასტიური ტალღის გარემოში, იმ პირობით, რომ მისი პროფილის ფორმა უცვლელი რჩება. მაგალითად, თვითმფრინავის ტალღისთვის, რომელიც მოძრაობს სიჩქარით ფორმის შეცვლის გარეშე თანღერძის მიმართულებით xხმის წნევა შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად: p=p(x-st), სად ტარის დრო და ფუნქცია რიძლევა ტალღის პროფილის ფორმას. ჰარმონიისთვის ტალღები р= А cos(w t – kx + j). ხმის ტალღა გამოიხატება სიხშირით ვდა ტალღის ნომერი კფორმულა ჰარმონიული ტალღების სიჩქარეს ასევე უწოდებენ ხმის ფაზურ სიჩქარეს. მედიაში, სადაც თვითნებური ფორმის ტალღების ფორმა იცვლება გავრცელების დროს, ჰარმონიული ტალღები მაინც ინარჩუნებენ ფორმას, მაგრამ ფაზის სიჩქარე განსხვავებულია სხვადასხვა სიხშირეზე, ე.ი. აქვს ხმის სიჩქარის დისპერსიის ადგილი. ამ შემთხვევაში, კონცეფცია ასევე გამოიყენება ჯგუფური სიჩქარე. ელასტიური ტალღების დიდი ამპლიტუდების დროს ჩნდება არაწრფივი ეფექტები, რაც იწვევს ნებისმიერი ტალღის ფორმის შეცვლას, მათ შორის. ჰარმონიული, ამიტომ ხმის სიჩქარის ცნება კარგავს თავის განმარტებას. ამ შემთხვევაში, ტალღის პროფილის თითოეული წერტილის გავრცელების სიჩქარე დამოკიდებულია ამ წერტილში წნევის ამპლიტუდაზე. ეს სიჩქარე იზრდება წნევის მატებასთან ერთად პროფილის მოცემულ წერტილში, რაც იწვევს ტალღის ფორმის დამახინჯებას.

ხმის სიჩქარე გაზებსა და სითხეებში. აირებსა და სითხეებში ბგერა ვრცელდება იშვიათი მოცულობითი ტალღების - შეკუმშვის სახით და პროცესი ჩვეულებრივ ხდება ადიაბატურად, ე.ი. ხმის ტალღის ტემპერატურის ცვლილებას არ აქვს დრო, რომ გასწორდეს, რადგან ½ პერიოდში სითბოს არ აქვს დრო, რომ გადავიდეს გახურებული (შეკუმშული) უბნებიდან ცივ (იშვიათად) ადგილებში.

აირებში ბგერის სიჩქარე ნაკლებია, ვიდრე სითხეებში, ხოლო სითხეებში, როგორც წესი, ნაკლებია, ვიდრე მყარი. ცხრილი 2.1 გვიჩვენებს ხმის სიჩქარეს ზოგიერთი აირისა და სითხესთვის.

ცხრილი 2.1

იდეალურ აირებში ბგერის სიჩქარე მოცემულ ტემპერატურაზე არ არის დამოკიდებული წნევაზე და იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად, სადაც T არის აბსოლუტური ტემპერატურა. ხმის სიჩქარის ცვლილება გრადუსზე უდრის. ოთახის ტემპერატურაზე, ჰაერში ხმის სიჩქარის ფარდობითი ცვლილება ტემპერატურის 1 გრადუსიანი ცვლილებით არის დაახლოებით 0,17%. სითხეებში ხმის სიჩქარე, როგორც წესი, ტემპერატურის მატებასთან ერთად კლებულობს და ტემპერატურის ცვლილება გრადუსზე არის, მაგალითად, აცეტონისთვის - 5,5 მ/წ× გრადუსი და ეთილის სპირტისთვის - 3,6 მ/წ× გრადუსი. ამ წესიდან გამონაკლისს წარმოადგენს წყალი, რომელშიც ოთახის ტემპერატურაზე ხმის სიჩქარე იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად 2,5 მ/წ× გრადუსით, აღწევს მაქსიმუმს » 74°C ტემპერატურაზე და მცირდება ტემპერატურის შემდგომი მატებასთან ერთად. წყალში ხმის სიჩქარე იზრდება წნევის მატებასთან ერთად დაახლოებით 0,01%-ით 1 ატმოსფეროზე; გარდა ამისა, წყალში ბგერის სიჩქარე იზრდება მასში გახსნილი მარილების შემცველობის მატებასთან ერთად.

თხევად აირებში ხმის სიჩქარე უფრო დიდია, ვიდრე გაზში იმავე ტემპერატურაზე. ასე, მაგალითად, აირისებრ აზოტში მინუს 195°C ტემპერატურაზე ბგერის სიჩქარეა 176 მ/წმ, ხოლო თხევად აზოტში იმავე ტემპერატურაზე მინუს 859 მ/წმ; აირისებრ და თხევად ჰელიუმში მინუს 269°C-ზე უდრის შესაბამისად 102 მ/წმ და 198 მ/წმ-ს.

მარილების წყალხსნარებში ხმის სიჩქარე იზრდება კონცენტრაციის მატებასთან ერთად მთელ კონცენტრაციის დიაპაზონში. ამრიგად, ხმის სიჩქარის გაზომვები შეიძლება ემსახურებოდეს ნარევებისა და ხსნარების კომპონენტების კონცენტრაციის განსაზღვრას და კონტროლს.

ხმის სიჩქარე მყარ სხეულებში. იზოტროპულ მყარ სხეულებში ბგერის სიჩქარე განისაზღვრება ნივთიერების დრეკადობის მოდულებით. შეუზღუდავ მყარ გარემოში ვრცელდება გრძივი და ათვლის (განივი). ელასტიური ტალღებიდა ხმის ფაზის სიჩქარე გრძივი ტალღისთვის უდრის:

და ჭრისთვის

,

სად ე– იანგის მოდული; რ- ნივთიერების სიმკვრივე; გ– ათვლის მოდული; ნ- პუასონის თანაფარდობა; TO- მოცულობითი შეკუმშვის მოდული. ლითონებში, სადაც n=0.3, შეგიძლიათ დააკვირდეთ ხმის სიჩქარის თანაფარდობის დამოკიდებულებას ნახ. 2.2.

ბრინჯი. 2.2. გრძივი, განივი, ზედაპირული ტალღების და ტალღების სიჩქარის თანაფარდობა ღეროებში (d<<1) от коэффициента Пуассона.

გრძივი ტალღების გავრცელების სიჩქარე ყოველთვის აღემატება ათვლის ტალღების სიჩქარეს, კერძოდ, კავშირი დაკმაყოფილებულია. გრძივი და განივი ხმის სიჩქარის მნიშვნელობები ზოგიერთი მყარისთვის მოცემულია ცხრილში 2.2.

ცხრილი 2.2

ხმის სიჩქარე ზოგიერთ სხეულში.

შეზღუდულ მყარ სხეულებში, გრძივი და განივი ტალღების გარდა, არსებობს სხვა სახის ტალღები. ამრიგად, კონკრეტული ტიპის ტალღები ვრცელდება მყარი სხეულის თავისუფალ ზედაპირზე ან მის საზღვარზე სხვა გარემოსთან - ზედაპირული ტალღები, რომლის სიჩქარე ნაკლებია ბგერის ყველა სხვა სიჩქარეზე მოცემული მყარი სხეულისთვის. ფირფიტებში, წნელებში და სხვა მყარ აკუსტიკური ტალღების გამტარებლებში ისინი მრავლდებიან ნორმალური ტალღები, რომლის სიჩქარე განისაზღვრება არა მხოლოდ ნივთიერების ელასტიური მახასიათებლებით, არამედ სხეულის გეომეტრიითაც. ასე, მაგალითად, ხმის სიჩქარე გრძივი ტალღისთვის ღეროში, რომლის განივი ზომები ტალღის სიგრძეზე გაცილებით მცირეა, უდრის: . ცხრილი 2.2 გვიჩვენებს ხმის სიჩქარეს თხელ ღეროში ზოგიერთი მასალისთვის.

ხმის გასავრცელებლად საჭიროა ელასტიური საშუალება. ვაკუუმში ხმის ტალღები ვერ გავრცელდება, რადგან იქ ვიბრაციის არაფერია. ეს შეიძლება დადასტურდეს მარტივი გამოცდილებით. თუ ელექტრო ზარს მოათავსებთ შუშის ზარის ქვეშ, მაშინ როცა ჰაერი ზარის ქვეშ ამოიწურება, ზარის ხმა სულ უფრო სუსტი და სუსტი გახდება, სანამ მთლიანად არ გაჩერდება.

ცნობილია, რომ ჭექა-ქუხილის დროს ვხედავთ ელვას და მხოლოდ ცოტა ხნის შემდეგ გვესმის ჭექა-ქუხილის ხმა. ეს შეფერხება ხდება იმის გამო, რომ ჰაერში ხმის სიჩქარე გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე ელვისებური სინათლის სიჩქარე.

ჰაერში ხმის სიჩქარე პირველად 1636 წელს გაზომა ფრანგმა მეცნიერმა მ.მერსენმა. 20 °C ტემპერატურაზე ის უდრის 343 მ/წმ, ანუ 1235 კმ/სთ. გაითვალისწინეთ, რომ ამ სიდიდემდე მცირდება კალაშნიკოვის ავტომატიდან გასროლილი ტყვიის სიჩქარე 800 მ მანძილზე. ტყვიის საწყისი სიჩქარეა 825 მ/წმ, რაც მნიშვნელოვნად აღემატება ჰაერში ხმის სიჩქარეს. ამიტომ, ადამიანს, რომელსაც ესმის გასროლის ან ტყვიის სასტვენის ხმა, არ უნდა ინერვიულოს: ამ ტყვიამ მას უკვე გაუსწრო. ტყვია უსწრებს გასროლის ხმას და ხმის მოსვლამდე აღწევს მსხვერპლს.

აირებში ბგერის სიჩქარე დამოკიდებულია საშუალო ტემპერატურაზე: ჰაერის ტემპერატურის მატებასთან ერთად ის იზრდება და კლებასთან ერთად მცირდება. 0 °C ტემპერატურაზე ჰაერში ხმის სიჩქარე 332 მ/წმ-ია.

ხმა სხვადასხვა აირში სხვადასხვა სიჩქარით მოძრაობს. რაც უფრო დიდია გაზის მოლეკულების მასა, მით უფრო დაბალია მასში ხმის სიჩქარე. ამრიგად, 0 °C ტემპერატურაზე ხმის სიჩქარე წყალბადში არის 1284 მ/წმ, ჰელიუმში – 965 მ/წმ, ხოლო ჟანგბადში – 316 მ/წმ.

სითხეებში ხმის სიჩქარე ჩვეულებრივ აღემატება აირებში ხმის სიჩქარეს. წყალში ბგერის სიჩქარე პირველად 1826 წელს გაზომეს ჯ.კოლადონმა და ჯ.შტურმმა. მათ თავიანთი ექსპერიმენტები შვეიცარიაში, ჟენევის ტბაზე ჩაატარეს. ერთ ნავზე მათ ცეცხლი წაუკიდეს დენთს და ამავდროულად დაარტყეს წყალში ჩაშვებულ ზარს. წყალში ჩაშვებული ამ ზარის ხმა სხვა ნავზე დაიჭირეს, რომელიც პირველიდან 14 კმ-ის დაშორებით მდებარეობდა. სინათლის სიგნალის ჩაქრობასა და ხმოვანი სიგნალის ჩამოსვლას შორის დროის ინტერვალის საფუძველზე განისაზღვრა წყალში ხმის სიჩქარე. 8°C ტემპერატურაზე აღმოჩნდა 1440 მ/წმ-ის ტოლი.

მყარ სხეულებში ხმის სიჩქარე უფრო მეტია, ვიდრე სითხეებსა და აირებში. თუ ყურს ლიანდაგს მიადებ, მაშინ ლიანდაგის მეორე ბოლოში დარტყმის შემდეგ ორი ხმა ისმის. ერთი მათგანი ყურამდე აღწევს სარკინიგზო გზით, მეორე კი საჰაერო გზით.

დედამიწას აქვს კარგი ხმის გამტარობა. ამიტომ ძველად, ალყის დროს ციხის გალავანში ათავსებდნენ „მსმენელებს“, რომლებიც დედამიწის მიერ გადმოცემული ხმით ადგენდნენ, იჭრებოდა თუ არა მტერი კედლებში. ყურები მიწასთან დადეს და მტრის კავალერიის მოახლოებასაც აკვირდებოდნენ.

მყარი სხეულები კარგად ატარებენ ხმას. ამის წყალობით, ადამიანებს, რომლებმაც დაკარგეს სმენა, ზოგჯერ შეუძლიათ იცეკვონ მუსიკაზე, რომელიც სმენის ნერვებში აღწევს არა ჰაერით და გარე ყურით, არამედ იატაკით და ძვლებით.

ხმის სიჩქარე შეიძლება განისაზღვროს ვიბრაციის ტალღის სიგრძისა და სიხშირის (ან პერიოდის) ცოდნით.

ხმის სიჩქარე- გარემოში გავრცელების სიჩქარე. განისაზღვრება საშუალო ელასტიურობითა და სიმკვრივით. სიჩქარით ფორმის შეცვლის გარეშე სირბილისთვის თანღერძის მიმართულებით X, ხმის წნევა რშეიძლება წარმოდგენილი იყოს ფორმით p = p(x - - ct), სად ტ- დრო. სიბრტყის ჰარმონიისთვის, ტალღები გარემოში დისპერსიის გარეშე და SZ. გამოხატული w სიხშირით და კფლოი c = w/k. სისწრაფით თანჰარმონიული ფაზა ვრცელდება. ტალღები, ასე რომ თანდაურეკა ასევე ფაზა S. z. მედიაში, რომელშიც თვითნებური ტალღის ფორმა იცვლება გავრცელებისას, ჰარმონიული. ტალღები მაინც ინარჩუნებენ ფორმას, მაგრამ ფაზის სიჩქარე განსხვავებულია სხვადასხვა სიხშირეზე, ე.ი. ხმის დისპერსია.ამ შემთხვევებში ცნებაც გამოიყენება ჯგუფური სიჩქარე. ელასტიური ტალღის დიდი ამპლიტუდების დროს ჩნდება არაწრფივი ეფექტები (იხ. არაწრფივი აკუსტიკა), იწვევს ნებისმიერი ტალღის ცვლილებას, მათ შორის ჰარმონიულს: ტალღის პროფილის თითოეული წერტილის გავრცელების სიჩქარე დამოკიდებულია ამ წერტილში წნევაზე, იზრდება წნევის მატებასთან ერთად, რაც იწვევს ტალღის ფორმის დამახინჯებას.

ხმის სიჩქარე გაზებსა და სითხეებში. აირებსა და სითხეებში ხმა ვრცელდება მოცულობითი შეკუმშვა-გამონადენი ტალღების სახით. თუ გამრავლების პროცესი ხდება ადიაბატურად (რაც, როგორც წესი, ასეა), ანუ, ტემპერატურის ცვლილებას ბგერის ტალღაში არ აქვს დრო, რომ გასწორდეს მას შემდეგაც. 1 / 2 , პერიოდი გახურებული (შეკუმშული) უბნებიდან სიცხეს არ აქვს დრო ცივ (იშვიათად) უბნებზე გადასვლის, მაშინ ს.ზ. ტოლია , სად რარის წნევა ნივთიერებაში, არის მისი სიმკვრივე და ინდექსი საჩვენებს, რომ წარმოებული აღებულია მუდმივი ენტროპიით. ეს ს.ზ. დაურეკა ადიაბატური. გამოხატვა S. z. ასევე შეიძლება დაიწეროს ერთ-ერთი შემდეგი ფორმით:

სად TOჯოჯოხეთი - ადიაბატური. მატერიის ერთგვაროვანი შეკუმშვის მოდული, - ადიაბატური. კომპრესიულობა, - იზოთერმული შეკუმშვა, = - სითბოს სიმძლავრის თანაფარდობა მუდმივი წნევისა და მოცულობის დროს.

შეზღუდულ მყარ სხეულებში, გრძივი და განივი ტალღების გარდა, არსებობს სხვა სახის ტალღები. ამრიგად, მყარი სხეულის თავისუფალი ზედაპირის გასწვრივ ან მისი საზღვრის გასწვრივ სხვა გარემოსთან, ისინი მრავლდებიან ზედაპირული აკუსტიკური ტალღები, რომლის სიჩქარე ნაკლებია მოცემული მასალისათვის დამახასიათებელ სხეულის ტალღების სიჩქარეზე. ფირფიტების, წნელებისა და სხვა მყარი აკუსტიკური მასალებისთვის. დამახასიათებელია ტალღები ნორმალური ტალღებირომლის სიჩქარე განისაზღვრება არა მხოლოდ ნივთიერების თვისებებით, არამედ სხეულის გეომეტრიითაც. ასე, მაგალითად, ს.ზ. გრძივი ტალღისთვის ღეროში st-ით, რომლის განივი ზომები გაცილებით მცირეა ბგერის ტალღის სიგრძეზე, განსხვავებული S. z-ისგან. შეუზღუდავ გარემოში ლ-თან ერთად(ცხრილი 3):

ს.ზ. გაზომვის მეთოდები. შეიძლება დაიყოს რეზონანსულ, ინტერფერომეტრულ, პულსირებულ და ოპტიკურად (იხ. სინათლის დიფრაქცია ულტრაბგერით).ნაიბი. გაზომვის სიზუსტე მიიღწევა იმპულსური ფაზის მეთოდების გამოყენებით. ოპტიკური მეთოდები შესაძლებელს ხდის გაზომოს S. z. ჰიპერბგერითი სიხშირეებზე (10 11 -10 12 ჰც-მდე). სიზუსტე აბს. გაზომვები S. z. საუკეთესო აღჭურვილობაზე დაახლ. 10 -3%, ხოლო სიზუსტე შედარებითია. 10-5% რიგის გაზომვები (მაგალითად, დამოკიდებულების შესწავლისას თანტემპერატურაზე ან მაგნიტურზე ველები ან მინარევების ან დეფექტების კონცენტრაცია).

გაზომვები S. z. გამოიყენება მრავლობითის განსაზღვრისათვის. მატერიის თვისებები, როგორიცაა აირების სითბური შესაძლებლობების თანაფარდობა, აირების და სითხეების შეკუმშვა, მყარი ნივთიერებების ელასტიურობის მოდულები, დების ტემპერატურა და ა.შ. (იხ. მოლეკულური აკუსტიკა). მცირე ცვლილებების განსაზღვრა S. z. მგრძნობიარეა. აირებსა და სითხეებში მინარევების დამაგრების მეთოდი. მყარ სხეულებში გაზომვა S. z. და მისი დამოკიდებულება სხვადასხვაზე ფაქტორები (ტემპერატურა, მაგნიტური ველები და ა.შ.) საშუალებას გაძლევთ შეისწავლოთ მატერიის სტრუქტურა: ნახევარგამტარების ზოლიანი სტრუქტურა, მეტალებში ფერმის ზედაპირის სტრუქტურა და ა.შ.

ნათ.: Landau L. D., L i f sh i c E. M., ელასტიურობის თეორია, მე-4 გამოცემა, მ., 1987; მათ, ჰიდროდინამიკა, მე-4 გამოცემა, მ., 1988; ბერგმან ლ. და მისი გამოყენება მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში, ტრანს. გერმანულიდან, მე-2 გამოცემა, მ., 1957; მიხაილოვი ი. ზღვის წყალში ბგერის სიჩქარის გამოსათვლელი ცხრილები, ლ., 1965; ფიზიკური აკუსტიკა, რედ. W. Mason, მთარგმნ. ინგლისურიდან, ტ. 1, ნაწილი A, M., 1966, ch. 4; t 4, part B, M., 1970, ch. 7; კოლესნიკოვი A.E., ულტრაბგერითი გაზომვები, მე-2 გამოცემა, მ., 1982; T r u e l l R., E l b a u m Ch., Ch i k B., ულტრაბგერითი მეთოდები მყარი მდგომარეობის ფიზიკაში, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1972; აკუსტიკური კრისტალები, რედ. M. P. Shaskolskoy, M., 1982; კრასილნიკოვი V.A., Krylov V.V., შესავალი ფიზიკურ აკუსტიკაში, მ., 1984 წ. A.L. პოლიაკოვა.

შესავალი.

კონცეფცია ხმაჩვენ მას ჩვეულებრივ ვუკავშირებთ სმენას და, შესაბამისად, ყურებში არსებულ ფიზიოლოგიურ პროცესებს, ასევე ჩვენს ტვინში არსებულ ფსიქოლოგიურ პროცესებს (სადაც მუშავდება სმენის ორგანოებში შემავალი შეგრძნებები). გარდა ამისა, ქვეშ ხმაჩვენ გვესმის ფიზიკური ფენომენი, რომელიც ახდენს გავლენას ჩვენს ყურებზე, კერძოდ, გრძივი ტალღები. თუ ჰაერში გავრცელებულ ასეთ დრეკად ტალღებს აქვს სიხშირე, რომელიც მერყეობს 16 რომ 20000 ჰც, შემდეგ, ადამიანის ყურთან მისვლისას, ისინი იწვევენ შეგრძნებას ხმა. ამის შესაბამისად, ელასტიური ტალღები ნებისმიერ გარემოში, რომელსაც აქვს სიხშირე მითითებულ საზღვრებში, ეწოდება ხმის ტალღებიან უბრალოდ ხმა. ელასტიურ ტალღებს 16 ჰც-ზე ნაკლები სიხშირით უწოდებენ ინფრაბგერითი; 20000 ჰც-ზე მეტი სიხშირის მქონე ტალღებს უწოდებენ ულტრაბგერითი. ადამიანის ყური ვერ მოისმენს ინფრა და ულტრაბგერას.

მსმენელისთვის, ხმის ორი მახასიათებელი მყისვე ცხადი ხდება, კერძოდ, მისი მოცულობა და სიმაღლე. მოცულობადაკავშირებულია ხმის ტალღის ინტენსივობასთან, რომელიც პროპორციულია ტალღის ამპლიტუდის კვადრატთან. სიმაღლეხმა მიუთითებს მაღალია თუ არა, როგორც ვიოლინო ან ჩელო, თუ დაბალი, როგორც ბას-დრამის ან ბასის სიმების ხმა. ხმის სიმაღლის დამახასიათებელი ფიზიკური სიდიდე არის ხმის ტალღის ვიბრაციის სიხშირე, რომელიც პირველად შენიშნა გალილეომ. რაც უფრო დაბალია სიხშირე, მით უფრო დაბალია ხმის სიმაღლე და რაც უფრო მაღალია სიხშირე, მით უფრო მაღალია ხმა.

ხმის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მახასიათებელი მისი სიჩქარე. ხმის სიჩქარე არის სიჩქარე, რომლითაც ხმის ტალღები მოძრაობენ გარემოში. აირებში ბგერის სიჩქარე ნაკლებია, ვიდრე სითხეებში, ხოლო სითხეებში ის ნაკლებია, ვიდრე მყარებში (და განივი ტალღებისთვის სიჩქარე ყოველთვის ნაკლებია, ვიდრე გრძივი). აირებსა და ორთქლებში ხმის სიჩქარე 150-დან 1000 მ/წმ-მდეა, სითხეებში 750-დან 2000 მ/წმ-მდე, მყარ სხეულებში 2000-დან 6500 მ/წმ-მდე. ჰაერში ნორმალურ პირობებში ხმის სიჩქარეა 330 მ/წმ, წყალში - 1500 მ/წმ.

აბსტრაქტში ასევე განხილულია ეფექტი, რომლის არსებობაზეც მიუთითა 1842 წელს კრისტიან დოპლერი (დოპლერი) (დოპლერი) (1803-53), ავსტრიელი ფიზიკოსი და ასტრონომი. ამ ეფექტს მოგვიანებით მისი სახელი დაარქვეს.

1. ხმის ტალღების სიჩქარე სხვადასხვა მედიაში.

ჩვენ, როგორც წესი, ვფიქრობთ, რომ ხმა ჰაერში მოგზაურობს, რადგან, როგორც წესი, ეს არის ჰაერი, რომელიც შედის კონტაქტში ჩვენს ყურის ბარტყთან და მისი ვიბრაციები იწვევს ამ ყურის გარსაცმის ვიბრაციას. თუმცა, ხმის ტალღები შეიძლება გავრცელდეს სხვა ნივთიერებებშიც. მოცურავეს შეუძლია მოისმინოს ორი ქვის ერთმანეთს დარტყმის ხმა წყალქვეშ, რადგან ვიბრაციები ყურში წყლის საშუალებით გადადის. თუ ყურს მიწაზე დაადებ, მატარებლის ან ტრაქტორის მოახლოება გესმის. ამ შემთხვევაში, დედამიწა პირდაპირ არ მოქმედებს თქვენს ყურის ბარტყზე. თუმცა მიწაში გავრცელებულ გრძივი ტალღას ხმის ტალღა ეწოდება, რადგან მისი ვიბრაცია იწვევს გარე ყურის ჰაერის ვიბრაციას. მართლაც, ნებისმიერ მატერიალურ გარემოში გავრცელებულ გრძივი ტალღებს ხშირად ხმის ტალღებს უწოდებენ. ცხადია, ბგერა ვერ გავრცელდება მატერიის არარსებობის შემთხვევაში. მაგალითად, შეუძლებელია გემის შიგნით მდებარე ზარის რეკვის მოსმენა, საიდანაც ჰაერი ამოტუმბულია [რობერტ ბოილის ექსპერიმენტი (1660)].

ხმის სიჩქარეაქვს სხვადასხვა მნიშვნელობა სხვადასხვა ნივთიერებებში. ჰაერში 0 o C ტემპერატურაზე და 1 ატმ წნევაზე ბგერა მოძრაობს 331,3 მ/წმ სიჩქარით. ჰაერში და სხვა აირისებრ და თხევად გარემოში, სიჩქარე დამოკიდებულია შეკუმშვის მოდულზე ბდა საშუალო (ნივთიერების) სიმკვრივე რ:

ჰელიუმში, რომლის სიმკვრივე მნიშვნელოვნად ნაკლებია ჰაერის სიმკვრივეზე, ხოლო შეკუმშვის მოდული თითქმის იგივეა, ხმის სიჩქარე თითქმის სამჯერ მეტია. სითხეებსა და მყარ სხეულებში, რომლებიც მნიშვნელოვნად ნაკლებად შეკუმშულია და, შესაბამისად, აქვთ მნიშვნელოვნად დიდი დრეკადობის მოდულები, სიჩქარე შესაბამისად უფრო დიდია. სხვადასხვა ნივთიერებებში ხმის მნიშვნელობების სიჩქარე მოცემულია ცხრილებში 1.1, 1.2, 1.3; ისინი ყველაზე მეტად დამოკიდებულნი არიან ტემპერატურაზე (იხ. ცხრილები 1.4, 1.5), თუმცა ეს დამოკიდებულება მნიშვნელოვანია მხოლოდ გაზებისა და სითხეებისთვის. მაგალითად, ჰაერში, ტემპერატურის მატებასთან ერთად 1 o C-ით, ხმის სიჩქარე იზრდება დაახლოებით 0,60 მ/წმ-ით:

u"(331+0.60T) მ/წმ,

სადაც T არის ტემპერატურა o C-ში. მაგალითად, 20 o C-ზე გვაქვს:

u" მ/წმ = 343 მ/წმ.

2. დოპლერის ეფექტი აკუსტიკაში.

ალბათ შეგიმჩნევიათ, რომ სახანძრო მანქანის სირენის ხმა, რომელიც დიდი სიჩქარით მოძრაობს, მკვეთრად ეცემა მას შემდეგ, რაც მანქანა თქვენ გაივლის. თქვენ ასევე შეიძლება შეამჩნიეთ ცვლილება მანქანის სიგნალის სიმაღლის ცვლილებაში, რომელიც თქვენ გადის დიდი სიჩქარით. სარბოლო მანქანის ძრავის მოედანი ასევე იცვლება დამკვირვებლის გავლისას. თუ ხმის წყარო უახლოვდება დამკვირვებელს, ხმის სიმაღლე იზრდება იმ დროს, როდესაც ხმის წყარო მოსვენებულ მდგომარეობაში იყო. თუ ხმის წყარო დამკვირვებელს შორდება, მაშინ ხმის სიმაღლე მცირდება. ამ ფენომენს ე.წ დოპლერის ეფექტიდა ხდება ყველა ტიპის ტალღისთვის. ახლა განვიხილოთ მისი წარმოშობის მიზეზები და გამოვთვალოთ ამ ეფექტის გამო ხმის ტალღების სიხშირის ცვლილება.

დოპლერის ეფექტი: a - ორივე დამკვირვებელს ტროტუარზე ესმის მდგომი სახანძრო მანქანის სირენის ხმა იმავე სიხშირით; ბ - დამკვირვებელს, რომლისკენაც უახლოვდება სახანძრო მანქანა, ესმის უფრო მაღალი სიხშირის ხმა, ხოლო დამკვირვებელს, რომლისგანაც სახანძრო მანქანა შორდება, - უფრო დაბალი ხმა.

მოდით განვიხილოთ, კონკრეტული მიზნებისთვის, სახანძრო მანქანა, რომლის სირენა, როდესაც მანქანა სტაციონარულია, გამოსცემს გარკვეული სიხშირის ხმას ყველა მიმართულებით, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 2.1, ა. დაე, ახლა სახანძრო მანქანამ მოძრაობა დაიწყოს და სირენა აგრძელებს ხმის ტალღების გამოცემას იმავე სიხშირით. თუმცა, მართვის დროს, სირენის მიერ გამოსხივებული ხმის ტალღები უფრო ახლოს იქნება ერთმანეთთან, ვიდრე მანქანა არ მოძრაობდა, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 2.1, ბ. ეს იმიტომ ხდება, რომ მისი გადაადგილებისას სახანძრო მანქანა "იჭერს" ადრე გამოსხივებულ ტალღებს. ამრიგად, გზის მახლობლად დამკვირვებელი შეამჩნევს მის გვერდით გამავალ ტალღების უფრო მეტ რაოდენობას დროის ერთეულში და, შესაბამისად, მისთვის ხმის სიხშირე უფრო მაღალი იქნება. მეორეს მხრივ, მანქანის უკან გავრცელებული ტალღები უფრო დაშორდება ერთმანეთს, რადგან მანქანა თითქოს „მოშორდება“ მათ. შესაბამისად, დროის ერთეულზე ნაკლები ტალღის მწვერვალები გაივლის მანქანის უკან დამკვირვებელს და ხმის სიმაღლე იქნება უფრო დაბალი.

ბრინჯი. 2.2.

სიხშირის ცვლილების გამოსათვლელად ვიყენებთ ნახ. 2.2. ჩვენ ვივარაუდებთ, რომ ჩვენს საცნობარო ჩარჩოში ჰაერი (ან სხვა საშუალება) ისვენებს. ნახ. 2.2 ხმის წყარო (მაგალითად, სირენა) დასვენებულია. ნაჩვენებია თანმიმდევრული ტალღის მწვერვალები, ერთ-ერთი მათგანი მხოლოდ ხმის წყაროს მიერ არის გამოსხივებული. მანძილი ამ მწვერვალებს შორის ტოლია ტალღის სიგრძისა ლ. თუ ხმის წყაროს რხევის სიხშირე უდრის ¦-ს, მაშინ ტალღის მწვერვალების გამოსხივებას შორის გასული დრო უდრის

თ= 1/¦.

ნახ. 2.3 ხმის წყარო მოძრაობს სიჩქარით uისტ. T დროის განმავლობაში (ეს ახლახან განისაზღვრა), ტალღის პირველი მწვერვალი გაივლის მანძილს d =uთ, სად u- ჰაერში ხმის ტალღის სიჩქარე (რაც, რა თქმა უნდა, იგივე იქნება იმისდა მიუხედავად, წყარო მოძრაობს თუ არა). ამავე დროს, ხმის წყარო გადაადგილდება მანძილზე დის = uისტ თ. მაშინ მანძილი ტალღის თანმიმდევრულ წვეროებს შორის ტოლია ახალი ტალღის სიგრძისა ლ`, დაიწერება ფორმაში

ლ` = დ + დის = ( u+uისტ) თ= (u+uისტ)/¦,

რადგან თ= 1/¦. ტალღის ¦` სიხშირე მოცემულია გამოსახულებით

¦`= u/ლ` = u¦/ ( u+uარის),

¦` = ¦/(1 +uარის /u) [ხმის წყარო შორდება დამკვირვებელს მოსვენებულ მდგომარეობაში].

ვინაიდან წილადის მნიშვნელი ერთზე მეტია, გვაქვს ¦`<¦. 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 ჰც / 1 + (30 მ/წმ)/(331 მ/წმ) = 366,64 ჰც.

ახალი ტალღის სიგრძე წყაროსთვის, რომელიც უახლოვდება დამკვირვებელს სიჩქარით uისტ, თანაბარი იქნება

ლ` = დ - დისტ.

ამ შემთხვევაში სიხშირე ¦` მოცემულია გამოსახულებით

¦` = ¦/(1 -uარის /u) [ხმის წყარო უახლოვდება დამკვირვებელს მოსვენებულ მდგომარეობაში].

დოპლერის ეფექტი ასევე ჩნდება მაშინ, როდესაც ხმის წყარო დასვენებულია (მიმართულებით, რომელშიც ბგერითი ტალღები ვრცელდება) და დამკვირვებელი მოძრაობს. თუ დამკვირვებელი უახლოვდება ხმის წყაროს, მას ესმის უფრო მაღალი სიმაღლის ხმა, ვიდრე წყაროს მიერ გამოშვებული. თუ დამკვირვებელი შორდება წყაროს, მაშინ მას ხმა უფრო დაბალი ეჩვენება. რაოდენობრივად, აქ სიხშირის ცვლილება მცირედ განსხვავდება იმ შემთხვევისგან, როდესაც წყარო მოძრაობს და დამკვირვებელი მოსვენებულ მდგომარეობაშია. ამ შემთხვევაში, მანძილი ტალღის მწვერვალებს შორის (ტალღის სიგრძე ლ) არ იცვლება, მაგრამ იცვლება ქედების მოძრაობის სიჩქარე დამკვირვებელთან შედარებით. თუ დამკვირვებელი უახლოვდება ხმის წყაროს, მაშინ ტალღების სიჩქარე დამკვირვებელთან შედარებით ტოლი იქნება u` = u + uობს, სად uარის ჰაერში ბგერის გავრცელების სიჩქარე (ვვარაუდობთ, რომ ჰაერი მოსვენებულ მდგომარეობაშია) და u obs - დამკვირვებლის სიჩქარე. შესაბამისად, ახალი სიხშირე ტოლი იქნება

¦`= u` /ლ = (u + uობს)/ ლ,

ან იმიტომ ლ= u /¦,

¦` = (1 +uობს /u) ¦ [დამკვირვებელი უახლოვდება სტაციონარული ხმის წყაროს].

იმ შემთხვევაში, როდესაც დამკვირვებელი შორდება ხმის წყაროს, ფარდობითი სიჩქარე ტოლი იქნება u` = u - uდაკვირვებადი,

¦` = (1 -uობს /u) ¦ [დამკვირვებელი შორდება სტაციონარული ხმის წყაროს].

თუ ხმის ტალღა აირეკლება მოძრავი დაბრკოლებიდან, მაშინ დოპლერის ეფექტის გამო არეკლილი ტალღის სიხშირე განსხვავდება შემხვედრი ტალღის სიხშირისგან, ე.ი. მოხდება ეგრეთ წოდებული დოპლერის სიხშირის ცვლა. თუ ინციდენტი და არეკლილი ბგერის ტალღები ერთმანეთზეა გადანაწილებული, წარმოიქმნება სუპერპოზიცია და ეს გამოიწვევს დარტყმებს. დარტყმის სიხშირე უდრის განსხვავებას ორი ტალღის სიხშირეებს შორის. დოპლერის ეფექტის ეს გამოვლინება ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა სამედიცინო მოწყობილობებში, რომლებიც ჩვეულებრივ იყენებენ ულტრაბგერითი ტალღებს მეგაჰერცის სიხშირის დიაპაზონში. მაგალითად, სისხლის წითელი უჯრედებიდან არეკლილი ულტრაბგერითი ტალღები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სისხლის ნაკადის სიჩქარის დასადგენად. ანალოგიურად, ეს მეთოდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნაყოფის გულმკერდის მოძრაობის დასადგენად, ასევე გულისცემის დისტანციურად მონიტორინგისთვის. უნდა აღინიშნოს, რომ დოპლერის ეფექტი ასევე არის სარადარო გამოვლენის მეთოდის საფუძველი მანქანებისთვის, რომლებიც აღემატება დადგენილ სიჩქარეს, მაგრამ ამ შემთხვევაში გამოიყენება ელექტრომაგნიტური (რადიო) ტალღები და არა ხმის ტალღები.

(2.1) და (2.2) მიმართებების სიზუსტე მცირდება თუ uარის ან uდაკვირვებები ხმის სიჩქარეს უახლოვდება. ეს გამოწვეულია იმით, რომ საშუალო ნაწილაკების გადაადგილება აღარ იქნება აღმდგენი ძალის პროპორციული, ე.ი. წარმოიქმნება გადახრები ჰუკის კანონიდან, ასე რომ ჩვენი თეორიული მსჯელობის უმეტესი ნაწილი ძალას დაკარგავს.

დასკვნა.

ხმა ვრცელდება ჰაერში და სხვა მედიაში გრძივი ტალღის სახით. ჰაერში ხმის სიჩქარე ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება; 0 o C-ზე არის დაახლოებით 331 მ/წმ.

დოპლერის ეფექტი არის ის, რომ ხმის წყაროს ან მსმენელის მოძრაობა იწვევს ხმის სიმაღლის ცვლილებას. დამახასიათებელია ნებისმიერი ტალღისთვის (სინათლე, ხმა და ა.შ.). როდესაც წყარო უახლოვდება მიმღებს ლმცირდება და მანძილით იზრდება ოდენობით ლ - ლო = nlო /გ, სად ლ o - წყაროს ტალღის სიგრძე, გ- ტალღის გავრცელების სიჩქარე, ნ- წყაროს შედარებითი სიჩქარე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ ხმის წყარო და მსმენელი მიუახლოვდება, ხმის სიმაღლე იზრდება; თუ ისინი შორდებიან ერთმანეთს, მაშინ ხმის სიმაღლე იკლებს.

ცნობები.

1. კირილესა და მეთოდეს დიდი ენციკლოპედია 2001 წელი (2 CD-ROM).

2. Giancoli D. Physics: In 2 volume T. 1: Trans. ინგლისურიდან - მ.: მირი, 1989. – 656გვ., ილ.

3. Enochovich A. S. მოკლე საცნობარო წიგნი ფიზიკის შესახებ. – მე-2 გამოცემა, შესწორებული და დამატებული. – მ.: უმაღლესი სასწავლებელი, 1976. – 288გვ., ილ.

4. Savelyev I.V. ზოგადი ფიზიკის კურსი: სახელმძღვანელო. შემწეობა. 3 ტომში T. 2. ელექტროენერგია და მაგნეტიზმი. ტალღები. ოპტიკა. – მე-3 გამოცემა, რევ. - მ.: მეცნიერება. ჩ. რედ. ფიზიკა და მათემატიკა ლიტ., 1988. – 496 გვ., ილ.

განაცხადია.

განაცხადიბ.

მაგიდები.

შენიშვნა.ხმის სიჩქარის ტემპერატურული კოეფიციენტი გვიჩვენებს, თუ რამდენ მეტრს წამში იზრდება ბგერის სიჩქარე ნივთიერებაში, როდესაც მისი ტემპერატურა იზრდება 1 o C-ით. მინუს ნიშანი აჩვენებს, რომ ამ სითხეს აქვს სიჩქარის უარყოფითი ტემპერატურული კოეფიციენტი. ეს ნიშნავს, რომ ტემპერატურის მატებასთან ერთად სითხეში ხმის სიჩქარე მცირდება. გამონაკლისი არის წყალი, როდესაც ტემპერატურა 0-დან 74 o C-მდე იზრდება, მასში ხმის სიჩქარე იზრდება. ხმის მაქსიმალური სიჩქარე წყალში 74 o C არის 1555,5 მ/წმ.

ხმა არის ადამიანის თანამგზავრი მთელი მისი ცხოვრების განმავლობაში, მაგრამ ცოტა ადამიანი ფიქრობს იმაზე, თუ რა არის ეს. ფიზიკური თვალსაზრისით, ბგერა შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ნაწილაკების რხევითი მოძრაობა ელასტიურ გარემოში, რომელიც გამოწვეულია გარკვეული წყაროს, მოკლედ - დრეკადი ტალღებით. ხმის სიჩქარე დამოკიდებულია იმ საშუალების თვისებებზე, რომლებშიც ის ვრცელდება: აირებში ხმის სიჩქარე იზრდება ტემპერატურისა და წნევის მატებასთან ერთად, სითხეებში მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად (გამონაკლისია წყალი, რომელშიც ხმის სიჩქარე აღწევს მაქსიმუმ 74°C-ზე და იწყებს კლებას მხოლოდ ამ ტემპერატურის გაზრდისას). ჰაერისთვის, ეს დამოკიდებულება ასე გამოიყურება:

C = 332 + 0,6 ტ გ

სადაც t c არის გარემოს ტემპერატურა, °C.

ცხრილი 1. ხმის სიჩქარე გაზებში, 0 ° C ტემპერატურაზე და 1 ატმ წნევაზე.

ცხრილი 2. სითხეებში ხმის სიჩქარე 20 °C ტემპერატურაზე.

მყარ სხეულებში ბგერის სიჩქარე განისაზღვრება ნივთიერების დრეკადობის მოდულითა და მისი სიმკვრივით, ხოლო ის განსხვავდება გრძივი და განივი მიმართულებებით შეუზღუდავ იზოტროპულ მყარებში.

ცხრილი 3. ხმის სიჩქარე მყარ მდგომარეობაში.

ცხრილებიდან ნათლად ჩანს, რომ აირებში ხმის სიჩქარე გაცილებით დაბალია, ვიდრე მყარ სხეულებში, რის გამოც სათავგადასავლო ფილმებში ხშირად შეგიძლიათ ნახოთ ადამიანები, რომლებიც ყურს აყრიან მიწას დევნის არსებობის დასადგენად, ეს ფენომენი ასევე შესამჩნევია გვერდით. რკინიგზა, როდესაც შემოსული მატარებლის ხმა ორჯერ ისმის - პირველად ის ლიანდაგზე გადადის, მეორედ კი ჰაერში.

ბგერის ტალღის რხევითი მოძრაობის პროცესი ელასტიურ გარემოში შეიძლება აღწერილი იყოს ჰაერის ნაწილაკების რხევის მაგალითის გამოყენებით:

ჰაერის ნაწილაკზე, რომელიც იძულებულია გადაადგილდეს საწყისი პოზიციიდან ხმის წყაროს გავლენის გამო, მოქმედებს ჰაერის ელასტიური ძალები, რომლებიც ცდილობენ დააბრუნონ იგი თავდაპირველ ადგილზე, მაგრამ ინერციული ძალების მოქმედების გამო, დაბრუნებისას, ნაწილაკი არ ჩერდება, მაგრამ იწყებს საპირისპირო პოზიციიდან მოშორებას საპირისპირო მიმართულებით, სადაც, თავის მხრივ, მასზე მოქმედებს დრეკადი ძალებიც და პროცესი მეორდება.

სურათი 1. ჰაერის ნაწილაკების ვიბრაციის პროცესი

ნახატზე (სურათი No2) ჰაერის მოლეკულები ფიგურალურად არის წარმოდგენილი პატარა წერტილებით (ასეთი მილიონზე მეტია ჰაერის კუბურ მეტრში). შეკუმშვის რეგიონში წნევა ოდნავ აღემატება ატმოსფერულ წნევას, ხოლო იშვიათ რეგიონში, პირიქით, ატმოსფერულ წნევაზე დაბალია. მცირე ისრების მიმართულება გვიჩვენებს, რომ საშუალოდ, მოლეკულები მოძრაობენ მარჯვნივ მაღალი წნევის ზონიდან და მარცხნივ დაბალი წნევის ზონიდან. ნებისმიერი წარმოდგენილი მოლეკულა ჯერ გადის გარკვეულ მანძილს მარჯვნივ, შემდეგ კი იმავე მანძილს მარცხნივ, თავდაპირველ პოზიციასთან შედარებით, ხოლო ხმის ტალღა ერთნაირად მოძრაობს მარჯვნივ.

სურათი 2. ხმის ტალღის მოძრაობა

ლოგიკურია დავსვათ კითხვა - რატომ მოძრაობს ხმის ტალღა მარჯვნივ? პასუხის ნახვა შესაძლებელია წინა ფიგურის ისრებით: იმ ადგილას, სადაც ისრები ერთმანეთს ეჯახებიან, წარმოიქმნება მოლეკულების ახალი დაგროვება, რომელიც განლაგდება ორიგინალური შეკუმშვის ზონის მარჯვენა მხარეს; დაშორდით ისრების შეჯახების წერტილს, მოლეკულების სიმკვრივე მცირდება და წარმოიქმნება იშვიათი არეალი, შესაბამისად, მაღალი და დაბალი წნევის უბნების თანდათანობით მოძრაობა იწვევს ხმის ტალღის მოძრაობას მარჯვნივ. .

სურათი 3. ხმის ტალღის გადაადგილების პროცესი

ამ ტიპის ტალღურ მოძრაობას ეწოდება ჰარმონიული ან სინუსოიდური რხევები, რომლებიც აღწერილია შემდეგნაირად:

x(t) = Asin(wt + φ)

მარტივი ჰარმონიული ან სინუსური ტალღა ნაჩვენებია სურათზე (სურათი No4):

სურათი 4. სინუსური ტალღა

ტალღის სიგრძე დამოკიდებულია ხმის სიხშირეზე და სიჩქარეზე:

ტალღის სიგრძე (მ) = ტალღის სიჩქარე (მ/წმ) / სიხშირე (ჰც)

შესაბამისად, სიხშირე განისაზღვრება შემდეგნაირად:

სიხშირე (Hz) = ტალღის სიჩქარე (მ/წმ) / ტალღის სიგრძე (მ)

ამ განტოლებიდან ირკვევა, რომ სიხშირის მატებასთან ერთად ტალღის სიგრძე მცირდება.

ცხრილი 4. ტალღის სიგრძე დამოკიდებულია ხმის სიხშირეზე (ჰაერის ტემპერატურაზე 20 °C)

ხმის ინტენსივობა მცირდება ხმის წყაროდან მანძილის მატებასთან ერთად. თუ ბგერითი ტალღა არ აწყდება რაიმე დაბრკოლებას მის გზაზე, მაშინ წყაროდან ხმა მიედინება ყველა მიმართულებით. ფიგურა (სურათი No5) გვიჩვენებს ხმის ინტენსივობის ცვლილების ბუნებას - ხმის ინტენსივობა რჩება მუდმივი, მაგრამ გავლენის არეალი იზრდება, რის გამოც ხმის ინტენსივობა მცირდება კონკრეტულ წერტილში.

სურათი 5. ხმის ტალღის გავრცელების პროცესი

ხმის წყაროს ტიპებიდან გამომდინარე, არსებობს ხმის ტალღების რამდენიმე ტიპი: ბრტყელი, სფერული და ცილინდრული.

სურათი 6. ხმის წყაროების ტიპები და ტალღის ფრონტის სქემატური წარმოდგენა
a - გაფართოებული ფირფიტა; ბ - წერტილის წყარო; გ - წრფივი წყარო.

გავრცელებისას სიბრტყე ტალღები არ იცვლის ფორმას და ამპლიტუდას, სფერული ტალღები არ იცვლის ფორმას (ამპლიტუდა მცირდება 1/რ), ცილინდრული ტალღები ცვლის ფორმასაც და ამპლიტუდასაც (მცირდება 1/№r).