Gelombang suara: rumus, properti. Sumber gelombang suara

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 05:30

Gelombang suara adalah proses gelombang yang terjadi pada media gas, cair dan padat, yang ketika mencapai organ pendengaran manusia, dirasakan oleh mereka sebagai suara. Frekuensi gelombang ini terletak pada kisaran 20 hingga 20.000 osilasi per detik. Kami memberikan rumus untuk gelombang suara dan mempertimbangkan sifat-sifatnya secara lebih rinci.

Mengapa ada gelombang suara?

Banyak orang bertanya-tanya apa itu gelombang suara. Sifat bunyi terletak pada terjadinya gangguan pada medium elastis. Misalnya, ketika gangguan tekanan berupa kompresi terjadi pada volume udara tertentu, daerah ini cenderung menyebar di ruang angkasa. Proses ini menyebabkan kompresi udara di daerah yang berdekatan dengan sumber, yang juga cenderung mengembang. Proses ini mencakup lebih banyak ruang hingga mencapai beberapa penerima, misalnya telinga manusia.

Karakteristik umum gelombang suara

Mari kita perhatikan apa itu gelombang suara dan bagaimana gelombang itu dirasakan oleh telinga manusia. Gelombang suaralongitudinal, ketika memasuki cangkang telinga, menyebabkan getaran gendang telinga dengan frekuensi dan amplitudo tertentu. Anda juga dapat menggambarkan fluktuasi ini sebagai perubahan periodik dalam tekanan dalam volume mikro udara yang berdekatan dengan membran. Pertama, ia meningkat relatif terhadap tekanan atmosfer normal, dan kemudian menurun, mematuhi hukum matematika gerak harmonik. Amplitudo perubahan kompresi udara, yaitu perbedaan antara tekanan maksimum atau minimum yang diciptakan oleh gelombang suara, dengan tekanan atmosfer sebanding dengan amplitudo gelombang suara itu sendiri.

Banyak eksperimen fisik menunjukkan bahwa tekanan maksimum yang dapat diterima telinga manusia tanpa merusaknya adalah 2800 N/cm². Sebagai perbandingan, misalkan tekanan atmosfer di dekat permukaan bumi adalah 10 juta N/cm^{2. Mempertimbangkan proporsionalitas tekanan dan amplitudo osilasi, kita dapat mengatakan bahwa nilai terakhir tidak signifikan bahkan untuk gelombang terkuat. Jika kita berbicara tentang panjang gelombang suara, maka untuk frekuensi 1000 getaran per detik, itu akan menjadi seperseribu sentimeter.}

Suara terlemah menciptakan fluktuasi tekanan dengan orde 0,001µN/cm², amplitudo osilasi gelombang yang sesuai untuk frekuensi 1000 Hz adalah 10^{- 9}cm, sedangkan diameter rata-rata molekul udara adalah 10^{-8 cm, artinya telinga manusia adalah organ yang sangat sensitif.}

Konsep intensitas gelombang suara

Dengan geometrisDari sudut pandang gelombang suara, itu adalah getaran bentuk tertentu, dari sudut pandang fisik, sifat utama gelombang suara adalah kemampuannya untuk mentransfer energi. Contoh paling penting dari transfer energi gelombang adalah matahari, yang radiasi gelombang elektromagnetiknya memberikan energi ke seluruh planet kita.

Intensitas gelombang suara dalam fisika didefinisikan sebagai jumlah energi yang dibawa oleh gelombang melalui permukaan satuan, yang tegak lurus terhadap perambatan gelombang, dan per satuan waktu. Singkatnya, intensitas gelombang adalah daya yang ditransfer melalui satuan luas.

Kekuatan gelombang suara biasanya diukur dalam desibel, yang didasarkan pada skala logaritmik, nyaman untuk analisis praktis dari hasil.

Intensitas berbagai suara

Skala desibel berikut memberikan gambaran tentang arti berbagai intensitas suara dan sensasi yang ditimbulkannya:

ambang batas untuk sensasi yang tidak menyenangkan dan tidak nyaman mulai dari 120 desibel (dB);
palu memukau menghasilkan kebisingan 95 dB;
kereta kecepatan tinggi - 90 dB;
jalan lalu lintas - 70 dB;
volume percakapan normal antara orang-orang adalah 65 dB;
Mobil modern yang bergerak dengan kecepatan sedang menghasilkan kebisingan 50 dB;
volume radio rata-rata - 40 dB;
percakapan tenang - 20 dB;
suara dedaunan pohon - 10 dB;
Ambang minimum sensitivitas suara manusia mendekati 0 dB.

Sensitivitas telinga manusia bergantung padafrekuensi suara dan merupakan nilai maksimum untuk gelombang suara dengan frekuensi 2000-3000 Hz. Untuk suara dalam rentang frekuensi ini, ambang batas sensitivitas manusia yang lebih rendah adalah 10-5 dB. Frekuensi yang lebih tinggi dan lebih rendah dari interval yang ditentukan menyebabkan peningkatan ambang sensitivitas yang lebih rendah sedemikian rupa sehingga seseorang mendengar frekuensi mendekati 20 Hz dan 20.000 Hz hanya pada intensitas beberapa puluh dB.

Adapun ambang batas atas intensitas, setelah itu suara mulai menyebabkan ketidaknyamanan bagi seseorang dan bahkan rasa sakit, harus dikatakan bahwa itu praktis tidak tergantung pada frekuensi dan terletak pada kisaran 110-130 dB.

Karakteristik geometrik gelombang suara

Gelombang suara nyata adalah paket osilasi kompleks dari gelombang longitudinal, yang dapat diuraikan menjadi getaran harmonik sederhana. Setiap osilasi tersebut dijelaskan dari sudut pandang geometris dengan karakteristik berikut:

Amplitudo - deviasi maksimum setiap bagian gelombang dari kesetimbangan. Untuk nilai ini, penunjukan A.
Periode. Ini adalah waktu yang diperlukan gelombang sederhana untuk menyelesaikan osilasi lengkapnya. Setelah waktu ini, setiap titik gelombang mulai mengulangi proses osilasinya. Periode biasanya dilambangkan dengan huruf T dan diukur dalam detik dalam sistem SI.
Frekuensi. Ini adalah kuantitas fisik yang menunjukkan berapa banyak osilasi yang dihasilkan gelombang tertentu per detik. Artinya, dalam maknanya, itu adalah nilai yang berbanding terbalik dengan periode. Dilambangkan dengan huruf latin f. Untuk frekuensi gelombang bunyi, rumus menentukannya melalui suatu periode adalah sebagai berikut: f=1/T.
Panjang gelombang adalah jarak yang ditempuh dalam satu periode osilasi. Secara geometris, panjang gelombang adalah jarak antara dua maxima terdekat atau dua minima terdekat pada kurva sinusoidal. Panjang osilasi gelombang suara adalah jarak antara daerah terdekat dari kompresi udara atau tempat terdekat dari rarefaction di ruang di mana gelombang bergerak. Biasanya dilambangkan dengan huruf Yunani.
Kecepatan rambat gelombang suara adalah jarak di mana luas daerah tekan atau luas rambat gelombang per satuan waktu. Nilai ini dilambangkan dengan huruf v. Untuk cepat rambat gelombang bunyi, rumusnya adalah: v=f.

Geometri gelombang suara murni, yaitu gelombang kemurnian konstan, mematuhi hukum sinusoidal. Dalam kasus umum, rumus gelombang suara adalah: y=Asin(ωt), di mana y adalah nilai koordinat titik tertentu dari gelombang, t adalah waktu,=2pif adalah frekuensi osilasi siklik.

Suara aperiodik

Banyak sumber suara dapat dianggap periodik, misalnya, suara dari alat musik seperti gitar, piano, seruling, tetapi ada juga sejumlah besar suara di alam yang aperiodik, yaitu perubahan getaran suara frekuensi dan bentuknya dalam ruang. Secara teknis, suara semacam ini disebut kebisingan. terangcontoh bunyi aperiodik adalah bising perkotaan, bunyi laut, bunyi dari instrumen perkusi, seperti gendang, dan lain-lain.

Media propagasi suara

Tidak seperti radiasi elektromagnetik, yang foton-nya tidak memerlukan media material apa pun untuk perambatannya, sifat suara adalah sedemikian rupa sehingga diperlukan media tertentu untuk perambatannya, yaitu, menurut hukum fisika, gelombang suara tidak dapat merambat dalam ruang hampa.

Suara dapat merambat melalui gas, cairan, dan padatan. Ciri-ciri utama perambatan gelombang suara dalam suatu medium adalah sebagai berikut:

gelombang merambat linier;
menyebar secara merata ke segala arah dalam media yang homogen, yaitu, suara menyimpang dari sumbernya, membentuk permukaan bola yang sempurna.
terlepas dari amplitudo dan frekuensi suara, gelombangnya merambat dengan kecepatan yang sama dalam medium tertentu.

Kecepatan gelombang suara di berbagai media

Kecepatan rambat suara tergantung pada dua faktor utama: media tempat gelombang bergerak dan suhu. Secara umum, aturan berikut berlaku: semakin padat medium, dan semakin tinggi suhunya, semakin cepat suara bergerak di dalamnya.

Misalnya, kecepatan rambat gelombang suara di udara dekat permukaan bumi pada suhu 20 dan kelembaban 50% adalah 1235 km/jam atau 343 m/s. Dalam air pada suhu tertentu, suara merambat 4,5 kali lebih cepat, makaada sekitar 5735 km/jam atau 1600 m/s. Adapun ketergantungan kecepatan suara pada suhu di udara meningkat sebesar 0,6 m / s dengan peningkatan suhu untuk setiap derajat Celcius.

Timbre dan nada

Jika senar atau pelat logam dibiarkan bergetar dengan bebas, maka akan menghasilkan suara dengan frekuensi yang berbeda. Sangat jarang ditemukan benda yang mengeluarkan bunyi dengan frekuensi tertentu, biasanya bunyi suatu benda memiliki frekuensi tertentu dalam selang waktu tertentu.

Timbre suara ditentukan oleh jumlah harmonik yang ada di dalamnya dan intensitasnya masing-masing. Timbre adalah nilai subjektif, yaitu persepsi objek yang terdengar oleh orang tertentu. Timbre biasanya dicirikan oleh kata sifat berikut: tinggi, cemerlang, nyaring, melodi, dan sebagainya.

Nada adalah sensasi suara yang memungkinkannya diklasifikasikan sebagai tinggi atau rendah. Nilai ini juga subjektif dan tidak dapat diukur dengan instrumen apapun. Nada dikaitkan dengan kuantitas objektif - frekuensi gelombang suara, tetapi tidak ada hubungan yang jelas di antara mereka. Misalnya, untuk suara frekuensi tunggal dengan intensitas konstan, nada naik seiring dengan peningkatan frekuensi. Jika frekuensi bunyi tetap, tetapi intensitasnya meningkat, maka nadanya menjadi lebih rendah.

Bentuk sumber suara

Menurut bentuk tubuh yang bergetar secara mekanis dan dengan demikian menghasilkan suara, ada tiga jenis utama sumber gelombang suara:

Sumber titik. Ini menghasilkan gelombang suara yang berbentuk bola dan meluruh dengan cepat dengan jarak dari sumber (sekitar 6dB jika jarak dari sumber digandakan).
Sumber baris. Ini menciptakan gelombang silinder yang intensitasnya berkurang lebih lambat daripada dari sumber titik (untuk setiap penggandaan jarak dari sumber, intensitasnya berkurang 3 dB).
Sumber datar atau dua dimensi. Ini menghasilkan gelombang hanya dalam arah tertentu. Contoh dari sumber seperti itu adalah piston yang bergerak di dalam silinder.

Sumber suara elektronik

Untuk membuat gelombang suara, sumber elektronik menggunakan membran khusus (speaker), yang melakukan getaran mekanis karena fenomena induksi elektromagnetik. Sumber-sumber ini termasuk yang berikut: