Helilaine on teatud sagedusega mehaaniline pikilaine. Artiklis saame aru, mis on piki- ja põiklained, miks mitte iga mehaaniline laine on heli. Uurige laine kiirust ja heli esinemise sagedusi. Uurime, kas heli on erinevates keskkondades sama, ja õpime, kuidas leida selle kiirust valemi abil.
Laine ilmub
Kujutagem ette veepinda, vaikse ilmaga näiteks tiiki. Kui viskate kivi, siis veepinnal näeme keskelt lahknevaid ringe. Ja mis juhtub, kui me ei võta kivi, vaid palli ja viime selle võnkuvasse liikumisse? Ringid tekitavad pidev alt palli vibratsioonid. Näeme ligikaudu sama, mis on näidatud arvutianimatsioonil.
Kui me ujuk mõnel kaugusel kuulist alla laseme, hakkab see ka võnkuma. Kui kõikumised ruumis aja jooksul lahknevad, nimetatakse seda protsessi laineks.
Heli omaduste (lainepikkus, lainekiirus jne) uurimiseks sobib kuulus Vikerkaare mänguasi ehk Happy Rainbow.
Pirutame vedru välja, laseme rahuneda ja raputame järsult üles-alla. Näeme, et tekkis laine, mis jooksis mööda allikat ja pöördus siis tagasi. See tähendab, et see peegeldub takistuselt. Vaatlesime, kuidas laine aja jooksul piki vedru levis. Vedru osakesed liikusid oma tasakaalu suhtes üles ja alla ning laine jooksis vasakule ja paremale. Sellist lainet nimetatakse põiklaineks. Selles on selle levimise suund risti osakeste võnkesuunaga. Meie puhul oli laine levimise keskkond vedru.
Nüüd venitame vedru välja, laseme rahuneda ja tõmbame edasi-tagasi. Näeme, et vedru poolid surutakse piki seda kokku. Laine jookseb samas suunas. Ühes kohas on vedru rohkem kokku surutud, teises rohkem venitatud. Sellist lainet nimetatakse pikisuunaliseks. Selle osakeste võnkesuund langeb kokku levimissuunaga.
Kujutame ette tihedat keskkonda, näiteks jäika keha. Kui deformeerime seda nihkega, tekib laine. See ilmneb elastsusjõudude tõttu, mis toimivad ainult tahketes ainetes. Need jõud mängivad elastse laine taastamise ja tekitamise rolli.
Vedelikku ei saa deformeerida nihkega. Ristlaine ei saa levida gaasides ja vedelikes. Teine asi on pikisuunaline: see levib kõigis keskkondades, kus toimivad elastsed jõud. Pikilaines lähenevad osakesed üksteisele, seejärel eemalduvad ning keskkond ise surutakse kokku ja harveneb.
Paljud inimesed arvavad, et vedelikudkokkusurumatu, kuid see pole nii. Kui vajutate veega süstla kolvile, tõmbub see veidi kokku. Gaasides on võimalik ka surve-tõmbe deformatsioon. Tühja süstla kolvi vajutamine surub õhu kokku.
Kiirus ja lainepikkus
Pöördume tagasi animatsiooni juurde, mida käsitlesime artikli alguses. Valime ühel tingimuslikust kuulist lahknevast ringist suvalise punkti ja järgime seda. Punkt liigub keskusest eemale. Kiirus, millega see liigub, on laineharja kiirus. Võime järeldada: üks laine tunnuseid on laine kiirus.
Animatsioon näitab, et laineharjad asuvad samal kaugusel. See on lainepikkus – veel üks selle omadus. Mida sagedasemad lained, seda lühem on nende pikkus.
Miks mitte iga mehaaniline laine on heli
Võtke alumiiniumjoonlaud.
See on kopsakas, seega on see kogemuse jaoks hea. Panime joonlaua laua servale ja vajutame käega nii, et see tugevasti välja ulatuks. Vajutame selle servale ja vabastame selle järsult - vaba osa hakkab vibreerima, kuid heli ei kostu. Kui pikendate joonlauda veidi, tekitab lühikese serva vibratsioon heli.
Mida see kogemus näitab? See näitab, et heli tekib ainult siis, kui keha liigub piisav alt kiiresti, kui lainekiirus keskkonnas on suur. Tutvustame veel üht laine omadust – sagedust. See väärtus näitab, mitu vibratsiooni keha sekundis teeb. Kui tekitame õhus laine, tekib heli teatud tingimustel – kui piisav altkõrge sagedusega.
Oluline on mõista, et heli ei ole laine, kuigi see on seotud mehaaniliste lainetega. Heli on tunne, mis tekib siis, kui heli (akustilised) lained sisenevad kõrva.
Lähme tagasi joonlaua juurde. Suurema osa pikendamisel joonlaud võngub ja häält ei tee. Kas see tekitab laine? Muidugi, aga see on mehaaniline laine, mitte helilaine. Nüüd saame määratleda helilaine. See on mehaaniline pikisuunaline laine, mille sagedus on vahemikus 20 Hz kuni 20 tuhat Hz. Kui sagedus on alla 20 Hz või üle 20 kHz, siis me ei kuule seda, kuigi vibratsioon esineb.
Heliallikas
Iga võnkuv keha võib olla akustiliste lainete allikas, see vajab ainult elastset keskkonda, näiteks õhku. Vibreerida ei saa mitte ainult tahke keha, vaid ka vedelik ja gaas. Õhk kui mitme gaasi segu ei saa olla mitte ainult levikeskkond, vaid ka ise on võimeline tekitama akustilise laine. Just tema vibratsioonid on puhkpillide kõla aluseks. Flööt ega trompet ei vibreeri. See on õhk, mis harveneb ja surutakse kokku, annab lainele teatud kiiruse, mille tulemusena kuuleme heli.
Heli levitamine erinevates keskkondades
Saime teada, et kõlavad erinevad ained: vedel, tahke, gaasiline. Sama kehtib ka akustilise laine juhtimise võime kohta. Heli levib igas elastses keskkonnas (vedel, tahke, gaasiline), välja arvatud vaakum. Tühjas ruumis, näiteks Kuul, ei kuule me vibreeriva keha häält.
Suurem osa inimeste tajutavatest helidest on õhus. Kalad, meduusid kuulevad akustilise laine lahknemist läbi vee. Meie, kui sukeldume vee alla, kuuleme ka möödasõitva mootorpaadi müra. Veelgi enam, lainepikkus ja lainekiirus on suuremad kui õhus. See tähendab, et vee all sukelduv inimene kuuleb esimesena mootori häält. Kalur, kes istub oma paadis samas kohas, kuuleb müra hiljem.
Tahketes ainetes levib heli veelgi paremini ja lainekiirus on suurem. Kui asetate kõva eseme, eriti metalli, kõrva äärde ja koputage sellele, kuulete väga hästi. Teine näide on teie enda hääl. Kui me esimest korda kuuleme oma kõnet, mis on varem salvestatud helisalvestisse või videost, tundub hääl võõrana. Miks see juhtub? Sest elus ei kuule me oma suust mitte niivõrd helivõnkeid, kuivõrd lainete vibratsiooni, mis läbivad meie koljuluid. Nendelt takistustelt peegelduv heli muutub mõnevõrra.
Heli kiirus
Helilaine kiirus, kui arvestada sama heli, on erinevates keskkondades erinev. Mida tihedam on meedium, seda kiiremini jõuab heli meie kõrva. Rong võib meist nii kaugele minna, et rataste häält veel ei kosta. Kui aga asetate kõrva rööbastele, kuuleme selgelt mürinat.
See viitab sellele, et helilained levivad tahketes ainetes kiiremini kui õhus. Joonis näitab heli kiirust erinevates keskkondades.
Lainevõrrand
Kiirus, sagedus ja lainepikkus on omavahel seotud. Kõrgel sagedusel vibreerivate kehade puhul on laine lühem. Madala sagedusega helisid saab kuulda suurema vahemaa tagant, kuna neil on pikem lainepikkus. On kaks lainevõrrandit. Need illustreerivad lainete omaduste vastastikust sõltuvust üksteisest. Teades võrranditest kahte suurust, saate arvutada kolmanda:
с=ν × λ, kus c on kiirus, ν on sagedus, λ on lainepikkus.
Teine akustilise laine võrrand:
s=λ / T, kus T on periood, st aeg, mille jooksul keha teeb ühe võnkumise.
