Helilaine on gaasilises, vedelas ja tahkes keskkonnas toimuv laineline protsess, mida inimese kuulmisorganitesse jõudes tajuvad need helina. Nende lainete sagedus jääb vahemikku 20 kuni 20 000 võnkumist sekundis. Anname helilaine valemid ja käsitleme selle omadusi üksikasjalikum alt.
Miks on helilaine?
Paljud inimesed mõtlevad, mis on helilaine. Heli olemus seisneb häirete esinemises elastses keskkonnas. Näiteks kui teatud õhuhulga korral tekib survehäire, kipub see piirkond ruumis levima. See protsess viib õhu kokkusurumiseni allikaga külgnevatel aladel, mis samuti kipuvad laienema. See protsess hõlmab üha suuremat osa ruumist, kuni see jõuab mõne vastuvõtjani, näiteks inimese kõrva.
Helilainete üldised omadused
Mõtleme, mis on helilaine ja kuidas seda inimkõrv tajub. Helilaineon pikisuunaline, tekitab see kõrvakarpi sattudes teatud sageduse ja amplituudiga kuulmekile vibratsiooni. Neid kõikumisi saate kujutada ka kui perioodilisi rõhumuutusi membraani külgneva õhu mikromahus. Esiteks suureneb see normaalse atmosfäärirõhu suhtes ja seejärel väheneb, järgides harmoonilise liikumise matemaatilisi seadusi. Õhu kokkusurumise muutuste amplituud, st helilaine tekitatud maksimaalse või minimaalse rõhu erinevus atmosfäärirõhust on võrdeline helilaine enda amplituudiga.
Paljud füüsikalised katsed on näidanud, et maksimaalne rõhk, mida inimkõrv suudab tajuda ilma seda kahjustamata, on 2800 µN/cm2. Võrdluseks oletame, et atmosfäärirõhk maapinna lähedal on 10 miljonit µN/cm2. Arvestades rõhu ja võnkeamplituudi proportsionaalsust, võib öelda, et viimane väärtus on ebaoluline ka kõige tugevamate lainete puhul. Kui räägime helilaine pikkusest, siis sagedusel 1000 vibratsiooni sekundis on see sentimeetri tuhandik.
Kõige nõrgemad helid tekitavad rõhukõikumisi suurusjärgus 0,001µN/cm2, vastav laine võnkeamplituud sagedusel 1000 Hz on 10- 9cm, samas kui õhumolekulide keskmine läbimõõt on 10-8 cm, see tähendab, et inimese kõrv on äärmiselt tundlik organ.
Helilainete intensiivsuse mõiste
GomeetrilisegaHelilaine seisukoh alt on tegemist teatud vormis vibratsiooniga, füüsikalisest vaatenurgast on helilainete peamiseks omaduseks nende võime energiat edasi anda. Laineenergia ülekande kõige olulisem näide on päike, mille kiiratavad elektromagnetlained annavad energiat kogu meie planeedile.
Helilaine intensiivsust defineeritakse füüsikas kui energiahulka, mida laine kannab läbi ühikulise pinna, mis on laine levimisega risti, ja ajaühikus. Lühid alt öeldes on laine intensiivsus selle võimsus, mis kantakse üle pindalaühiku.
Heli lainete tugevust mõõdetakse tavaliselt detsibellides, mis põhinevad logaritmilisel skaalal, mis on mugav tulemuste praktiliseks analüüsiks.
Erinevate helide intensiivsus
Järgmine detsibellide skaala annab aimu erinevate helitugevuste tähendusest ja nende tekitatavatest tunnetest:
- ebameeldivate ja ebamugavate aistingute lävi algab 120 detsibellist (dB);
- neetimishaamer tekitab 95 dB müra;
- kiirrong – 90 dB;
- liiklustänav - 70 dB;
- tavalise inimestevahelise vestluse helitugevus on 65 dB;
- Mõõdukatel kiirustel liikuv kaasaegne auto tekitab 50 dB müra;
- keskmine raadio helitugevus - 40 dB;
- vaikne vestlus – 20 dB;
- puu lehestiku müra – 10 dB;
- Minimaalne inimese helitundlikkuse lävi on 0 dB lähedal.
Inimese kõrva tundlikkus sõltubheli sagedus ja on maksimaalne väärtus helilainete jaoks sagedusega 2000-3000 Hz. Selle sagedusvahemiku heli puhul on inimese tundlikkuse alumine lävi 10-5 dB. Määratud intervallist kõrgemad ja madalamad sagedused toovad kaasa madalama tundlikkusläve tõusu nii, et inimene kuuleb 20 Hz ja 20 000 Hz lähedasi sagedusi ainult nende mitmekümne dB intensiivsusega.
Mis puudutab intensiivsuse ülemist läve, mille järel hakkab heli tekitama inimesele ebamugavusi ja isegi valu, siis olgu öeldud, et see praktiliselt ei sõltu sagedusest ja jääb vahemikku 110-130 dB.
Helilaine geomeetrilised omadused
Tõeline helilaine on keeruline võnkuv pikilainete pakett, mida saab lagundada lihtsateks harmoonilisteks vibratsioonideks. Iga sellist võnkumist kirjeldavad geomeetrilisest vaatenurgast järgmised omadused:
- Amplituud – laine iga lõigu maksimaalne kõrvalekalle tasakaalust. Selle väärtuse jaoks on tähis A.
- Periood. See on aeg, mis kulub lihtsal lainel oma täieliku võnkumise lõpuleviimiseks. Selle aja möödudes hakkab iga laine punkt kordama oma võnkeprotsessi. Perioodi tähistatakse tavaliselt tähega T ja mõõdetakse SI-süsteemis sekundites.
- Sagedus. See on füüsikaline suurus, mis näitab, kui palju võnkeid antud laine sekundis teeb. See tähendab, et oma tähenduses on see perioodile pöördväärtus. Seda tähistatakse ladina tähega f. Helilaine sageduse jaoks on valem selle määramiseks perioodi kaudu järgmine: f=1/T.
- Laine pikkus on vahemaa, mille see läbib ühe võnkeperioodi jooksul. Geomeetriliselt on lainepikkus kaugus kahe lähima maksimumi või kahe lähima miinimumi vahel siinuskõveral. Helilaine võnkepikkus on kaugus lähimate õhu kokkusurumisalade või lähimate selle harvaesinemiskohtade vahel ruumis, kus laine liigub. Tavaliselt tähistatakse seda kreeka tähega λ.
- Helilaine levimiskiirus on vahemaa, mille jooksul laine kokkusurumis- või haruldusala levib ajaühikus. Seda väärtust tähistatakse tähega v. Helilaine kiiruse valem on järgmine: v=λf.
Puhta helilaine, st pideva puhtusega laine, geomeetria järgib sinusoidaalset seadust. Üldjuhul on helilaine valem: y=Asin(ωt), kus y on laine antud punkti koordinaadi väärtus, t on aeg, ω=2pif on tsükliline võnkesagedus.
Perioodiline heli
Paljusid heliallikaid võib pidada perioodiliseks, näiteks muusikariistade, nagu kitarr, klaver, flööt, heli, kuid looduses on ka suur hulk helisid, mis on aperioodilised, st heli vibratsioonid muutuvad nende sagedus ja kuju ruumis. Tehniliselt nimetatakse sellist heli müraks. säravAperioodilise heli näideteks on linnamüra, merekohin, löökpillide, näiteks trummi helid ja muud.
Heli levikandja
Erinev alt elektromagnetkiirgusest, mille footonid ei vaja levimiseks mingit materiaalset keskkonda, on heli olemus selline, et selle levimiseks on vaja teatud keskkonda ehk füüsikaseaduste järgi helilained ei saa levitada vaakumis.
Heli võib levida läbi gaaside, vedelike ja tahkete ainete. Keskkonnas leviva helilaine peamised omadused on järgmised:
- laine levib lineaarselt;
- see levib homogeenses keskkonnas võrdselt kõikides suundades, see tähendab, et heli eraldub allikast, moodustades täiusliku sfäärilise pinna.
- heli amplituudist ja sagedusest olenemata levivad selle lained antud keskkonnas sama kiirusega.
Heli lainete kiirus erinevates meediumites
Heli levimise kiirus sõltub kahest peamisest tegurist: keskkonnast, milles laine liigub, ja temperatuurist. Üldiselt kehtib järgmine reegel: mida tihedam on keskkond ja mida kõrgem on selle temperatuur, seda kiiremini heli selles liigub.
Näiteks helilaine levimiskiirus maapinna lähedal õhus temperatuuril 20 ℃ ja õhuniiskusel 50% on 1235 km/h ehk 343 m/s. Antud temperatuuril vees levib heli siis 4,5 korda kiireminiseal on umbes 5735 km/h ehk 1600 m/s. Mis puudutab helikiiruse sõltuvust õhutemperatuurist, siis see suureneb 0,6 m/s, kui temperatuur tõuseb iga Celsiuse kraadi võrra.
Tämber ja toon
Kui keelpillil või metallplaadil lastakse vab alt vibreerida, tekitab see erineva sagedusega helisid. Väga harva leitakse keha, mis kiirgaks ühe kindla sagedusega heli, tavaliselt on objekti helil teatud intervalli sagedused.
Heli tämbri määrab selles esinevate harmooniliste arv ja nende vastav intensiivsus. Tämber on subjektiivne väärtus, st see on konkreetse inimese tajumine kõlavast objektist. Tämbrit iseloomustavad tavaliselt järgmised omadussõnad: kõrge, särav, kõlav, meloodiline ja nii edasi.
Toon on heliaisting, mis võimaldab selle liigitada kõrgeks või madalaks. See väärtus on samuti subjektiivne ja seda ei saa ühegi instrumendiga mõõta. Toon on seotud objektiivse suuruse - helilaine sagedusega, kuid nende vahel puudub ühemõtteline seos. Näiteks püsiva intensiivsusega ühesagedusliku heli puhul tõuseb toon sageduse kasvades. Kui heli sagedus jääb konstantseks, kuid selle intensiivsus suureneb, muutub toon madalamaks.
Heliallikate kuju
Mehhaaniliselt vibreeriva ja seeläbi heli tekitava keha kuju järgi on helilainete allikaid kolm peamist tüüpi:
- Punktallikas. See tekitab sfäärilise kujuga helilaineid, mis vaibuvad kiiresti kauguse tõttu allikast (umbes 6 dB, kui kaugus allikast on kahekordistunud).
- Rea allikas. See loob silindrilisi laineid, mille intensiivsus väheneb aeglasem alt kui punktallikast lähtudes (intensiivsus väheneb iga kauguse allikast kahekordistamisel 3 dB võrra).
- Lame või kahemõõtmeline allikas. See tekitab laineid ainult teatud suunas. Sellise allika näide on silindris liikuv kolb.
Elektroonilised heliallikad
Helilaine tekitamiseks kasutavad elektroonilised allikad spetsiaalset membraani (kõlarit), mis teostab elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tõttu mehaanilisi vibratsioone. Need allikad on järgmised:
- mängijad erinevatele plaatidele (CD, DVD ja muud);
- kassettmagnetofonid;
- raadiod;
- telerid ja mõned teised.
