Ηχητική Ενέργεια:Ορισμός και Παραδείγματα
Ηχητική ενέργεια είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη δόνηση των αντικειμένων και μετράται σε μια μονάδα που ονομάζεται τζάουλ. Ο ήχος είναι ένα κύμα και έχει ταλαντευόμενες συμπιέσεις και μετατόπιση, που μπορεί να αποθηκεύσει τόσο κινητική όσο και δυναμική ενέργεια.
Αυτός είναι ο γρήγορος ορισμός της ηχητικής ενέργειας, αλλά για να κατανοήσουμε καλύτερα την ηχητική ενέργεια, θα ήταν χρήσιμο να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη δομή του ήχου και στον τρόπο αλληλεπίδρασης του με αντικείμενα, καθώς και στον τρόπο αποθήκευσης και απελευθέρωσης ενέργειας.
Τι είναι ο ήχος;
Ας ξεκινήσουμε ορίζοντας τον ήχο. Ο ήχος μπορεί να θεωρηθεί απλώς ως η ενέργεια που δημιουργούν τα αντικείμενα όταν δονούνται. Για παράδειγμα, θεωρήστε ένα τύμπανο που δονείται όταν χτυπηθεί. Το τύμπανο σπρώχνει τον αέρα γύρω από το τύμπανο και το κάνει να δονείται επιπλέον. Η ενέργεια θα κινηθεί μέσω του αέρα, κάνοντάς τον να δονείται προς κάθε κατεύθυνση έως ότου οι δονήσεις χτυπήσουν το αυτί σας, και αυτό είναι που προκαλεί την αντίληψη του ήχου. Ενώ ο ήχος μπορεί να ειπωθεί ότι έχει δύο διαφορετικές πτυχές - μια ψυχολογική πτυχή που είναι η αντίληψη και ερμηνεία του ήχου μέσα στα αυτιά και στον εγκέφαλο και η φυσική διαδικασία που δημιουργεί ηχητική ενέργεια - αυτό το άρθρο θα ασχοληθεί κυρίως με τις φυσικές πτυχές του ήχου .
Ο ήχος είναι το ταξίδι της ενέργειας μέσω του αέρα και η άφιξή της στο αυτί μετά από αυτό. Μπορείτε να σκεφτείτε τα ηχητικά κύματα παρόμοια με τα κύματα του ωκεανού, που ταξιδεύουν σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και δονούνται με συγκεκριμένο τρόπο. Ωστόσο, υπάρχει μια διαφορά μεταξύ του τρόπου με τον οποίο δονούνται τα κύματα του ωκεανού και τα ηχητικά κύματα. Ενώ τα κύματα του ωκεανού δονούνται πάνω και κάτω, τα ηχητικά κύματα δεν δονούνται με αυτόν τον τρόπο. Τα κύματα του ωκεανού αναφέρονται ως εγκάρσια κύματα, επειδή καθώς το νερό κινείται προς τα πάνω και προς τα κάτω, η ενέργεια και το κύμα κινούνται εγκάρσια προς τα εμπρός.
Αντίθετα, καθώς τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν προς τα εμπρός, ο αέρας μπροστά από τα ηχητικά κύματα απλώνεται σε ορισμένες περιοχές και συγκεντρώνεται σε άλλες περιοχές. Αυτό δημιουργεί σπάνιες και συμπιέσεις, τεντωμένες περιοχές και συσσωρευμένες περιοχές αντίστοιχα. Έτσι, ενώ τα κύματα του ωκεανού δονούνται πάνω-κάτω και το νερό, τα ηχητικά κύματα είτε θα τραβήξουν είτε θα σπρώξουν τον αέρα μπρος-πίσω.
Ηχητικά κύματα και ανάκλαση
Αν παρακολουθήσετε τον τρόπο με τον οποίο τα κύματα του ωκεανού αλληλεπιδρούν με μια παραλία, θα παρατηρήσετε ότι κάνουν πράγματα όπως χτυπούν σε τοίχους της παραλίας και αντανακλώνται πίσω στον ωκεανό. Τα κύματα μπορούν επίσης να εξαπλωθούν στην παραλία μέχρι να εξαντληθούν από ενέργεια ή να εξαπλωθούν σε κυματισμούς. Αυτή είναι μια αντανάκλαση του τρόπου με τον οποίο η ενέργεια συμπεριφέρεται όταν μεταφέρεται από τα κύματα του ωκεανού και τα ηχητικά κύματα μπορούν να θεωρηθούν ότι αντανακλούν και σε αυτό το θέμα.
Τα ηχητικά κύματα μπορούν να αντανακλούν τις επιφάνειες όπως ακριβώς τα κύματα του ωκεανού αναπηδούν από το θαλάσσιο τείχος ή όπως το φως αντανακλάται από τον καθρέφτη. Οι ηχώ είναι απλώς αντανακλάσεις ηχητικών κυμάτων, είναι απλώς αντανακλάσεις ήχου. Η ηχητική ενέργεια που προέρχεται από μια πηγή αναπηδά από την επιφάνεια και ταξιδεύει πίσω προς την κατεύθυνση της πηγής, εισερχόμενη στα αυτιά σας για δεύτερη φορά. Υπάρχει μια καθυστέρηση μεταξύ της προέλευσης του ήχου και της ηχούς που ακούτε, λόγω του γεγονότος ότι χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να αντανακλά ο ήχος της ηχούς από την επιφάνεια και να ταξιδέψει πίσω.
Καθώς ταξιδεύουν, τα ηχητικά κύματα χάνουν την ενέργειά τους. Πτυχές του περιβάλλοντος, όπως ο άνεμος και ο καιρός μπορούν να επηρεάσουν το πόσο γρήγορα τα ηχητικά κύματα χάνουν την ενέργειά τους και κατακλύζονται από άλλους ήχους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο είναι πιο εύκολο να ακούτε ήχους μακριά τις ήρεμες μέρες παρά τις μέρες με αέρα, καθώς ο άνεμος διαχέει την ενέργειά τους πιο γρήγορα. Ομοίως, τα κύματα του ωκεανού θα εξαφανίζονταν με παρόμοιο τρόπο. Τα κύματα του νερού μπορούν να ταξιδέψουν μακριά στον ωκεανό, αλλά μπορούν επίσης να διακοπούν από θυελλώδεις καιρικές συνθήκες.
Τα ηχητικά κύματα είναι παρόμοια με τα κύματα του ωκεανού και τα κύματα φωτός σε άλλες όψεις καλά. Καθώς τα κύματα του ωκεανού ταξιδεύουν σε έναν κόλπο, απλώνονται και κυματίζονται σε κύκλους. Τα ηχητικά κύματα έχουν και αυτή την ιδιότητα, γι' αυτό και ακούγονται στις γωνίες. Για παράδειγμα, εάν κάποιος παίζει ένα μουσικό όργανο στη γωνία, τα ηχητικά κύματα θα ταξιδέψουν έξω από το σημείο πηγής και θα εξαπλωθούν καθώς κινούνται, επιτρέποντάς τους να ακουστούν ακόμα κι αν τα ηχητικά κύματα δεν σας έρχονται σε ευθεία γραμμή. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται περίθλαση.
Μέτρηση ηχητικών κυμάτων
Όλα τα ηχητικά κύματα έχουν παρόμοιες ιδιότητες, ενεργώντας με τον ίδιο τρόπο. Ταξιδεύουν στο περιβάλλον κάνοντας μόρια και άτομα να δονούνται εμπρός και πίσω. Ωστόσο, τα ηχητικά κύματα είναι επίσης διαφορετικά, έχουν διαφορετικές φωνές και ρυθμούς, είναι δυνατά ή αθόρυβα. Τι εξηγεί τις διαφορές μεταξύ των ήχων όταν τα ηχητικά κύματα λειτουργούν με τον ίδιο ακριβώς τρόπο; Η ενέργεια που παράγουν τα ηχητικά κύματα όταν ένα αντικείμενο δονείται έχει ένα συγκεκριμένο σχέδιο, μικρό ή μεγάλο. Το πλάτος ή η ένταση του ήχου αναφέρεται στο πόσο δυνατός είναι ένας ήχος και οι μεγαλύτεροι, ισχυρότεροι ήχοι έχουν υψηλότερο πλάτος.
Ενώ το πλάτος είναι μια ιδιότητα των ηχητικών κυμάτων, μια άλλη ιδιότητα των ηχητικών κυμάτων είναι η συχνότητα ή το βήμα τους. Η συχνότητα ή το ύψος ενός ηχητικού κύματος αναφέρεται στον αριθμό των κυμάτων που δημιουργεί μια ηχητική πηγή σε περίπου ένα δευτερόλεπτο. Ένα βιολί είναι ένα όργανο υψηλότερου τόνου από ένα όργανο κοντραμπάσο, επομένως τα βιολιά παράγουν υψηλότερο ήχο/παράγουν περισσότερα κύματα δεύτερον από τα βασικά όργανα.
Γιατί λοιπόν ένα πιάνο και το βιολί μπορούν να παράγουν ηχητικά κύματα που έχουν ακριβώς την ίδια συχνότητα και πλάτος και παρόλα αυτά να ακούγονται διαφορετικά το ένα από το άλλο; Αυτό συμβαίνει γιατί τα κύματα που παράγουν δεν είναι πανομοιότυπα, ακόμα κι αν είναι παρόμοια σε συχνότητα και πλάτος. Κάθε δεδομένο όργανο θα κάνει πολλά διαφορετικά ηχητικά κύματα σε μια δεδομένη στιγμή. Υπάρχει το κύριο κύμα που έχει ένα συγκεκριμένο βήμα και πλάτος σε αυτό, και αυτό το κύριο κύμα αναφέρεται ως το θεμελιώδες. Πάνω από το θεμελιώδες, υπάρχουν κύματα που αναφέρονται ως υπέρηχοι και αρμονικές, τα οποία αποτελούνται από ήχους υψηλότερου τόνου με συχνότητα που είναι πολλές φορές υψηλότερη από τη θεμελιώδη συχνότητα.
Λόγω αυτών των όψεων των ηχητικών κυμάτων, κάθε όργανο έχει τον δικό του μοναδικό συνδυασμό αρμονικών και συχνοτήτων που αναφέρονται ως ηχόχρωμα. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και πολύ παρόμοια όργανα έχουν το δικό τους μοναδικό ηχητικό προφίλ. Το πλάτος των κυμάτων που παράγονται από ένα συγκεκριμένο όργανο μεταβάλλεται επίσης με μοναδικούς τρόπους κατά τη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου, οι υψηλότεροι θόρυβοι συχνά διαλύονται πιο γρήγορα και εξαφανίζονται από τους χαμηλότερους τόνους.
Η ταχύτητα του ήχου
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο ήχος μεταφέρει ενέργεια και κύματα, και επομένως η ταχύτητα του ήχου αναφέρεται στην ταχύτητα με την οποία κινούνται τα ηχητικά κύματα. Η ταχύτητα του ήχου είναι η ταχύτητα με την οποία η ηχητική ενέργεια κινείται μεταξύ δύο διαφορετικών σημείων. Η ταχύτητα του ήχου δεν είναι στην πραγματικότητα μια σταθερή ταχύτητα, αλλά διαφέρει σε διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Ο ήχος θα ταξιδεύει με διαφορετικές ταχύτητες μέσω αερίων, υγρών και στερεών, και ακόμη και η ταχύτητα που έχει μέσω ενός συγκεκριμένου τύπου υλικού μπορεί να αλλάξει. Ωστόσο, γενικά, η ταχύτητα του ήχου στο επίπεδο της θάλασσας είναι περίπου 1220 χλμ. την ώρα ή 760 μίλια την ώρα.
Η ταχύτητα του ήχου συσχετίζεται χονδρικά με την πυκνότητα του μέσου μέσα στο οποίο ταξιδεύει και ταξιδεύει πιο γρήγορα μέσω στερεών και υγρών υλικών από ό,τι στο αέριο. Ο ήχος ταξιδεύει περίπου 15 φορές γρηγορότερα μέσω ενός τμήματος χάλυβα από ό,τι μέσω του αέρα, και επίσης ταξιδεύει μέσα στο νερό περίπου τέσσερις φορές πιο γρήγορα από τον αέρα. Όσον αφορά το πώς ο ήχος ταξιδεύει μέσω των αερίων, η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται από τον τύπο του αερίου και άλλους παράγοντες όπως η θερμοκρασία. Η χημική σύνθεση του αερίου επηρεάζει την ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει ο ήχος, για παράδειγμα, ο ήχος ταξιδεύει περίπου τρεις φορές πιο γρήγορα στο αέριο ήλιο από ό,τι στον κανονικό αέρα που βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Ο ήχος ταξιδεύει επίσης γρηγορότερα στον θερμότερο αέρα που βρίσκεται κοντά στο έδαφος παρά στον ψυχρότερο αέρα που είναι ψηλότερα.
Ποιο είναι λοιπόν το ηχητικό φράγμα; Όταν λέγεται ότι ένα αεροπλάνο τζετ σπάει το φράγμα του ήχου, επιταχύνει σε ταχύτητα που μπορεί να κινηθεί ταχύτερα από τα υψηλής έντασης ηχητικά κύματα που προέρχονται από τις δικές του μηχανές. Καθώς τα ηχητικά κύματα συμπιέζονται μεταξύ τους, επικαλύπτονται και δημιουργούν ένα φράγμα που επεκτείνεται γρήγορα καθώς το αεροπλάνο διέρχεται μέσα από αυτά, δημιουργώντας μια ισχυρή, δυνατή ηχητική έκρηξη. Το γεγονός ότι οι πίδακες κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου είναι ο λόγος που τα μαχητικά αεροσκάφη μπορούν να πετάξουν κατά ένα ή δύο δευτερόλεπτα προτού ακουστούν οι κινητήρες τους.
Πώς λειτουργούν τα διαφορετικά μουσικά όργανα
Όταν πρόκειται για μουσική, διαφορετικά μουσικά όργανα παράγουν ήχο με διαφορετικούς τρόπους. Όργανα όπως ντραμς, πιάνα και ξυλόφωνα είναι γνωστά ως κρουστά. Αυτά τα κρουστά όργανα λειτουργούν με το χτύπημα ενός αντικειμένου με ένα σφυρί ή παρόμοιο εργαλείο, κάνοντας το αντικείμενο να δονείται. Η κεφαλή του τυμπάνου ή το σύρμα του πιάνου δονείται με τον δικό του μοναδικό τρόπο, δημιουργώντας τα ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν στον αέρα.
Εν τω μεταξύ, τα πνευστά και τα χάλκινα όργανα λειτουργούν κάνοντας μια στήλη αέρα να αντηχεί, προκαλώντας τον αέρα να δονείται εμπρός και πίσω. Οι βαλβίδες και οι οπές στο όργανο ελέγχουν την ένταση της κατοικίας, αλλάζοντας το βήμα του οργάνου.
Τα ηλεκτρικά ή συνθετικά όργανα λειτουργούν δημιουργώντας ηλεκτρικούς κραδασμούς. Τα κυκλώματα μέσα στο όργανο δημιουργούν διαφορετικές κυματομορφές που είτε μιμούνται τους ήχους των παραδοσιακών οργάνων είτε δημιουργούν νέους ήχους συνολικά.
