Geschwindigkeit der Schallausbreitung in Metall. Klang in unterschiedlichen Umgebungen – Wissens-Hypermarkt

Für die Schallausbreitung ist ein elastisches Medium erforderlich. Im Vakuum können sich Schallwellen nicht ausbreiten, da dort nichts vibrieren kann. Dies kann durch einfache Erfahrung bestätigt werden. Wenn Sie eine elektrische Glocke unter einer Glasglocke platzieren, wird der Klang der Glocke immer schwächer, bis er ganz verstummt, wenn die Luft unter der Glocke herausgepumpt wird.

Es ist bekannt, dass wir bei einem Gewitter einen Blitz sehen und erst nach einer Weile das Grollen des Donners hören. Diese Verzögerung entsteht, weil die Schallgeschwindigkeit in der Luft viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit eines Blitzes.

Die Schallgeschwindigkeit in Luft wurde erstmals 1636 vom französischen Wissenschaftler M. Mersenne gemessen. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt sie 343 m/s, also 1235 km/h. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit einer aus einem Kalaschnikow-Sturmgewehr abgefeuerten Kugel in einer Entfernung von 800 m auf diesen Wert abnimmt. Startgeschwindigkeit Geschosse erreichen eine Geschwindigkeit von 825 m/s, was die Schallgeschwindigkeit in der Luft deutlich übersteigt. Wer also das Geräusch eines Schusses oder das Pfeifen einer Kugel hört, muss sich keine Sorgen machen: Diese Kugel ist bereits an ihm vorbeigegangen. Die Kugel läuft schneller als der Schuss und erreicht ihr Opfer, bevor der Schall eintrifft.

Die Schallgeschwindigkeit in Gasen hängt von der Temperatur des Mediums ab: Mit steigender Lufttemperatur nimmt sie zu, mit sinkender Temperatur ab. Bei 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 332 m/s.

In verschiedenen Gasen breitet sich Schall mit aus mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Je größer die Masse der Gasmoleküle ist, desto geringer ist die Schallgeschwindigkeit darin. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff 1284 m/s, in Helium 965 m/s und in Sauerstoff 316 m/s.

Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten beträgt normalerweise mehr Geschwindigkeit Schall in Gasen. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser wurde erstmals 1826 von J. Colladon und J. Sturm gemessen. Ihre Experimente führten sie am Genfersee in der Schweiz durch. Auf einem Boot zündeten sie Schießpulver an und schlugen gleichzeitig auf eine ins Wasser gesenkte Glocke ein. Der Klang dieser ins Wasser gesenkten Glocke wurde von einem anderen Boot aufgenommen, das sich 14 km vom ersten entfernt befand. Anhand des Zeitintervalls zwischen dem Aufblitzen des Lichtsignals und dem Eintreffen des Tonsignals wurde die Schallgeschwindigkeit im Wasser bestimmt. Bei einer Temperatur von 8°C betrug sie 1440 m/s.

Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern größer als in Flüssigkeiten und Gasen. Wenn Sie Ihr Ohr an die Schiene halten, sind nach dem Auftreffen auf das andere Ende der Schiene zwei Geräusche zu hören. Einer von ihnen erreicht das Ohr per Bahn, der andere auf dem Luftweg.

Die Erde hat eine gute Schallleitfähigkeit. Daher wurden früher während einer Belagerung „Zuhörer“ in den Festungsmauern angebracht, die anhand des von der Erde übertragenen Geräusches feststellen konnten, ob sich der Feind in die Mauern grub oder nicht. Sie legten ihre Ohren auf den Boden und beobachteten auch die Annäherung feindlicher Kavallerie.

Feststoffe leiten Schall gut. Dadurch können Menschen, die ihr Gehör verloren haben, manchmal zu Musik tanzen, die die Hörnerven nicht über die Luft und das Außenohr, sondern über den Boden und die Knochen erreicht.

Die Schallgeschwindigkeit kann durch Kenntnis der Wellenlänge und Frequenz (oder Periode) der Schwingung bestimmt werden.

Klang begleitet einen Menschen sein ganzes Leben lang, aber nur wenige Menschen denken darüber nach, was er ist. Aus physikalischer Sicht kann Schall als die oszillierende Bewegung von Teilchen in einem elastischen Medium definiert werden, die von einer Quelle verursacht wird, kurz: elastische Wellen. Die Schallgeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften des Mediums ab, in dem er sich ausbreitet: In Gasen nimmt die Schallgeschwindigkeit mit steigender Temperatur und steigendem Druck zu, in Flüssigkeiten nimmt sie mit steigender Temperatur ab (Ausnahme ist Wasser, in dem die Schallgeschwindigkeit a erreicht). (maximal bei 74°C und beginnt erst bei steigender Temperatur abzunehmen). Für Luft sieht dieser Zusammenhang so aus:

C = 332 + 0,6 t c

wobei t c die Temperatur ist Umfeld, °C.

Tabelle 1. Schallgeschwindigkeit in Gasen bei einer Temperatur von 0 °C und einem Druck von 1 atm.

Tabelle 2. Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten bei einer Temperatur von 20 °C.

In Festkörpern wird die Schallgeschwindigkeit durch den Elastizitätsmodul des Stoffes und seine Dichte bestimmt, während sie sich in ungebundenen isotropen Festkörpern in Längs- und Querrichtung unterscheidet.

Tabelle 3. Schallgeschwindigkeit in einem Festkörper.

Die Tabellen zeigen deutlich, dass die Schallgeschwindigkeit in Gasen viel geringer ist als in Festkörpern, weshalb man in Abenteuerfilmen oft sieht, wie Menschen ihr Ohr auf den Boden legen, um das Vorhandensein einer Verfolgungsjagd festzustellen; bei der Eisenbahn, wenn das Geräusch eines ankommenden Zuges zweimal zu hören ist – beim ersten Mal wird es über die Schienen übertragen, beim zweiten Mal durch die Luft.

Verfahren oszillierende Bewegung Eine Schallwelle in einem elastischen Medium lässt sich am Beispiel der Schwingung eines Luftteilchens beschreiben:

Auf ein Luftteilchen, das aufgrund des Einflusses einer Schallquelle gezwungen wird, sich aus seiner Ausgangsposition zu bewegen, wird eingewirkt elastische Kräfte Luft, die versucht, es an seinen ursprünglichen Platz zurückzubringen, aber aufgrund der Einwirkung von Trägheitskräften stoppt das Teilchen bei der Rückkehr nicht, sondern beginnt sich von der Ausgangsposition in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, wo wiederum Es wirken auch elastische Kräfte auf ihn ein und der Vorgang wiederholt sich.

Abbildung 1. Der Prozess der Luftpartikelvibration

In der Abbildung (Abbildung Nr. 2) werden Luftmoleküle bildlich durch kleine Punkte dargestellt (in einem Kubikmeter Luft gibt es mehr als eine Million davon). Der Druck im Kompressionsbereich ist etwas höher als der Atmosphärendruck, im Verdünnungsbereich hingegen liegt er unter dem Atmosphärendruck. Die Richtung der kleinen Pfeile zeigt, dass sich Moleküle im Durchschnitt von einem Bereich mit hohem Druck nach rechts und von einem Bereich mit niedrigem Druck nach links bewegen. Jedes der dargestellten Moleküle legt relativ zu seiner ursprünglichen Position zunächst eine bestimmte Strecke nach rechts und dann die gleiche Strecke nach links zurück, während sich die Schallwelle gleichmäßig nach rechts bewegt.

Abbildung 2. Schallwellenbewegung

Es ist logisch, die Frage zu stellen: Warum bewegt sich die Schallwelle nach rechts? Die Antwort kann durch sorgfältiges Untersuchen der Pfeile in der vorherigen Abbildung gefunden werden: An der Stelle, an der die Pfeile miteinander kollidieren, entsteht eine neue Ansammlung von Molekülen, die sich wie wir auf der rechten Seite des ursprünglichen Kompressionsbereichs befinden wird Bewegen Sie sich vom Kollisionspunkt der Pfeile weg, die Dichte der Moleküle nimmt ab und es entsteht ein neuer Bereich der Verdünnung, daher die allmähliche Bewegung des Bereichs hoher und hoher Konzentration niedriger Druck bewirkt, dass sich die Schallwelle nach rechts bewegt.

Abbildung 3. Der Prozess der Bewegung einer Schallwelle

Wellenbewegungen dieser Art nennt man harmonische oder sinusförmige Schwingungen, die wie folgt beschrieben werden:

x(t) = Asin(wt + φ)

Eine einfache harmonische oder sinusförmige Welle ist in der Abbildung dargestellt (Abbildung Nr. 4):

Abbildung 4. Sinuswelle

Die Wellenlänge hängt von der Frequenz und Geschwindigkeit des Schalls ab:

Wellenlänge (m) = Wellengeschwindigkeit (m/s) / Frequenz (Hz)

Dementsprechend wird die Häufigkeit wie folgt bestimmt:

Frequenz (Hz) = Wellengeschwindigkeit (m/s) / Wellenlänge (m)

Aus diesen Gleichungen geht hervor, dass mit zunehmender Frequenz die Wellenlänge abnimmt.

Tabelle 4. Wellenlänge in Abhängigkeit von der Schallfrequenz (bei Lufttemperatur 20 °C)

Die Schallintensität nimmt mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle ab. Wenn eine Schallwelle auf ihrem Weg auf keine Hindernisse trifft, breitet sich der Schall von der Quelle in alle Richtungen aus. Die Abbildung (Abbildung Nr. 5) zeigt die Art der Änderung der Schallintensität – die Schallintensität bleibt konstant, aber der Einflussbereich vergrößert sich, weshalb die Schallintensität an einem bestimmten Punkt abnimmt.

Abbildung 5. Schallwellenausbreitungsprozess

Abhängig von der Art der Schallquelle gibt es verschiedene Arten von Schallwellen: flache, kugelförmige und zylindrische.

Abbildung 6. Arten von Schallquellen und schematische Darstellung der Wellenfront
a - verlängerte Platte; b - Punktquelle; c - lineare Quelle.

Bei der Ausbreitung ändern ebene Wellen ihre Form und Amplitude nicht, sphärische Wellen ändern ihre Form nicht (die Amplitude nimmt um 1/r ab) und zylindrische Wellen ändern sowohl Form als auch Amplitude (sie nimmt um 1/r ab).

Einführung.

Konzept Klang Wir verbinden es normalerweise mit dem Hören und damit mit physiologischen Prozessen in den Ohren sowie mit psychologischen Prozessen in unserem Gehirn (wo Empfindungen, die in die Hörorgane gelangen, verarbeitet werden). Darüber hinaus unter Klang Wir verstehen das physikalische Phänomen, das eine Wirkung auf unsere Ohren hervorruft, nämlich Longitudinalwellen. Wenn solche elastischen Wellen, die sich in der Luft ausbreiten, eine Frequenz im Bereich von haben 16 Vor 20000 Hz, dann lösen sie beim Erreichen des menschlichen Ohrs eine Empfindung aus Klang. Dementsprechend werden elastische Wellen in jedem Medium genannt, deren Frequenz innerhalb der angegebenen Grenzen liegt Schallwellen oder einfach Klang. Als elastische Wellen werden Frequenzen kleiner 16 Hz bezeichnet Infrasound; Als Wellen werden Wellen mit Frequenzen über 20.000 Hz bezeichnet Ultraschall. Das menschliche Ohr kann Infra- und Ultraschall nicht hören.

Für den Zuhörer fallen sofort zwei Charakteristika eines Klangs ins Auge: seine Lautstärke und seine Tonhöhe. Volumen hängt mit der Intensität der Schallwelle zusammen, die proportional zum Quadrat der Wellenamplitude ist. Höhe Der Klang gibt an, ob er hoch ist, wie bei einer Geige oder einem Cello, oder tief, wie der Klang einer Bassdrum oder einer Basssaite. Die physikalische Größe, die die Tonhöhe charakterisiert, ist die Schwingungsfrequenz der Schallwelle, die erstmals von Galileo entdeckt wurde. Je niedriger die Frequenz, desto tiefer die Tonhöhe, und je höher die Frequenz, desto höher der Ton.

Eine der wichtigen Eigenschaften des Klangs ist seine Geschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen durch ein Medium ausbreiten. In Gasen ist die Schallgeschwindigkeit geringer als in Flüssigkeiten, und in Flüssigkeiten ist sie geringer als in Festkörpern (und bei Transversalwellen ist die Geschwindigkeit immer geringer als bei Longitudinalwellen). Die Schallgeschwindigkeit beträgt in Gasen und Dämpfen 150 bis 1000 m/s, in Flüssigkeiten 750 bis 2000 m/s, in Feststoffen 2000 bis 6500 m/s. In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit unter normalen Bedingungen 330 m/s, in Wasser 1500 m/s.

In der Zusammenfassung wird auch der Effekt erörtert, auf dessen Existenz 1842 hingewiesen wurde CHRISTIAN DOPPLER (Doppler) (Doppler) (1803–53), österreichischer Physiker und Astronom. Dieser Effekt wurde später nach ihm benannt.

1. Die Geschwindigkeit von Schallwellen in verschiedenen Medien.

Normalerweise stellen wir uns Schall als Bewegung durch die Luft vor, da es normalerweise die Luft ist, die mit unserem Trommelfell in Kontakt kommt, und ihre Vibrationen diese Trommelfelle zum Vibrieren bringen. Schallwellen können sich aber auch in anderen Stoffen ausbreiten. Ein Schwimmer kann das Geräusch zweier aufeinander schlagender Steine unter Wasser hören, da die Vibrationen vom Wasser auf das Ohr übertragen werden. Wenn Sie Ihr Ohr auf den Boden legen, können Sie die Annäherung eines Zuges oder Traktors hören. In diesem Fall wirkt die Erde nicht direkt auf Ihr Trommelfell ein. Eine sich im Boden ausbreitende Longitudinalwelle wird jedoch Schallwelle genannt, da ihre Schwingungen die Luft im Außenohr in Schwingungen versetzen. Tatsächlich werden Longitudinalwellen, die sich in jedem materiellen Medium ausbreiten, oft als Schallwellen bezeichnet. Offensichtlich kann sich Schall ohne Materie nicht ausbreiten. Beispielsweise ist es unmöglich, das Läuten einer Glocke zu hören, die sich in einem Gefäß befindet, aus dem Luft abgepumpt wurde [Robert Boyles Experiment (1660)].

Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Substanzen vorhanden ist unterschiedliche Bedeutungen. In Luft mit einer Temperatur von 0 °C und einem Druck von 1 atm breitet sich Schall mit einer Geschwindigkeit von 331,3 m/s aus. In Luft und anderen gasförmigen und flüssigen Medien hängt die Geschwindigkeit vom Kompressionsmodul ab B und Dichte des Mediums (Stoffes) R:

Bei Helium, dessen Dichte deutlich geringer ist als die von Luft und dessen Kompressionsmodul nahezu gleich ist, ist die Schallgeschwindigkeit fast dreimal so hoch. In Flüssigkeiten und Feststoffen, die deutlich weniger komprimierbar sind und daher deutlich größere Elastizitätsmoduli haben, ist die Geschwindigkeit entsprechend größer. Die Werte der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen sind in den Tabellen 1.1, 1.2, 1.3 angegeben; Sie hängen am stärksten von der Temperatur ab (siehe Tabellen 1.4, 1.5), diese Abhängigkeit ist jedoch nur für Gase und Flüssigkeiten von Bedeutung. Beispielsweise erhöht sich in Luft bei einem Temperaturanstieg um 1 °C die Schallgeschwindigkeit um etwa 0,60 m/s:

u"(331+0,60T) m/s,

wobei T die Temperatur in o C ist. Bei 20 o C haben wir beispielsweise:

u" m/s = 343 m/s.

2. Doppler-Effekt in der Akustik.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass die Tonhöhe der Sirene eines Feuerwehrautos, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, stark abnimmt, nachdem das Fahrzeug an Ihnen vorbeigefahren ist. Möglicherweise haben Sie auch eine Änderung der Tonhöhe des Signals eines mit hoher Geschwindigkeit an Ihnen vorbeifahrenden Autos bemerkt. Auch die Tonhöhe des Motors eines Rennwagens ändert sich, wenn er an einem Beobachter vorbeifährt. Nähert sich eine Schallquelle dem Betrachter, erhöht sich die Tonhöhe im Vergleich zum Ruhezustand der Schallquelle. Entfernt sich die Schallquelle vom Betrachter, nimmt die Tonhöhe ab. Dieses Phänomen nennt man Doppler-Effekt und tritt bei allen Wellenarten auf. Betrachten wir nun die Gründe für sein Auftreten und berechnen wir die Änderung der Frequenz von Schallwellen aufgrund dieses Effekts.

Doppler-Effekt: a – beide Beobachter auf dem Gehweg hören das Geräusch der Sirene eines stehenden Feuerwehrautos mit der gleichen Frequenz; b - Ein Beobachter, auf den sich ein Feuerwehrauto nähert, hört ein Geräusch mit einer höheren Frequenz, und ein Beobachter, von dem sich das Feuerwehrauto entfernt, hört ein Geräusch mit einer niedrigeren Frequenz.

Betrachten wir für konkrete Zwecke ein Feuerwehrauto, dessen Sirene bei stehendem Fahrzeug einen Ton einer bestimmten Frequenz in alle Richtungen abgibt, wie in Abb. 2.1,a. Lassen Sie nun das Feuerwehrauto losfahren und die Sirene sendet weiterhin Schallwellen mit der gleichen Frequenz aus. Während der Fahrt werden jedoch die von der Sirene nach vorne abgestrahlten Schallwellen geortet engerer Freund zueinander als in dem Fall, in dem sich das Auto nicht bewegte, wie in Abb. 2.1, geb. Dies geschieht, weil das Feuerwehrauto während seiner Fahrt die zuvor ausgesendeten Wellen „einholt“. So wird es einem Beobachter am Straßenrand auffallen größere Zahl Wellenberge, die pro Zeiteinheit an ihm vorbeiziehen, und daher wird die Schallfrequenz für ihn höher sein. Andererseits werden die Wellen, die sich hinter dem Auto ausbreiten, weiter voneinander entfernt sein, da das Auto sich scheinbar von ihnen „löst“. Folglich passieren pro Zeiteinheit weniger Wellenberge den Beobachter hinter dem Auto und die Tonhöhe wird niedriger.

Reis. 2.2.

Um die Frequenzänderung zu berechnen, verwenden wir Abb. 2.2. Wir gehen davon aus, dass in unserem Bezugssystem die Luft (oder ein anderes Medium) ruht. In Abb. 2.2 Die Schallquelle (z. B. eine Sirene) ruht. Dargestellt sind aufeinanderfolgende Wellenkämme, von denen einer gerade von der Schallquelle emittiert wurde. Der Abstand zwischen diesen Spitzen ist gleich der Wellenlänge l. Wenn die Schwingungsfrequenz der Schallquelle gleich ¦ ist, dann ist die Zeit, die zwischen der Emission von Wellenbergen vergeht, gleich

T= 1/¦.

In Abb. 2.3 Schallquelle bewegt sich mit Geschwindigkeit u ist. Während der Zeit T (die gerade bestimmt wurde) wird der erste Wellenkamm die Strecke zurücklegen d =uT, Wo u- die Geschwindigkeit der Schallwelle in der Luft (die natürlich unabhängig davon, ob sich die Quelle bewegt oder nicht, gleich ist). Gleichzeitig bewegt sich die Schallquelle eine Strecke D ist = u ist T. Dann ist der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenbergen gleich der neuen Wellenlänge l`, wird in das Formular geschrieben

l` = D + D ist = ( u+u ist) T= (u+u ist)/¦,

weil das T= 1/¦. Die Frequenz ¦` der Welle wird durch den Ausdruck angegeben

¦`= u/l` = u¦/ ( u+u ist),

¦` = ¦/(1 +u ist /u) [die Schallquelle entfernt sich vom ruhenden Beobachter].

Da der Nenner des Bruchs größer als eins ist, gilt ¦`<¦. 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 Hz / 1 + (30 m/s)/(331 m/s) = 366,64 Hz.

Neue Wellenlänge für eine Quelle, die sich dem Beobachter mit hoher Geschwindigkeit nähert u ist, wird gleich sein

l` = D - D ist.

In diesem Fall ist die Häufigkeit ¦` durch den Ausdruck gegeben

¦` = ¦/(1 -u ist /u) [die Schallquelle nähert sich dem ruhenden Beobachter].

Der Doppler-Effekt tritt auch auf, wenn die Schallquelle ruht (relativ zum Medium, in dem sich die Schallwellen ausbreiten) und der Beobachter sich bewegt. Wenn sich ein Beobachter einer Schallquelle nähert, hört er einen Ton, dessen Tonhöhe höher ist als der, den die Quelle aussendet. Entfernt sich der Beobachter von der Quelle, so erscheint ihm der Schall leiser. Quantitativ unterscheidet sich die Frequenzänderung hier kaum von dem Fall, wenn sich die Quelle bewegt und der Beobachter ruht. In diesem Fall ist der Abstand zwischen den Wellenbergen (Wellenlänge). l) ändert sich nicht, aber die Bewegungsgeschwindigkeit der Grate relativ zum Beobachter ändert sich. Wenn sich der Beobachter der Schallquelle nähert, ist die Geschwindigkeit der Wellen relativ zum Beobachter gleich u` = u + u obs, wo u ist die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in Luft (wir gehen davon aus, dass die Luft ruht) und u obs – Beobachtergeschwindigkeit. Daher wird die neue Frequenz gleich sein

¦`= u` /l = (u + u obs)/ l,

oder weil l= u /¦,

¦` = (1 +u obs /u) ¦ [Der Beobachter nähert sich einer stationären Schallquelle].

Wenn sich der Beobachter von der Schallquelle entfernt, ist die Relativgeschwindigkeit gleich u` = u - u beobachtbar,

¦` = (1 -u obs /u) ¦ [der Beobachter entfernt sich von der stationären Schallquelle].

Wenn eine Schallwelle von einem sich bewegenden Hindernis reflektiert wird, unterscheidet sich die Frequenz der reflektierten Welle aufgrund des Doppler-Effekts von der Frequenz der einfallenden Welle, d. h. es kommt zu einer sogenannten Doppler-Frequenzverschiebung. Überlagern sich die einfallenden und reflektierten Schallwellen, kommt es zu einer Überlagerung, die zu Schwebungen führt. Die Schwebungsfrequenz ist gleich der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Wellen. Diese Ausprägung des Doppler-Effekts wird häufig in verschiedenen medizinischen Geräten eingesetzt, die üblicherweise Ultraschallwellen im Megahertz-Frequenzbereich verwenden. Beispielsweise können Ultraschallwellen, die von roten Blutkörperchen reflektiert werden, verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Blutflusses zu bestimmen. Ebenso kann diese Methode zur Erkennung der Bewegung der Brust des Fötus sowie zur Fernüberwachung des Herzschlags verwendet werden. Es ist zu beachten, dass der Doppler-Effekt auch die Grundlage der Radarerkennungsmethode für Fahrzeuge ist, die die vorgeschriebene Geschwindigkeit überschreiten. In diesem Fall werden jedoch elektromagnetische (Radio-)Wellen anstelle von Schallwellen verwendet.

Die Genauigkeit der Beziehungen (2.1) und (2.2) nimmt ab, wenn u ist oder u Beobachtungen nähern sich der Schallgeschwindigkeit. Dies liegt daran, dass die Verschiebung der Partikel des Mediums nicht mehr proportional zur Rückstellkraft ist, d. h. Es wird zu Abweichungen vom Hookeschen Gesetz kommen, so dass die meisten unserer theoretischen Überlegungen an Kraft verlieren.

Abschluss.

Klang breitet sich in Form einer Longitudinalwelle in Luft und anderen Medien aus. Die Schallgeschwindigkeit in der Luft nimmt mit steigender Temperatur zu; bei 0 °C beträgt sie etwa 331 m/s.

Doppler-Effekt ist, dass die Bewegung einer Schallquelle oder eines Zuhörers eine Änderung der Tonhöhe verursacht. Charakteristisch für alle Wellen (Licht, Ton usw.). Wenn sich die Quelle dem Empfänger nähert l nimmt ab und nimmt mit der Entfernung um einen Betrag zu l - lÖ = nlÖ /C, Wo l o - Wellenlänge der Quelle, C- Geschwindigkeit der Wellenausbreitung, N- relative Geschwindigkeit der Quelle. Mit anderen Worten: Nähern sich Schallquelle und Zuhörer, erhöht sich die Tonhöhe; Wenn sie sich voneinander entfernen, verringert sich die Tonhöhe.

Referenzliste.

1. Große Enzyklopädie von Cyril und Methodius 2001 (2 CD-ROM).

2. Giancoli D. Physik: In 2 Bänden T. 1: Trans. aus dem Englischen - M.: Mir, 1989. – 656 S., mit Abb.

3. Enochovich A. S. Ein kurzes Nachschlagewerk zur Physik. – 2. Aufl., überarbeitet und ergänzt. – M.: Higher School, 1976. – 288 S., mit Abb.

4. Savelyev I.V. Kurs der allgemeinen Physik: Lehrbuch. Zuschuss. In 3 Bänden. T. 2. Elektrizität und Magnetismus. Wellen. Optik. – 3. Aufl., rev. – M.: Wissenschaft. CH. Hrsg. Physik und Mathematik lit., 1988. – 496 S., mit Abb.

AnwendungA.

AnwendungB.

Tische.

Notiz. Der Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit gibt an, um wie viele Meter pro Sekunde die Schallgeschwindigkeit in einem Stoff zunimmt, wenn seine Temperatur um 1 °C steigt. Das Minuszeichen zeigt an, dass diese Flüssigkeit einen negativen Temperaturkoeffizienten der Geschwindigkeit hat. Das bedeutet, dass mit zunehmender Temperatur die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit abnimmt. Die Ausnahme bildet Wasser; wenn die Temperatur von 0 auf 74 °C steigt, erhöht sich die Schallgeschwindigkeit darin. Die höchste Schallgeschwindigkeit im Wasser beträgt bei 74 °C 1555,5 m/s.

>>Physik: Ton in verschiedene Umgebungen

Für die Schallausbreitung ist ein elastisches Medium erforderlich. Im Vakuum können sich Schallwellen nicht ausbreiten, da dort nichts vibrieren kann. Dies kann durch einfache Erfahrung bestätigt werden. Wenn wir eine elektrische Glocke unter eine Glasglocke stellen, werden wir beim Herauspumpen der Luft unter der Glocke feststellen, dass der Klang der Glocke immer schwächer wird, bis er ganz aufhört.

Schall in Gasen. Es ist bekannt, dass wir bei einem Gewitter zunächst einen Blitz sehen und erst nach einiger Zeit das Donnergrollen hören (Abb. 52). Diese Verzögerung entsteht, weil die Schallgeschwindigkeit in der Luft viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit eines Blitzes.

Die Schallgeschwindigkeit in Luft wurde erstmals 1636 vom französischen Wissenschaftler M. Mersenne gemessen. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt sie 343 m/s, also 1235 km/h. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit einer aus einem Kalaschnikow-Maschinengewehr (PK) abgefeuerten Kugel auf diesen Wert in einer Entfernung von 800 m abnimmt. Die Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses beträgt 825 m/s und liegt damit deutlich über der Schallgeschwindigkeit in Luft. Wer also das Geräusch eines Schusses oder das Pfeifen einer Kugel hört, muss sich keine Sorgen machen: Diese Kugel ist bereits an ihm vorbeigegangen. Die Kugel läuft schneller als der Schuss und erreicht ihr Opfer, bevor der Ton eintrifft.

Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur des Mediums ab: Mit steigender Lufttemperatur steigt sie, mit sinkender Lufttemperatur nimmt sie ab. Bei 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 331 m/s.

Schall breitet sich in verschiedenen Gasen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Je größer die Masse der Gasmoleküle ist, desto geringer ist die Schallgeschwindigkeit darin. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff 1284 m/s, in Helium 965 m/s und in Sauerstoff 316 m/s.

Schall in Flüssigkeiten. Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten ist normalerweise größer als die Schallgeschwindigkeit in Gasen. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser wurde erstmals 1826 von J. Colladon und J. Sturm gemessen. Ihre Experimente führten sie am Genfersee in der Schweiz durch (Abb. 53). Auf einem Boot zündeten sie Schießpulver an und schlugen gleichzeitig auf eine ins Wasser gesenkte Glocke ein. Der Klang dieser Glocke wurde mithilfe eines speziellen Horns, das ebenfalls ins Wasser gesenkt wurde, auf einem anderen Boot eingefangen, das sich 14 km vom ersten entfernt befand. Anhand des Zeitintervalls zwischen dem Lichtblitz und dem Eintreffen des Schallsignals wurde die Schallgeschwindigkeit im Wasser bestimmt. Bei einer Temperatur von 8 °C betrug sie etwa 1440 m/s.

An der Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Medien wird ein Teil der Schallwelle reflektiert, ein Teil breitet sich weiter aus. Wenn Schall von der Luft ins Wasser gelangt, werden 99,9 % der Schallenergie zurückreflektiert, aber der Druck der ins Wasser übertragenen Schallwelle ist fast doppelt so groß. Das Gehörsystem der Fische reagiert genau darauf. Daher sind beispielsweise Schreie und Geräusche über der Wasseroberfläche zu hören der richtige Weg davon jagen Meeresbewohner. Eine Person, die sich unter Wasser befindet, wird von diesen Schreien nicht betäubt: Beim Eintauchen ins Wasser bleiben Luftstöpsel in ihren Ohren, die sie vor Schallüberlastung bewahren.

Beim Übergang von Schall vom Wasser in die Luft werden 99,9 % der Energie wieder reflektiert. Wenn jedoch beim Übergang von Luft zu Wasser der Schalldruck zunahm, nimmt er jetzt im Gegenteil stark ab. Aus diesem Grund erreicht beispielsweise das Geräusch, das unter Wasser entsteht, wenn ein Stein auf einen anderen trifft, einen Menschen in der Luft nicht.

Dieses Schallverhalten an der Grenze zwischen Wasser und Luft gab unseren Vorfahren die Grundlage, die Unterwasserwelt als „Welt der Stille“ zu betrachten. Daher der Ausdruck: „Stumm wie ein Fisch.“ Leonardo da Vinci schlug jedoch auch vor, Unterwassergeräusche zu hören, indem man sein Ohr an ein ins Wasser gesenktes Ruder legte. Mit dieser Methode können Sie sicherstellen, dass die Fische tatsächlich recht gesprächig sind.

Klang in Festkörpern. Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern größer als in Flüssigkeiten und Gasen. Wenn Sie Ihr Ohr an die Schiene halten, hören Sie nach dem Auftreffen auf das andere Ende der Schiene zwei Geräusche. Einer davon erreicht Ihr Ohr per Bahn, der andere per Flugzeug.

Feststoffe leiten Schall gut. Dadurch können Menschen, die ihr Gehör verloren haben, manchmal zu Musik tanzen, die ihre Hörnerven nicht über die Luft und das Außenohr, sondern über den Boden und die Knochen erreicht.

1. Warum sehen wir bei einem Gewitter zuerst einen Blitz und hören dann erst den Donner? 2. Wovon hängt die Schallgeschwindigkeit in Gasen ab? 3. Warum hört eine Person, die am Flussufer steht, keine Geräusche, die unter Wasser entstehen? 4. Warum waren die „Hörer“, die in der Antike die Ausgrabungsarbeiten des Feindes überwachten, oft Blinde?

Experimentelle Aufgabe . Legen Sie ein Brett (oder ein langes Holzlineal) an ein Ende Armbanduhr, legen Sie Ihr Ohr an das andere Ende. Was hörst du? Erklären Sie das Phänomen.

S.V. Gromov, N.A. Rodina, Physik 8. Klasse

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Schallgeschwindigkeit- Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Umwelt. Bestimmt durch die Elastizität und Dichte des Mediums. Zum Laufen, ohne die Form mit der Geschwindigkeit zu verändern Mit in Richtung der Achse X, Schalldruck R kann im Formular dargestellt werden p = p(x - - ct), Wo T- Zeit. Für ebene Harmonie Wellen in einem Medium ohne Dispersion und SZ. ausgedrückt in der Häufigkeit w und k Floy c = w/k. Mit Geschwindigkeit Mit die harmonische Phase breitet sich aus. Wellen, also Mit angerufen auch Phase S. z. In Medien, in denen sich die Form einer beliebigen Welle während der Ausbreitung ändert, harmonisch. Die Wellen behalten zwar ihre Form, aber die Phasengeschwindigkeit ist für verschiedene Frequenzen unterschiedlich, d. h. Schallausbreitung.In diesen Fällen wird das Konzept auch verwendet Gruppengeschwindigkeit. Bei großen Amplituden der elastischen Welle treten nichtlineare Effekte auf (vgl. Nichtlineare Akustik), was zu einer Änderung aller Wellen führt, auch der harmonischen: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit jedes Punktes des Wellenprofils hängt vom Druck an diesem Punkt ab und nimmt mit zunehmendem Druck zu, was zu einer Verzerrung der Wellenform führt.

Schallgeschwindigkeit in Gasen und Flüssigkeiten. In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Schall in Form volumetrischer Kompressions-Entladungswellen aus. Wenn der Ausbreitungsprozess adiabatisch erfolgt (was in der Regel der Fall ist), hat die Temperaturänderung in der Schallwelle auch danach keine Zeit, sich einzupendeln 1 / 2 , Zeitraum, in dem die Wärme aus den erhitzten (komprimierten) Bereichen keine Zeit hat, in die kalten (verdünnten) Bereiche zu gelangen, dann S. z. gleich , Wo R ist der Druck in der Substanz, ist ihre Dichte und der Index S zeigt, dass die Ableitung bei konstanter Entropie erfolgt. Dieses S. z. angerufen adiabatisch. Ausdruck für S. z. kann auch in einer der folgenden Formen geschrieben werden:

Wo ZU Hölle - adiabatisch. Modul der allseitigen Kompression von Materie, - adiabatisch. Kompressibilität, - isotherm Kompressibilität, = - das Verhältnis der Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und Volumen.

In gebundenen Festkörpern gibt es neben Longitudinal- und Transversalwellen noch weitere Wellentypen. Sie breiten sich also entlang der freien Oberfläche eines Festkörpers oder entlang seiner Grenze zu einem anderen Medium aus akustische Oberflächenwellen, deren Geschwindigkeit geringer ist als die Geschwindigkeit der für ein bestimmtes Material charakteristischen Körperwellen. Für Platten, Stäbe und andere massive Akustikmaterialien. Wellenleiter sind charakteristisch normale Wellen Die Geschwindigkeit wird nicht nur von den Eigenschaften des Stoffes, sondern auch von der Geometrie des Körpers bestimmt. So zum Beispiel S. z. für eine Longitudinalwelle in einem Stab mit einem ST, dessen Querabmessungen viel kleiner als die Wellenlänge des Schalls sind, unterscheidet sich vom S. z. in einer uneingeschränkten Umgebung mit l(Tisch 3):

Methoden zur Messung von S.z. kann in resonante, interferometrische, gepulste und optische unterteilt werden (siehe. Lichtbeugung durch Ultraschall).Naib. Die Messgenauigkeit wird durch Pulsphasenverfahren erreicht. Optisch Methoden ermöglichen die Messung von S. z. bei Hyperschallfrequenzen (bis zu 10 11 -10 12 Hz). Genauigkeit abs. Messungen S. z. auf bester Ausrüstung ca. 10 -3 %, wobei die Genauigkeit relativ ist. Messungen in der Größenordnung von 10 -5 % (zum Beispiel bei der Untersuchung der Abhängigkeit Mit auf Temperatur oder magnetisch Felder oder die Konzentration von Verunreinigungen oder Defekten).

Messungen von S. z. werden zur Definition von Pluralformen verwendet. Eigenschaften der Materie, wie das Verhältnis der Wärmekapazitäten für Gase, die Kompressibilität von Gasen und Flüssigkeiten, die Elastizitätsmodule von Festkörpern, die Debye-Temperatur usw. (siehe. Molekulare Akustik). Bestimmung kleiner Veränderungen in S. z. ist empfindlich. Methode zur Fixierung von Verunreinigungen in Gasen und Flüssigkeiten. In Feststoffen ist die Messung von S. z. und seine Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren (Temperatur, Magnetfelder usw.) ermöglichen die Untersuchung der Struktur der Materie: die Bandstruktur von Halbleitern, die Struktur der Fermi-Oberfläche in Metallen usw.

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