Skaņa: definīcija, īpašības un skaņas viļņu skaidrojums
Skaņa var nozīmēt arī ūdenstilpi, piemēram, līci vai kanālu.
Skaņas vilni varam definēt kā traucējumu, kas pārvietojas kādā vidē. Skaņa ir termins, ar ko apzīmē to, kas tiek dzirdēts, kad skaņas viļņi caur kādu vidi nonāk ausī. Visas skaņas rodas, vibrējot molekulām, caur kurām skaņa pārvietojas. Piemēram, sitot pa bungām vai cimbolam, objekts vibrē. Šīs vibrācijas liek gaisa molekulām kustēties. Skaņas viļņi virzās prom no skaņas avota (no kurienes tie nāk), pārvietojoties pa gaisa molekulām. Kad vibrējošās gaisa molekulas sasniedz mūsu ausis, vibrē arī bungādiņa. Auss kauliņi vibrē tāpat kā objekts, no kura sākās skaņas vilnis.
Šīs vibrācijas ļauj dzirdēt dažādas skaņas. Pat mūzika ir vibrācijas. Neregulāras vibrācijas ir troksnis. Cilvēki var radīt ļoti sarežģītas skaņas. Mēs tās izmantojam runai.
Skaņas viļņi ir garenviļņi, kas sastāv no divām daļām: kompresijas un retināšanas. Kompresija ir skaņas viļņu daļa, kurā gaisa molekulas tiek spiestas (saspiestas) kopā. Reterefakcija ir viļņu daļa, kurā molekulas atrodas tālu viena no otras. Skaņas viļņi ir saspiešanas un retināšanas secība.
Paplašināts skaidrojums un galvenās īpašības
Definīcija: Skaņa ir mehānisks vilnis, kas pārvietojas caur vielu (gaisu, ūdeni, cietvielām) un kas var tikt uztverts dzirdiens vai izmērīts ar instrumentiem. Skaņas vilnim nepieciešama vidė, tas neizplatās vakuumā.
Galvenās fiziskās īpašības:
- Frekvence (f) — cik daudz svārstību notiek sekundē, mēra hercos (Hz). Frekvence nosaka toni: zemas frekvences = zemāks tonis, augstas frekvences = augstāks tonis. Cilvēka dzirdes diapazons parasti ir aptuveni 20 Hz – 20 kHz.
- Viļņa garums (λ) — attālums, ko viļņš pārvietojas viena perioda laikā; saistīts ar frekvenci un ātrumu: λ = c / f.
- Ātrums (c) — skaņas izplatīšanās ātrums vidē. Gaisā pie 20 °C apmēram 343 m/s, ūdenī apmēram 1480 m/s, cietvielās (piem., tērauds) ātrums var būt vairāku tūkstošu m/s.
- Amplitūda — svārstību maksimālais lielums; saistīta ar skaņas skaļumu. Lielāka amplitūda = skaļāka skaņa.
- Skaņas intensitāte un līmenis decibelos (dB) — intensitāte I mēra W/m²; skaņas līmenis L = 10·log10(I/I0) (I0 = 10⁻¹² W/m²). Skaņas spiediena līmenis izmantojot spiedienu p: SPL = 20·log10(p/p0) ar p0 = 20 μPa.
- Fāze un periods (T) — periods ir laiks vienai svārstībai (T = 1/f); fāze raksturo attiecīgo viļņu relatīvo pozīciju.
Skaņas viļņu veidi
- Garenviļņi (longitudinālie) — daļiņu svārstības notiek paralēli viļņa izplatīšanās virzienam. Šie ir visbiežākie gāzēs un šķidrumos.
- Sānu (šķērsviļņi) — daļiņu svārstības ir perpendikulāras viļņa virzienam; tie var pastāvēt cietvielās (piem., sānvilnis tēraudā).
- Svešķermeņu viļņi un virsmas viļņi — pastāv specializētas vilņu formas, kas svarīgas inženierijā un seismoloģijā.
Skaņas izplatīšanās procesi
- Atstarošana — skaņa atlec no virsmas līdzīgi kā gaisma.
- Lūzums (refraction) — ja skaņa pāriet no vienas vides citā (piem., no siltāka gaisa slāņa uz vēsāku), mainās tās ātrums un virziens.
- Difrakcija — viļņi apiet šķēršļus un noplūst aiz tiem, kas ļauj dzirdēt skaņu, kas nāk no aiz stūra.
- Absorbcija — enerģija tiek pārveidota siltumā vai citā formā, samazinot skaņas līmeni; svarīgi akustiskajā izolācijā.
- Pārnešana un impendances saskare — akustiskā impedanse Z = ρc nosaka, cik daudz skaņas tiek pārraidīts vai atstarots, pārejot starp vidēm.
Fiziskas formulas un piemēri
- Saistība starp viļņa garumu, frekvenci un ātrumu: c = λ·f.
- Skaņas ātrums vidē var tikt aprakstīts ar materiāla īpašībām, piemēram, šķidrumos un gāzēs c = sqrt(B/ρ), kur B ir šķidruma blīvumpārvērtības modulis (bulk modulus) un ρ — blīvums.
- Skaņas līmenis decibelos: L = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m².
Cilvēka dzirde un drošība
- Cilvēks parasti dzird frekvenču no ~20 Hz līdz ~20 kHz; ar vecumu augstās frekvences jutīgums samazinās.
- Ilgstoša iedarbība pie augsta skaņas līmeņa var bojāt dzirdi. Par sāpju slieksni bieži min ~120–130 dB; ilgstoša iedarbība virs ~85 dB var radīt dzirdes bojājumus.
- Praktiskie piemēri: runa parasti aptver 100–4000 Hz, mūzika var ietvert plašāku spektru; troksnis ir neregulāra skaņa, kas bieži lietota, lai aprakstītu nevēlamu skaņu.
Praktiskā nozīme un pielietojumi
Skaņa ir būtiska komunikācijai (runā, mūzikā), medicīnā (ultraskaņa diagnostikā), inženierijā (akustiskā izolācija, skaņu absorbējoši materiāli), ražošanā un dienas dzīvē. Skaņas īpašību izpratne palīdz projektēt koncertzāles, samazināt trokšņu piesārņojumu un uzlabot audio ierīču kvalitāti.
Ja interesē, varam pievienot attēlus vai skices ar viļņu formu, piemērus ar skaitlisku aprēķinu (piem., viļņa garuma aprēķins dotai frekvencei un videi) vai paskaidrojumus par mērīšanas ierīcēm (mikrofons, decibelmetrs, osciloskops).
Skaņas ātrums
Skaņas viļņi var pārvietoties cauri cietām vielām, šķidrumiem un gāzēm, bet tie nevar pārvietoties vakuumā (vietā, kur nav nekā). Tāpēc astronauti kosmosā nevar sarunāties viens ar otru: lai viņi viens otru dzirdētu, viņiem ir nepieciešams radioaparāts. Skaņa caur ūdeni var izplatīties ātrāk nekā caur gaisu, bet cietās vielās, piemēram, akmenī, dzelzī un tēraudā, - vēl ātrāk. Gaisā skaņa pārvietojas ar 335 metru (1100 pēdu) ātrumu sekundē.
Augstums un intensitāte
Skaņas augstums ir skaņas augstums vai zemums. Augstums ir veids, kā cilvēki dzird dažādas frekvences. Frekvenci nosaka pēc vibrāciju skaita sekundē. Piemēram, klavieru augstākais taustiņš vibrē 4000 reižu sekundē. Tās frekvence ir 4000 hercu (Hz) jeb 4 kilohercu (kHz). Zemāku taustiņu frekvences ir zemākas. Notei, kas ir par oktāvu augstāka par citu noti, ir divreiz lielāka frekvence nekā šai notij.
Skaņas intensitāte ir tas, cik daudz skaņas enerģijas vienā sekundē izplūst caur vienu kvadrātmetru. Skaņas viļņiem ar lielāku amplitūdu (lielāku vibrāciju) ir lielāka intensitāte. Skaņas intensitāte ir lielāka tuvāk skaņas avotam. Tālāk tā ir mazāk intensīva. Atgriezeniskā kvadrāta likums parāda, kā skaņas intensitāte kļūst mazāka, atrodoties tālāk no avota. "Atgriezeniskais kvadrāts" saka, ka, reizinot attālumu ar kādu skaitli, skaņas intensitāte dalās ar šo skaitli kvadrātā (skaitlis reizināts ar sevi). Tādējādi divreiz lielāks attālums nozīmē par ceturtdaļu mazāku intensitāti.
Skaņas intensitāte var būt ļoti atšķirīga. Tās var svārstīties no 0,000000000001, kas ir tikko dzirdamas, līdz 1 W/m2 (sāpīgi skaļi). Decibelu skala atvieglo darbu ar skaņas intensitātes skaitļiem. Intensitāte 0,000000000001 W/m2 ir 0 dB (decibelu). Ja decibelu skaitlis palielinās par 10, intensitāte ir desmit reizes lielāka. Tātad 1 W/m2 intensitāte ir 120 dB.
Skaļums ir veids, kā cilvēki izjūt skaņas intensitāti. Skaļums ir atkarīgs no skaņas intensitātes, skaņas frekvences un cilvēka dzirdes.
Dzirdēts un neredzēts
Dzirdamajai skaņai ir frekvences no 20 Hz līdz 20 kHz. Cilvēks var dzirdēt dzirdamo skaņu. Skaņas viļņus ar frekvenci virs 20 kHz sauc par ultraskaņas viļņiem. Skaņas viļņus ar frekvenci zem 20 Hz sauc par infraskaņas viļņiem. Cilvēks ultraskaņas viļņus un infraskaņas viļņus nedzird, bet daži dzīvnieki, piemēram, sikspārņi un delfīni, tos izmanto. Vecākiem cilvēkiem ir vēl mazāks dzirdes diapazons. Cilvēki vislabāk dzird skaņas no 1000 Hz līdz 6000 Hz.
Doplera efekts
Kad skaņas avots virzās uz kādu cilvēku, šķiet, ka tā frekvence palielinās. Tas pats notiek, kad kāds kustas skaņas avota virzienā. Šķiet, ka frekvence samazinās, kad kāds virzās prom no skaņas avota. Šķiet, ka tā samazinās arī tad, kad skaņas avots virzās prom no kāda cilvēka. To sauc par Doplera efektu.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir skaņa?
A: Skaņa ir viļņu veids, ko rada molekulu vibrācijas. To var sadzirdēt, kad tā caur vidi nonāk līdz ausij.
J: Kā rodas skaņas?
A: Skaņas rodas, vibrējot molekulām. Piemēram, kad kāds sit bungas vai cimboli, objekts vibrē un liek gaisa molekulām kustēties, tādējādi radot skaņas viļņus.
Kādi ir trīs dažādi nesēji, pa kuriem pārvietojas skaņa?
A: Trīs dažādas vides, kurās izplatās skaņa, ir cietas vielas, šķidrumi un gāzes.
J: Kas izraisa skaņas viļņus?
A: Skaņas viļņus rada gaisa molekulu vibrācijas. Kad kāds objekts vibrē, tas liek gaisa molekulām kustēties, un tad rodas skaņas viļņi.
J: Kā mēs dzirdam skaņas?
A: Mēs dzirdam skaņas, kad vibrējošās gaisa molekulas sasniedz mūsu ausis un liek mūsu bungādiņai vibrēt tādā pašā veidā, kā sākotnēji vibrēja objekts, kas izraisīja skaņas vilni.
Vai visas skaņas ir regulāras vibrācijas?
A: Nē, ne visas skaņas ir regulāras vibrācijas; neregulāras vibrācijas veido troksni, bet cilvēki var radīt ļoti sarežģītas skaņas runai.
J: Kas ir kompresija un retinājums attiecībā uz skaņas viļņiem?
A: Kompresija ir skaņas viļņa daļa, kurā gaisa molekulas tiek spiestas kopā, bet retinājums ir viļņa daļa, kurā gaisa molekulas atrodas tālu viena no otras - šīs divas daļas veido virkni, ko sauc par skaņas vilni.
