Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

16.4: Взаємодія зі звуковими хвилями

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    75053

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    цілі навчання

    • Визначити умови, необхідні для накладення двох хвиль

    Хвилі найчастіше описуються варіаціями певного параметра через простір та час - висота у водяній хвилі, тиск у звуковій хвилі або електромагнітне поле у світловій хвилі. Значення цього параметра називається амплітудою хвилі; сама хвиля - це функція, що визначає амплітуду в кожній точці.

    Коли дві або більше хвиль прибувають в одну точку, вони накладаються одна на іншу. Більш конкретно, порушення хвиль накладаються при їх зближенні (явище, зване суперпозицією). Кожне порушення відповідає силі, або амплітуді (і сили додають). Якщо збурень знаходяться уздовж однієї лінії, то отримана хвиля є простим доповненням збурень окремих хвиль. Тобто їх амплітуди додають.

    зображення

    Суперпозиція: суперпозиція - це коли дві хвилі складаються разом. На цьому малюнку дві хвилі складаються разом і скасовуються, не залишаючи хвилі. Це руйнівне втручання.

    Накладення хвиль призводить до того, що відомо як інтерференція, яка проявляється двома типами: конструктивною та деструктивною. Конструктивна інтерференція виникає, коли дві хвилі складаються разом в суперпозиції, створюючи хвилю з сукупно більшою амплітудою, як показано на. При руйнівному втручанні дві хвилі складають разом, але скасовують (наприклад, додавання позитивного та негативного числа). Деструктивне втручання показано в.

    Хоча чисто конструктивні та чисті руйнівні втручання відбуваються, вони вимагають точно вирівняних однакових хвиль. Накладення більшості хвиль створює поєднання конструктивного та руйнівного втручання, і може варіюватися від місця до місця та часу від часу. Наприклад, звук із стерео може бути гучним в одному місці, але тихим в іншому. Змінна гучність означає, що звукові хвилі додають частково конструктивно та частково руйнівно в різних місцях. Стерео має щонайменше два динаміки, що створюють звукові хвилі, і хвилі можуть відбиватися від стін. Всі ці хвилі накладаються. Приклад звуків, які змінюються з часом від конструктивних до руйнівних, знаходиться в комбінованому скиглі літальних літаків, почутих стаціонарним пасажиром. Комбінований звук може коливатися вгору і вниз за гучністю, оскільки звук від двох двигунів змінюється в часі від конструктивного до руйнівного.

    Ці приклади є хвилями, які подібні. ілюструє, що коли неоднакові хвилі накладаються, результат є сумішшю конструктивного та руйнівного втручання.

    зображення

    Суперпозиція неоднакових хвиль: суперпозиція неоднакових хвиль демонструє як конструктивну, так і деструктивну інтерференцію.

    перешкоди

    Інтерференція виникає, коли кілька хвиль взаємодіють один з одним, і це зміна амплітуди, викликана зустріччю декількох хвиль.

    навчальні цілі

    • Контрастні конструктивні та руйнівні

    На відміну від твердих предметів, дві хвилі можуть розділяти точку в просторі. У фізиці інтерференція - це явище, при якому дві хвилі (що проходять через одну і ту ж точку) накладаються, утворюючи результуючу хвилю більшої або меншої амплітуди. Інтерференція зазвичай стосується взаємодії хвиль, які корелюють або когерентні між собою (тобто «заважають» один одному), або тому, що вони походять з одного джерела, або тому, що вони мають однакову або майже однакову частоту.

    Вплив перешкод можна спостерігати з усіма типами хвиль, наприклад, світловими, радіо, акустичними і поверхневими водними хвилями. Ідея про те, що перешкоди викликані суперпозицією, означає, що коли дві хвилі зустрічаються їх дві амплітуди (їх максимальне абсолютне значення) об'єднуються разом.

    зображення

    Інтерференція: Дві перекриваються хвилі виявляють перешкоди.

    Втручання може бути конструктивним або руйнівним. У конструктивній інтерференції дві амплітуди хвиль складаються разом і призводять до більш високого зміщення, ніж це було б, якби була лише одна хвиля. Приклад конструктивного втручання можна побачити в.

    зображення

    Конструктивні перешкоди: Чисте конструктивне втручання двох однакових хвиль виробляє одну з подвійною амплітудою, але однаковою довжиною хвилі.

    Руйнівні перешкоди - це коли дві хвилі складають разом, і результат - менший зміщення, ніж це було б. Приклад руйнівного втручання можна побачити в. Коли хвилі мають протилежні амплітуди в точці зустрічі, вони можуть руйнівно перешкоджати, що призводить до відсутності амплітуди в цій точці. Наприклад, так працюють навушники з шумопоглинанням. Відтворюючи звук з протилежною амплітудою, як вхідний звук, дві звукові хвилі руйнівно заважають, і це скасовує один одного.

    Б'є

    Накладення двох хвиль подібних, але не однакових частот виробляє пульсування, відоме як удар.

    навчальні цілі

    • Визначте умови суперпозиції, які призводять до биття

    Нанесення удару двома сусідніми клавішами на піаніно виробляє жахливу комбінацію (зазвичай вважається неприємною для вуха). Винуватцем є суперпозиція двох хвиль схожих, але не однакових частот. Коли дві хвилі подібної частоти надходять в одну точку і накладаються, вони по черзі конструктивно і руйнівно заважають. Це чергування відоме як биття, оскільки воно видає неприємний пульсуючий звук.

    Інший приклад часто помітний у рульовому реактивному літаку (особливо двомоторний різновид). Гучність комбінованого звуку двигунів збільшується і зменшується. Ця різна гучність виникає через те, що звукові хвилі мають схожі, але не однакові частоти. Дискордантне викривлення фортепіано та коливання гучності шуму реактивного двигуна обумовлені поперемінно конструктивними та руйнівними перешкодами, коли дві хвилі йдуть і виходять з фази. ілюструє це явище графічно.

    зображення

    Частота ударів: Удари виробляються накладенням двох хвиль дещо різних частот, але однакових амплітуд. Хвилі чергуються в часі між конструктивними перешкодами та руйнівними перешкодами, надаючи результуючій хвилі амплітуду, що змінюється в часі.

    Хвиля, що виникає в результаті суперпозиції двох хвиль подібної частоти, має частоту, яка є середньою з двох. Ця хвиля коливається в амплітуді, або б'ється, з частотою, яка називається частотою биття. Частоту биття ми можемо визначити математично, склавши дві хвилі разом.

    Можна також безпосередньо виміряти частоту биття. Коли ви чуєте ритм, що виходить від двох дискордантних звуків (скажімо, дві ноти на фортепіано), ви можете порахувати кількість ударів в секунду. Кількість ударів в секунду, або частота ударів, показує різницю в частоті між двома нотами. Музиканти часто використовують це явище для того, щоб дві ноти були в гармонії (якщо вони співзвучні, то ударів немає).

    Вухо

    Вухо - це орган чуття, який вловлює звукові хвилі з повітря і перетворює їх в нервові імпульси, які можуть відправлятися в мозок.

    навчальні цілі

    • Опишіть, як звукові хвилі збираються і перетворюються в нервові імпульси

    Звукові хвилі - це вібрації в повітрі. Вухо - це орган чуття, який вловлює звукові хвилі з навколишнього повітря і перетворює їх в нервові імпульси, які потім направляються в мозок. Звукові хвилі несуть багато інформації - мови, музики та шуму - все змішано разом. Завдання вуха - перетворити сигнали в цих хвиль підстрибуючих молекул повітря в електричні нервові сигнали, зберігаючи при цьому якомога більше інформації в сигналі. (Це робота мозку, щоб потім сортувати сигнали і зрозуміти їх.) Непросто перетворити один вид сигналу в інший, не втрачаючи інформації, але вухо добре розроблене для цього завдання.

    зображення

    Анатомія людського вуха: анатомія людського вуха; довжина слухового каналу перебільшена для цілей перегляду

    Повітря оточує голову і заповнює слуховий прохід і середнє вухо. Тому, коли зовнішня частина вуха збирає звук і середнє вухо підсилює цей звуковий тиск, ці процеси відбуваються в середовищі повітря. Однак порожнисті канали внутрішнього вуха (яке закладено в скроневу кістку, саму щільну кістку тіла) заповнені рідиною. Таким чином, коли звук рухається у внутрішнє вухо, він переходить із середовища повітря в рідке середовище. Ці внутрішньовушні канали містять сенсорний епітелій, який шипований волосяними клітинами. Мікроскопічні «волоски» - це структурні білкові нитки, які виступають у рідину. Волосяні клітини виділяють хімічний нейромедіатор при стимуляції. Звукові хвилі, що рухаються через рідину, штовхають нитки; якщо нитки нахиляються досить, клітини волосся спалахують хімічні сигнали. Таким чином звукові хвилі трансформуються в нервові імпульси. Нервові імпульси проходять від лівого і правого вуха через восьмий черепний нерв до обох сторін стовбура мозку і до частини кори головного мозку, присвяченої звуку (слухова кора, розташована в скроневій частці).

    Застосування: ультразвук, сонар та медична візуалізація

    Звукові хвилі по-різному відбиваються від різних матеріалів (коли відбиття збираються, вони можуть надавати інформацію та зображення).

    навчальні цілі

    • Обговорити застосування звукових хвиль в медицині та навігації

    Контрольоване використання звукових хвиль має багато застосувань у науці. Контрольоване відображення таких хвиль дозволяє отримувати зображення.

    УЗД

    Ультразвук - звук з частотою вище 20 кГц. Це вище людського діапазону слуху. Найбільш поширене використання ультразвуку, створюючи зображення, має промислове та медичне застосування. Використання ультразвуку для створення зображень засноване на відображенні і передачі хвилі на кордоні. Коли ультразвукова хвиля рухається всередині об'єкта, який складається з різних матеріалів (наприклад, людського тіла), кожен раз, коли вона стикається з межею (наприклад, між кісткою та м'язами, або м'язами та жиром), частина хвилі відбивається і частина її передається. Відбиті промені виявляються і використовуються для побудови зображення об'єкта.

    Сонар

    ілюструє, як корабель на океані використовує відображають властивості звукових хвиль для визначення глибини океану. Звукова хвиля передається і відскакує від морського дна. Оскільки швидкість звуку відома і проміжок часу між відправкою та отриманням звуку можна виміряти, можна визначити відстань від корабля до дна океану. Ця техніка називається sonar (спочатку абревіатура для звукової навігації та діапазону).

    зображення

    Sonar: Кораблі на океані використовують відображають властивості звукових хвиль для визначення глибини океану. Звукова хвиля передається і відскакує від морського дна. Оскільки швидкість звуку відома і проміжок часу між відправкою та отриманням звуку можна виміряти, можна визначити відстань від корабля до дна океану.

    Так само, як кораблі в океані, деякі тварини, такі як дельфіни та кажани, використовують звукові хвилі (сонар), щоб орієнтуватися або знайти свій шлях. Ультразвукові хвилі відправляються назовні, потім відбиваються від предметів навколо тварини. Кажани або дельфіни потім використовують відбиті звуки, щоб сформувати «картину» свого оточення (це відоме як ехолокація).

    Ключові моменти

    • Коли дві хвилі займають одну і ту ж точку, відбувається суперпозиція. Суперпозиція призводить до додавання двох хвиль разом.
    • Конструктивне втручання - це коли дві хвилі накладаються і отримана хвиля має більшу амплітуду, ніж попередні хвилі.
    • Руйнівна перешкода - це коли дві хвилі накладаються і скасовують один одного, що призводить до меншої амплітуди.
    • Більшість хвильових суперпозицій передбачають суміш конструктивних та руйнівних перешкод, оскільки хвилі не ідеально ідентичні.
    • Інтерференція - це явище хвильових взаємодій. Коли дві хвилі зустрічаються в точці, вони заважають один одному.
    • Існує два типи перешкод, конструктивне і деструктивне.
    • У конструктивній інтерференції амплітуди двох хвиль складають разом, що призводить до більш високої хвилі в точці, де вони зустрічаються.
    • При руйнівному втручанні дві хвилі скасовуються, що призводить до меншої амплітуди в точці, де вони зустрічаються.
    • Коли дві хвилі однакових частот заважають, результатом є частота биття.
    • Частота ударів - це пульсуючий звук, який гучно йде вгору і вниз.
    • Коли дві хвилі йдуть і виходять з фази, мінлива конструктивна та руйнівна перешкода змушує хвилю рости і зменшуватися в амплітуді. Для звукових хвиль це видає б'є звук.
    • Завдання вуха - перетворити сигнали в хвиль підстрибуючих молекул повітря в електричні нервові сигнали, зберігаючи при цьому якомога більше інформації в сигналах.
    • Звук збирається в зовнішній частині вуха; звуковий тиск посилюється через середню частину вуха і передається з середовища повітря в рідке середовище.
    • Цей звуковий тиск посилюється через середню частину вуха і передається з середовища повітря в рідке середовище.
    • Звукові хвилі, що рухаються через рідину у внутрішньому вусі, стимулюють клітини волосся, змушуючи їх виділяти хімічні нейромедіатори. Таким чином звукові хвилі трансформуються в нервові імпульси.
    • Коли хвилі стикаються з межею між двома матеріалами, частина хвилі відбивається, а частина передається.
    • Використовуючи високочастотні звукові хвилі, лікарі можуть створювати зображення частин тіла, які зазвичай не видно.
    • Передаючи звукові хвилі та вимірюючи час між передачею та отриманням відбиття, кораблі можуть використовувати звукові хвилі для навігації. Це називається сонаром.

    Ключові умови

    • накласти: щоб розмістити об'єкт над іншим об'єктом.
    • зміщення: векторна величина, яка позначає відстань з спрямованою складовою.
    • амплітуда: Максимальне абсолютне значення деякої величини, яка змінюється.
    • когерентний: хвиль, що мають однаковий напрямок, довжину хвилі та фазу, як світло в лазері.
    • частота: Частота кількості разів n періодичного явища виникає протягом часу tt, в якому воно відбувається:\(\mathrm{f=n/t\).
    • втручатися: (хвиль) повинні бути співвіднесені один з одним при перекритті або накладенні.
    • суперпозиція: підсумовування двох або більше польових внесків, що займають один і той же простір.
    • епітелій: мембранозна тканина, що складається з одного або декількох шарів клітин, яка утворює покриття більшості внутрішніх і зовнішніх поверхонь тіла та його органів (внутрішньо, вистилання судин та інших дрібних порожнин; зовні шкіра)
    • нервовий імпульс: сигнал, що передається по нервовому волокну, або у відповідь на подразник (наприклад, дотик, біль або тепло), або як інструкція (наприклад, змушуючи м'яз скорочуватися)
    • нейромедіатор: будь-яка речовина, така як ацетилхолін або дофамін, відповідальна за передачу нервових сигналів через синапс між двома нейронами

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ