גל קול הוא תהליך גל המתרחש במדיה גזי, נוזלי ומוצק, שכאשר הוא מגיע לאיברי השמיעה האנושיים, נתפס בעיניהם כקול. התדירות של גלים אלו נעה בטווח שבין 20 ל-20,000 תנודות בשנייה. אנו נותנים נוסחאות לגל קול ושוקלים את תכונותיו ביתר פירוט.
למה יש גל קול?
אנשים רבים תוהים מהו גל קול. טבעו של הקול טמון בהתרחשות של הפרעה בתווך אלסטי. לדוגמה, כאשר מתרחשת הפרעת לחץ בצורת דחיסה בנפח מסוים של אוויר, אזור זה נוטה להתפשט בחלל. תהליך זה מוביל לדחיסת אוויר באזורים הסמוכים למקור, שגם הם נוטים להתרחב. תהליך זה מכסה יותר ויותר מהחלל עד שהוא מגיע למקלט כלשהו, למשל, האוזן האנושית.
מאפיינים כלליים של גלי קול
בואו נשקול מהו גל קול וכיצד הוא נתפס על ידי האוזן האנושית. גל קולהוא אורכי, הוא, כאשר הוא נכנס למעטפת האוזן, גורם לתנודות של עור התוף בתדירות ומשרעת מסוימת. אתה יכול גם לייצג את התנודות האלה כשינויים תקופתיים בלחץ במיקרונפח האוויר הסמוך לממברנה. ראשית, הוא עולה ביחס ללחץ אטמוספרי רגיל, ולאחר מכן יורד, תוך ציות לחוקים המתמטיים של תנועה הרמונית. משרעת השינויים בדחיסת האוויר, כלומר ההפרש בין הלחץ המרבי או המינימלי שנוצר על ידי גל קול, עם לחץ אטמוספרי הוא פרופורציונלי למשרעת של גל הקול עצמו.
ניסויים פיזיים רבים הראו שהלחץ המקסימלי שהאוזן האנושית יכולה לתפוס מבלי לפגוע בה הוא 2800 µN/cm2. לשם השוואה, נניח שהלחץ האטמוספרי ליד פני כדור הארץ הוא 10 מיליון µN/cm2. בהתחשב במידתיות של לחץ ומשרעת תנודה, אנו יכולים לומר שהערך האחרון אינו משמעותי אפילו עבור הגלים החזקים ביותר. אם נדבר על אורך גל קול, אז עבור תדר של 1000 רעידות בשנייה, זה יהיה אלפית הסנטימטר.
הצלילים החלשים ביותר יוצרים תנודות לחץ בסדר גודל של 0.001µN/cm2, משרעת תנודת הגל המתאימה עבור תדר של 1000 הרץ היא 10- 9ס"מ, בעוד שהקוטר הממוצע של מולקולות האוויר הוא 10-8 ס"מ, כלומר, האוזן האנושית היא איבר רגיש במיוחד.
המושג של עוצמת גלי הקול
עם גיאומטרימנקודת מבטו של גל קול מדובר ברטט בצורה מסוימת, מנקודת מבט פיזיקלית המאפיין העיקרי של גלי קול הוא יכולתם להעביר אנרגיה. הדוגמה החשובה ביותר להעברת אנרגיית גלים היא השמש, שהגלים האלקטרומגנטיים המוקרנים שלה מספקים אנרגיה לכל כוכב הלכת שלנו.
עוצמתו של גל קול בפיזיקה מוגדרת ככמות האנרגיה שנישאת גל דרך משטח יחידה, המאונך להתפשטות הגל, ולכל יחידת זמן. בקיצור, עוצמת הגל היא הכוח שלו המועבר דרך יחידת שטח.
חוזק גלי הקול נמדד בדרך כלל בדציבלים, המבוססים על סולם לוגריתמי, נוח לניתוח מעשי של התוצאות.
עוצמה של צלילים שונים
סולם הדציבלים הבא נותן מושג על המשמעות של עוצמות צליל שונות והתחושות שהוא גורם:
- סף לתחושות לא נעימות ולא נוחות מתחיל ב-120 דציבלים (dB);
- האמר מרתק יוצר רעש של 95 dB;
- רכבת מהירה - 90 dB;
- רחוב תנועה - 70 dB;
- עוצמת הקול של שיחה רגילה בין אנשים היא 65 dB;
- מכונית מודרנית הנעה במהירויות מתונות יוצרת רעש של 50 dB;
- עוצמת רדיו ממוצעת - 40 dB;
- שיחה שקטה - 20 dB;
- רעש של עלווה עצים - 10 dB;
- סף הרגישות המינימלי לצליל אנושי קרוב ל-0 dB.
רגישות האוזן האנושית תלויה בתדר הקול והוא הערך המקסימלי עבור גלי קול בתדר של 2000-3000 הרץ. עבור צליל בטווח תדרים זה, הסף התחתון של רגישות אנושית הוא 10-5 dB. תדרים גבוהים ונמוכים מהמרווח שצוין מביאים לעלייה בסף הרגישות התחתון באופן שאדם שומע תדרים קרובים ל-20 הרץ ו-20,000 הרץ רק בעוצמתם של כמה עשרות dB.
באשר לסף העוצמה העליון, שאחריו הקול מתחיל לגרום אי נוחות לאדם ואף לכאב, יש לומר שהוא למעשה אינו תלוי בתדר ונמצא בטווח של 110-130 dB.
מאפיינים גיאומטריים של גל קול
גל קול אמיתי הוא חבילה מורכבת מתנדנדת של גלים אורכיים, שניתן לפרק לתנודות הרמוניות פשוטות. כל תנודה כזו מתוארת מנקודת מבט גיאומטרית על ידי המאפיינים הבאים:
- Amplitude - הסטייה המקסימלית של כל קטע של הגל משיווי המשקל. עבור ערך זה, הכינוי A.
- תקופה. זה הזמן שלוקח לגל פשוט להשלים את התנודה המלאה שלו. לאחר זמן זה, כל נקודה של הגל מתחילה לחזור על תהליך התנודה שלה. התקופה מסומנת בדרך כלל באות T ונמדדת בשניות במערכת ה-SI.
- תדירות. זוהי גודל פיזיקלי שמראה כמה תנודות מבצע גל נתון בשנייה. כלומר, במשמעותו, זהו ערך הפוך לתקופה.זה מסומן באות הלטינית f. עבור התדר של גל קול, הנוסחה לקביעתו דרך תקופה היא כדלקמן: f=1/T.
- אורך הגל הוא המרחק שהוא עובר בתקופה אחת של תנודה. מבחינה גיאומטרית, אורך הגל הוא המרחק בין שני מקסימום הקרובים ביותר או שתי מינימות הקרובות ביותר על עקומה סינוסואידלית. אורך התנודה של גל קול הוא המרחק בין אזורי דחיסת האוויר הקרובים ביותר או המקומות הקרובים ביותר של הנדירות שלו בחלל שבו הגל נע. זה מסומן בדרך כלל באות היוונית λ.
- מהירות התפשטות גלי הקול היא המרחק שבו מתפשט אזור הדחיסה או אזור השבירה של הגל ליחידת זמן. ערך זה מסומן באות v. למהירות של גל קול, הנוסחה היא: v=λf.
הגיאומטריה של גל קול טהור, כלומר גל של טוהר קבוע, מצייתת לחוק סינוסואידי. במקרה הכללי, הנוסחה של גל קול היא: y=Asin(ωt), כאשר y הוא ערך הקואורדינטה של נקודה נתונה של הגל, t הוא זמן, ω=2pif הוא תדר התנודה המחזורית.
צליל א-מחזורי
מקורות סאונד רבים יכולים להיחשב תקופתיים, למשל, הצליל מכלי נגינה כמו גיטרה, פסנתר, חליל, אבל יש גם מספר רב של צלילים בטבע שהם א-מחזוריים, כלומר, תנודות הצליל משתנות התדירות והצורה שלהם במרחב. מבחינה טכנית, סוג זה של צליל נקרא רעש. בָּהִירדוגמאות לצליל א-מחזורי הן רעש עירוני, צליל הים, צלילים מכלי הקשה, כגון תוף ועוד.
אמצעי הפצת סאונד
בניגוד לקרינה אלקטרומגנטית, שהפוטונים שלה אינם זקוקים לשום תווך חומרי לצורך התפשטותם, אופי הקול הוא כזה שנדרש מדיום מסוים לצורך התפשטותו, כלומר, לפי חוקי הפיזיקה, גלי קול אינם יכולים להפיץ בוואקום.
צליל יכול לעבור דרך גזים, נוזלים ומוצקים. המאפיינים העיקריים של גל קול המתפשט במדיום הם כדלקמן:
- wave מתפשט באופן ליניארי;
- זה מתפשט באופן שווה לכל הכיוונים במדיום הומוגני, כלומר, צליל סוטה מהמקור ויוצר משטח כדורי מושלם.
- ללא קשר למשרעת ולתדירות הצליל, הגלים שלו מתפשטים באותה מהירות במדיום נתון.
מהירות גלי הקול במדיות שונות
מהירות התפשטות הקול תלויה בשני גורמים עיקריים: המדיום שבו נע הגל והטמפרטורה. באופן כללי, חל הכלל הבא: ככל שהמדיום צפוף יותר, וככל שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר, כך הצליל נע בו מהר יותר.
לדוגמה, מהירות ההתפשטות של גל קול באוויר ליד פני כדור הארץ בטמפרטורה של 20 ℃ ולחות של 50% היא 1235 קמ"ש או 343 מ"ש. במים בטמפרטורה נתונה, הקול עובר פי 4.5 מהר יותריש כ-5735 קמ"ש או 1600 מ"ש. באשר לתלות של מהירות הקול בטמפרטורה באוויר, היא עולה ב-0.6 מ'/ש' עם עלייה בטמפרטורה עבור כל מעלה צלזיוס.
גוון וטון
אם מיתר או לוח מתכת יורשו לרטוט בחופשיות, הם יפיקו צלילים בתדרים שונים. נדיר מאוד למצוא גוף שיפלוט צליל בתדר מסוים אחד, בדרך כלל לצליל של עצם יש קבוצה של תדרים במרווח מסוים.
הגוון של צליל נקבע לפי מספר ההרמוניות הקיימות בו והעוצמות שלהן. גוון הוא ערך סובייקטיבי, כלומר, הוא תפיסה של אובייקט נשמע על ידי אדם ספציפי. גוון מאופיין בדרך כלל בשמות התואר הבאים: גבוה, מבריק, קולי, מלודי וכן הלאה.
טון הוא תחושת צליל המאפשרת לסווג אותו כגבוה או נמוך. ערך זה הוא גם סובייקטיבי ואינו ניתן למדידה בשום מכשיר. הטון קשור לכמות אובייקטיבית - התדר של גל קול, אך אין ביניהם קשר חד משמעי. לדוגמה, עבור צליל חד-תדר בעוצמה קבועה, הטון עולה ככל שהתדר עולה. אם תדר הצליל נשאר קבוע, אך עוצמתו עולה, אז הטון הופך נמוך יותר.
צורת מקורות הקול
לפי צורת הגוף הרוטט בצורה מכנית ומייצר צליל, ישנם שלושה סוגים עיקריים של מקורות גלי קול:
- מקור נקודה. הוא מייצר גלי קול שצורתם כדורית ומתפוררת במהירות עם מרחק מהמקור (כ-6dB אם המרחק מהמקור מוכפל).
- מקור קו. הוא יוצר גלים גליליים שעוצמתם יורדת לאט יותר מאשר ממקור נקודתי (על כל הכפלה של המרחק מהמקור, העוצמה יורדת ב-3 dB).
- מקור שטוח או דו מימדי. זה מייצר גלים רק בכיוון מסוים. דוגמה למקור כזה תהיה בוכנה הנעה בתוך גליל.
מקורות סאונד אלקטרוניים
כדי ליצור גל קול, מקורות אלקטרוניים משתמשים בממברנה מיוחדת (רמקול), המבצעת רעידות מכניות עקב תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית. מקורות אלה כוללים את הדברים הבאים:
- נגנים עבור דיסקים שונים (CD, DVD ואחרים);
- מקליטי קלטות;
- radios;
- טלוויזיות ועוד כמה.
