Une onde sonore est une onde longitudinale mécanique d'une certaine fréquence. Dans l'article, nous comprendrons ce que sont les ondes longitudinales et transversales, pourquoi toutes les ondes mécaniques ne sont pas des sons. Découvrez la vitesse de l'onde et les fréquences auxquelles le son se produit. Découvrons si le son est le même dans différents environnements et apprenons à trouver sa vitesse à l'aide de la formule.
La vague apparaît
Imaginons une surface d'eau, par exemple un étang par temps calme. Si vous jetez une pierre, alors à la surface de l'eau, nous verrons des cercles diverger du centre. Et que se passera-t-il si nous ne prenons pas une pierre, mais une boule et la mettons en mouvement oscillatoire ? Les cercles seront constamment générés par les vibrations de la balle. Nous verrons à peu près la même chose que celle montrée dans l'animation par ordinateur.
Si nous abaissons le flotteur à une certaine distance de la balle, il oscillera également. Lorsque les fluctuations divergent dans l'espace au fil du temps, ce processus s'appelle une onde.
Pour étudier les propriétés du son (longueur d'onde, vitesse d'onde, etc.), le célèbre jouet Rainbow, ou Happy Rainbow, convient.
Tendons le ressort, laissons-le se calmer et secouons-le brusquement de haut en bas. Nous verrons qu'une vague est apparue, qui a couru le long de la source, puis est revenue. Cela signifie qu'elle est réfléchie par l'obstacle. Nous avons observé comment l'onde s'est propagée le long de la source au fil du temps. Les particules du ressort se sont déplacées de haut en bas par rapport à leur équilibre, et l'onde a couru à gauche et à droite. Une telle onde est appelée onde transversale. Dans celui-ci, la direction de sa propagation est perpendiculaire à la direction d'oscillation des particules. Dans notre cas, le milieu de propagation des ondes était un ressort.
Maintenant, étirons le ressort, laissons-le se calmer et tirons d'avant en arrière. Nous verrons que les spires du ressort sont comprimées le long de celui-ci. La vague va dans le même sens. A un endroit le ressort est plus comprimé, à un autre il est plus tendu. Une telle onde est dite longitudinale. La direction d'oscillation de ses particules coïncide avec la direction de propagation.
Imaginons un milieu dense, par exemple un corps rigide. Si on le déforme par cisaillement, une onde va surgir. Cela apparaîtra en raison des forces élastiques agissant uniquement dans les solides. Ces forces jouent un rôle de rappel et génèrent une onde élastique.
Vous ne pouvez pas déformer un liquide par cisaillement. Une onde transversale ne peut pas se propager dans les gaz et les liquides. Une autre chose est longitudinale: elle se répand dans tous les milieux où agissent des forces élastiques. Dans une onde longitudinale, les particules se rapprochent, puis s'éloignent, et le milieu lui-même est comprimé et raréfié.
Beaucoup de gens pensent que les liquidesincompressible, mais ce n'est pas le cas. Si vous appuyez sur le piston de la seringue avec de l'eau, il rétrécira un peu. Dans les gaz, une déformation en compression-traction est également possible. Appuyer sur le piston d'une seringue vide comprime l'air.
Vitesse et longueur d'onde
Revenons à l'animation que nous avons envisagée au début de l'article. Nous choisissons un point arbitraire sur l'un des cercles divergeant de la boule conditionnelle et le suivons. Le point s'éloigne du centre. La vitesse à laquelle il se déplace est la vitesse de la crête de la vague. Nous pouvons conclure: l'une des caractéristiques de la vague est la vitesse de la vague.
L'animation montre que les crêtes de la vague sont situées à la même distance. C'est la longueur d'onde - une autre de ses caractéristiques. Plus les vagues sont fréquentes, plus leur longueur est courte.
Pourquoi toutes les ondes mécaniques ne sont pas sonores
Prenez une règle en aluminium.
C'est rebondissant, donc c'est bon pour l'expérience. Nous posons la règle sur le bord de la table et la pressons avec notre main pour qu'elle dépasse fortement. Nous appuyons sur son bord et le relâchons brusquement - la partie libre commencera à vibrer, mais il n'y aura pas de son. Si vous allongez légèrement la règle, la vibration du bord court créera un son.
Que montre cette expérience ? Il démontre que le son ne se produit que lorsqu'un corps se déplace assez vite lorsque la vitesse des ondes dans le milieu est élevée. Introduisons une autre caractéristique de l'onde - la fréquence. Cette valeur montre combien de vibrations par seconde le corps fait. Lorsque nous créons une onde dans l'air, le son se produit dans certaines conditions - lorsque suffisammenthaute fréquence.
Il est important de comprendre que le son n'est pas une onde, bien qu'il soit lié aux ondes mécaniques. Le son est la sensation qui se produit lorsque des ondes sonores (acoustiques) pénètrent dans l'oreille.
Revenons à la règle. Lorsque la plus grande partie est étendue, la règle oscille et ne produit aucun son. Cela crée-t-il une vague ? Bien sûr, mais c'est une onde mécanique, pas une onde sonore. Nous pouvons maintenant définir une onde sonore. Il s'agit d'une onde longitudinale mécanique dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz. Si la fréquence est inférieure à 20 Hz ou supérieure à 20 kHz, nous ne l'entendrons pas, même si des vibrations se produiront.
Source sonore
Tout corps oscillant peut être une source d'ondes acoustiques, il n'a besoin que d'un milieu élastique, par exemple l'air. Non seulement un corps solide peut vibrer, mais aussi un liquide et un gaz. L'air en tant que mélange de plusieurs gaz peut être non seulement un milieu de propagation - il est lui-même capable de générer une onde acoustique. Ce sont ses vibrations qui sous-tendent le son des instruments à vent. La flûte ou la trompette ne vibre pas. C'est l'air qui se raréfie et se comprime, donne une certaine vitesse à l'onde, à la suite de quoi on entend le son.
Propagation du son dans différents environnements
Nous avons découvert que différentes substances sonnent: liquide, solide, gazeux. Il en va de même pour la capacité à conduire une onde acoustique. Le son se propage dans tout milieu élastique (liquide, solide, gazeux), à l'exception du vide. Dans un espace vide, disons sur la lune, nous n'entendrons pas le son d'un corps vibrant.
La plupart des sons perçus par les humains sont aériens. Les poissons, les méduses entendent une onde acoustique diverger à travers l'eau. Nous, si nous plongeons sous l'eau, entendrons également le bruit d'un bateau à moteur qui passe. De plus, la longueur d'onde et la vitesse des ondes seront plus élevées que dans l'air. Cela signifie que le bruit du moteur sera le premier entendu par une personne plongeant sous l'eau. Le pêcheur, qui est assis dans son bateau au même endroit, entendra le bruit plus tard.
Dans les solides, le son se propage encore mieux et la vitesse des ondes est plus élevée. Si vous placez un objet dur, en particulier en métal, contre votre oreille et que vous tapez dessus, vous entendrez très bien. Un autre exemple est votre propre voix. Lorsque nous entendons pour la première fois notre discours, préalablement enregistré sur un enregistreur vocal ou à partir d'une vidéo, la voix semble étrangère. Pourquoi cela arrive-t-il? Car dans la vie on n'entend pas tant les vibrations sonores de notre bouche que les vibrations des ondes traversant les os de notre crâne. Le son réfléchi par ces obstacles change quelque peu.
Vitesse du son
La vitesse d'une onde sonore, si l'on considère le même son, sera différente dans différents environnements. Plus le médium est dense, plus le son atteint rapidement notre oreille. Le train peut aller si loin de nous que le bruit des roues ne se fera pas encore entendre. Cependant, si vous mettez votre oreille contre les rails, nous pouvons clairement entendre le grondement.
Cela suggère que les ondes sonores se propagent plus rapidement dans les solides que dans l'air. La figure montre la vitesse du son dans différents environnements.
Équation d'onde
La vitesse, la fréquence et la longueur d'onde sont interconnectées. Pour les corps qui vibrent à haute fréquence, l'onde est plus courte. Les sons de basse fréquence peuvent être entendus à une plus grande distance car ils ont une longueur d'onde plus longue. Il existe deux équations d'onde. Ils illustrent l'interdépendance des caractéristiques des ondes les unes par rapport aux autres. Connaissant deux quantités quelconques à partir des équations, vous pouvez calculer la troisième:
с=ν × λ, où c est la vitesse, ν est la fréquence, λ est la longueur d'onde.
Deuxième équation d'onde acoustique:
s=λ / T, où T est la période, c'est-à-dire le temps pendant lequel le corps effectue une oscillation.
