Untuk mengkarakterisasi gelombang akustik, dapat diidentifikasi beberapa parameter dasar, yang meliputi: kecepatan rambat C, m/s, kecepatan vibrasi partikel medium V, m/s; tekanan pada gelombang P, N/m 2; intensitas gelombang J, W/m 2 ; frekuensif, Hz; panjang gelombang, m.

Kecepatan rambat gelombang elastik dalam suatu medium mencirikan kecepatan rambat suatu keadaan medium tertentu (misalnya, zona kompresi), bergantung pada karakteristik medium tersebut, dan untuk bidang gelombang longitudinal, transversal, dan permukaan ditentukan dari hubungan

;
;
, (2.41)

Di mana DENGAN aku ,DENGAN T Dan DENGAN R – kecepatan gelombang longitudinal, transversal dan permukaan; E– modulus Young; γ – Rasio Poisson (untuk logam γ = 0,3); ρ – kepadatan bahan sedang.

Kecepatan rambat bergantung pada sifat medium elastis. Misalnya pada baja karbon (ρ = 7.8.10 3 kg/m3) DENGAN aku= 5.850 m/s, DENGAN T= 3,230 m/s, dan pada tembaga (ρ = 8.9.10 3 kg/m3) DENGAN aku= 4.700 m/s, DENGAN T= 2.260 m/s.

Kecepatan osilasi mencirikan kecepatan rambat gerak mekanis partikel dalam proses perpindahannya relatif terhadap posisi kesetimbangan:

. (2.42)

Tekanan gelombangR didefinisikan sebagai

, (2.43)

di mana Z adalah impedansi akustik medium.

Impedansi akustik adalah rasio tekanan suara kompleks dengan kecepatan getaran volumetrik. Saat menyebarkan gelombang akustik di media yang diperluas, konsep tersebut digunakan impedansi akustik spesifik, sama dengan rasio tekanan suara terhadap kecepatan getaran. Impedansi akustik mencirikan media di mana gelombang merambat dan disebut impedansi gelombang lingkungan.

Jika medium mempunyai nilai Z yang besar maka disebut “keras” (keras secara akustik). Dalam media seperti itu, bahkan pada tekanan tinggi, kecepatan osilasinya rendah. Media di mana kecepatan osilasi dan perpindahan yang signifikan dicapai bahkan pada tekanan rendah disebut “lunak” (dapat ditempa).

Intensitas gelombang– besarnya energi yang dipindahkan gelombang dalam waktu 1 s melalui suatu penampang dengan luas 1 m 2 yang terletak pada sudut φ.

Untuk gelombang bidang

Seringkali, untuk memperkirakan intensitas gelombang, bukan nilai absolut yang digunakan, tetapi nilai relatif, misalnya rasio nilai pada input dan output sistem, dan logaritma rasio ini biasanya digunakan.

2.4.3. Perambatan gelombang akustik dalam suatu medium

Ketika gelombang akustik bidang merambat dalam suatu medium, sebagai akibat interaksi dengan medium, gelombang tersebut melemah, yaitu intensitas, amplitudo osilasi, dan tekanan gelombang berkurang. Redaman ditentukan oleh sifat fisik dan mekanik medium, jenis gelombang, divergensi geometri sinar dan terjadi menurut hukum eksponensial, misalnya untuk amplitudo kita dapat menulis

, (2.45)

Di mana X– jarak yang ditempuh gelombang;
– koefisien atenuasi, m -1, terkadang satuan ini ditulis neper/m (Np/m). Koefisien atenuasi sering dinyatakan dalam dB/m.

Semakin jauh jaraknya, gelombang akustik semakin dilemahkan. Amplitudo getaran dan tekanan suara gelombang ultrasonik berkurang sebesar kali untuk setiap satuan panjang lintasan X, dilewati gelombang, dan intensitas sebagai satuan energi adalah masuk
sekali.

Kebalikan dari koefisien atenuasi menunjukkan pada jalur mana amplitudo gelombang menurun e sekali.

Koefisien atenuasi adalah jumlah dari koefisien serapan δ П dan koefisien hamburan :

. (2.46)

Ketika diserap, energi akustik berubah menjadi energi panas, dan ketika dihamburkan, energi tersebut menjauh dari arah rambat gelombang. Faktor utama yang menentukan penyerapan energi adalah: viskositas, histeresis elastis dan konduktivitas termal.

Hamburan terjadi karena adanya ketidakhomogenan dalam medium (dengan impedansi gelombang berbeda dengan medium), yang dimensinya sepadan dengan panjang gelombang. Proses hamburan bergantung pada rasio panjang gelombang dan ukuran rata-rata ketidakhomogenan. Semakin besar strukturnya, semakin besar hamburan gelombangnya.

Dalam gas dan cairan, redaman gelombang akustik ditentukan oleh penyerapan; tidak ada hamburan. Koefisien serapan sebanding dengan kuadrat frekuensi. Parameter diperkenalkan sebagai karakteristik penyerapan suara di media ini
. Hamburan mungkin juga tidak ada pada bahan amorf homogen seperti bahan plastik, kaca, dll. Redaman gelombang ultrasonik tergantung pada bahan medium tempat gelombang tersebut merambat. Misalnya, di udara, di plastik, dll., redamannya tinggi. Di dalam air, redamannya ribuan kali lebih kecil, di baja tidak signifikan.

Pada logam, karena memiliki struktur granular, redaman gelombang akustik disebabkan oleh pembiasan dan hamburan. Di bawah pembiasan memahami deviasi terus menerus gelombang akustik dari arah rambat bujursangkar.

Koefisien hamburan pada logam bergantung pada rasio ukuran rata-rata ketidakhomogenan (rata-rata ukuran butir ) dan panjang gelombang dan dapat didefinisikan sebagai

, (2.47)

Di mana DENGAN 3 – koefisien tidak tergantung pada ukuran butir dan anisotropi; F A– faktor anisotropi.

Pada >>λkoefisien disipasi proporsional F 4, dan koefisien atenuasi keseluruhan

, (2.48)

dimana A dan B adalah konstanta.

Pada
koefisien disipasi

. (2.49)

Nilai koefisien atenuasi dipengaruhi oleh suhu medium. Untuk memperkirakan perubahan δ saat mengukur suhu, Anda dapat menggunakan rumus

, (2.50)

di mana Δ T=T– T 0 ; T– suhu lingkungan; δ 0 – koefisien redaman pada suhu awal T 0; kδ – koefisien suhu δ.

E Jika suatu medium dengan sifat akustik lain ditemui di sepanjang jalur perambatan gelombang, sebagian gelombang akustik berpindah ke medium kedua dan sebagian dipantulkan darinya. Pada saat yang sama mungkin saja terjadi transformasi terjadi jenis gelombang. Transformasi disebut transformasi gelombang bertipe umum menjadi gelombang bertipe berbeda yang terjadi pada antarmuka antara dua media. Pada kejadian gelombang ultrasonik normal (β = 0 0), tidak terjadi transformasi. Dalam kasus umum, pada batas dua benda padat (Gbr. 2.12), muncul dua gelombang pantulan dan dua gelombang bias (membujur dan melintang).

Ketika gelombang longitudinal jatuh, terbentuklah gelombang longitudinal yang dipantulkan dan dibiaskan, dan sebagai hasil transformasi, terbentuklah gelombang transversal yang dipantulkan dan dibiaskan. Proses serupa diamati selama datangnya gelombang transversal. Dalam zat cair hanya terdapat satu gelombang yang dipantulkan dan satu gelombang yang dibiaskan.

Sudut datang β , refleksi γ dan pembiasan α terhubung satu sama lain. Arah gelombang yang dipantulkan dan dibiaskan (ditransmisikan) ditentukan oleh hukum Snell

, (2.51)

Di mana C i adalah kecepatan datangnya gelombang (longitudinal atau transversal); C aku 1 dan C T 1 – kecepatan rambat gelombang longitudinal dan transversal pada medium pertama (I); C aku 2 dan C T 2 – kecepatan rambat gelombang longitudinal dan transversal pada medium kedua (II).

Dalam akustik pada sudut datang gelombang ultrasonik memahami sudut yang dibentuk oleh garis normal terhadap antarmuka yang melalui titik lintasan berkas dan arah rambat berkas.

Untuk gelombang longitudinal dengan sudut datang tertentu β aku 1, dipanggil sudut kritis pertama
, gelombang yang dibiaskan tidak menembus medium kedua, tetapi merambat sepanjang permukaan. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam sudut datang, gelombang transversal dibiaskan T 2 juga akan mulai meluncur di sepanjang antarmuka antara kedua media. Sudut datang terkecil yang dapat diamati disebut sudut kritis kedua
.

Ketika gelombang transversal dari medium padat datang pada antarmuka dengan sudut datang tertentu
dipantulkan memanjang aku 1 gelombang akan menyatu dengan permukaan. Sudut terkecil gelombang transversal yang masih belum ada gelombang longitudinal yang dipantulkan disebut sudut kritis ketiga
.

Nilai sudut kritis ditentukan sebagai berikut. Dengan menggunakan ekspresi (2.50), kita dapat menulis:

;
;
. (2.52)

Sifat gelombang akustik banyak digunakan dalam pembuatan transduser miring untuk menguji produk menggunakan gelombang longitudinal dan transversal (media pertama adalah prisma kaca plexiglass, dan yang kedua adalah produk terkontrol). Saat menggunakan transduser miring dalam praktiknya, perlu diketahui nilai sudut kritis. Misalnya pada saat gelombang longitudinal jatuh aku dari kaca plexiglass hingga batas produk baja yang dikontrol, nilai tersebut memiliki nilai sebagai berikut: sudut kritis pertama
≈ 27 0; sudut kritis kedua
≈ 55 ... 56 0 ; sudut kritis ketiga untuk antarmuka baja-udara
≈ 33,5…34 0. Dalam praktek pengujian akustik bagian rolling stock, digunakan transduser piezoelektrik dengan sudut datang (sudut prisma) 0, 6, 8, 40, 50 0.

Lintasan gelombang akustik dari satu medium ke medium lain dicirikan oleh koefisien transparansi D, dan refleksi oleh koefisien refleksi R, yang bila gelombang datang normal pada antarmuka, didefinisikan sebagai

;
, (2.53)

Di mana A 0 , A pr Dan A negatif– amplitudo gelombang datang, gelombang yang ditransmisikan dan dipantulkan.

Koefisien ini dapat ditentukan oleh parameter lain: intensitas J, tekanan R, kecepatan getaran V dll.:

;
, (2.54)

dimana Z 1 dan Z 2 adalah impedansi akustik spesifik dari lingkungan pertama dan kedua.

Koefisien transparansi dan refleksi ditentukan untuk setiap jenis gelombang yang dihasilkan, dan nilainya bergantung pada rasio impedansi akustik media. Misalnya, ketika Z 1 =Z 2, lintasan ultrasonografi lengkap melintasi antarmuka diamati (R= 0; D= 1). Jika Z 1 >>Z 2, maka energi gelombang datang dipantulkan seluruhnya (R= 1; D= 0).

Fenomena pemantulan dan transmisi gelombang akustik banyak digunakan dalam pengujian ultrasonik non-destruktif berbagai produk. Misalnya, metode pengujian akustik gema didasarkan pada kemampuan gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke objek yang dikontrol untuk dipantulkan dari cacat, diikuti dengan registrasi sinyal gema. Fenomena transmisi gelombang ultrasonik digunakan dalam bayangan, bayangan cermin dan metode pengujian akustik non-destruktif lainnya.

Isi artikel

SUARA DAN AKUSTIK. Suara adalah getaran, mis. gangguan mekanis berkala pada media elastis - gas, cair dan padat. Gangguan semacam itu, yang merupakan perubahan fisik tertentu dalam medium (misalnya, perubahan kepadatan atau tekanan, perpindahan partikel), merambat di dalamnya dalam bentuk gelombang suara. Bidang fisika yang mempelajari asal usul, perambatan, penerimaan dan pengolahan gelombang bunyi disebut akustik. Suara mungkin tidak terdengar jika frekuensinya melebihi sensitivitas telinga manusia, atau jika merambat melalui medium, misalnya benda padat, yang tidak dapat bersentuhan langsung dengan telinga, atau jika energinya cepat hilang dalam medium tersebut. Dengan demikian, proses persepsi suara yang biasa kita lakukan hanyalah salah satu sisi akustik.

GELOMBANG SUARA

Bayangkan sebuah pipa panjang berisi udara. Sebuah piston yang menempel erat ke dinding dimasukkan ke dalamnya dari ujung kiri (Gbr. 1). Jika piston digerakkan tajam ke kanan dan dihentikan, udara di sekitarnya akan terkompresi sesaat (Gbr. 1, A). Udara terkompresi kemudian akan memuai, mendorong udara di dekatnya ke kanan, dan daerah kompresi, yang awalnya muncul di dekat piston, akan bergerak sepanjang pipa dengan kecepatan konstan (Gbr. 1, B). Gelombang kompresi ini adalah gelombang suara di dalam gas.

Gelombang suara dalam gas dicirikan oleh tekanan berlebih, kepadatan berlebih, perpindahan partikel, dan kecepatannya. Untuk gelombang suara, penyimpangan dari nilai kesetimbangan selalu kecil. Dengan demikian, kelebihan tekanan yang terkait dengan gelombang jauh lebih kecil dibandingkan tekanan statis gas. Jika tidak, kita menghadapi fenomena lain - gelombang kejut. Dalam gelombang suara yang sesuai dengan ucapan normal, kelebihan tekanan hanya sekitar sepersejuta tekanan atmosfer.

Yang penting zat tersebut tidak terbawa oleh gelombang suara. Gelombang hanyalah gangguan sementara yang melewati udara, setelah itu udara kembali ke keadaan setimbang.

Gerakan gelombang, tentu saja, tidak hanya terjadi pada suara: sinyal cahaya dan radio merambat dalam bentuk gelombang, dan semua orang akrab dengan gelombang di permukaan air. Semua jenis gelombang dijelaskan secara matematis dengan apa yang disebut persamaan gelombang.

Gelombang harmonik.

Gelombang dalam pipa pada Gambar. 1 disebut pulsa suara. Jenis gelombang yang sangat penting dihasilkan ketika piston berosilasi maju mundur seperti beban yang digantung pada pegas. Getaran seperti itu disebut harmonik sederhana atau sinusoidal, dan gelombang yang tereksitasi dalam hal ini disebut harmonik.

Dengan osilasi harmonik sederhana, gerakan tersebut berulang secara berkala. Selang waktu antara dua keadaan gerak yang sama disebut periode osilasi, dan jumlah periode lengkap per detik disebut frekuensi osilasi. Mari kita nyatakan periodenya dengan T, dan frekuensi – melalui F; maka kita bisa menulis itu F= 1/T. Misalnya frekuensinya adalah 50 siklus per detik (50 Hz), maka periodenya adalah 1/50 detik.

Secara matematis, osilasi harmonik sederhana dijelaskan oleh fungsi sederhana. Perpindahan piston selama osilasi harmonik sederhana setiap saat T dapat ditulis dalam bentuk

Di Sini D - perpindahan piston dari posisi setimbang, dan D– pengali konstan, yang sama dengan nilai maksimum kuantitas D dan disebut amplitudo perpindahan.

Misalkan piston bergetar sesuai dengan rumus getaran harmonik. Kemudian bila bergerak ke kanan terjadi kompresi seperti sebelumnya, dan bila bergerak ke kiri maka tekanan dan massa jenis akan berkurang relatif terhadap nilai kesetimbangannya. Yang terjadi bukanlah kompresi, melainkan penghalusan gas. Dalam hal ini, hak akan menyebar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, gelombang kompresi dan penghalusan bergantian. Pada setiap saat, kurva distribusi tekanan sepanjang pipa akan terlihat seperti sinusoidal, dan sinusoida ini akan bergerak ke kanan dengan kecepatan suara. ay. Jarak sepanjang pipa antara fase gelombang yang identik (misalnya, antara maksimum yang berdekatan) disebut panjang gelombang. Biasanya dilambangkan dengan huruf Yunani aku(lambda). Panjang gelombang aku adalah jarak yang ditempuh gelombang dalam waktu T. Itu sebabnya aku = televisi, atau v = aku f.

Gelombang longitudinal dan transversal.

Jika partikel-partikel tersebut berosilasi sejajar dengan arah rambat gelombang, maka gelombang tersebut disebut longitudinal. Jika osilasinya tegak lurus arah rambatnya, maka gelombangnya disebut transversal. Gelombang bunyi pada gas dan zat cair bersifat longitudinal. Dalam benda padat, kedua jenis gelombang ada. Gelombang transversal pada benda padat dimungkinkan karena kekakuannya (ketahanan terhadap perubahan bentuk).

Perbedaan yang paling mencolok antara kedua jenis gelombang ini adalah gelombang transversal mempunyai sifat polarisasi(osilasi terjadi pada bidang tertentu), tetapi osilasi memanjang tidak. Dalam beberapa fenomena, seperti pemantulan dan transmisi suara melalui kristal, banyak hal bergantung pada arah perpindahan partikel, seperti halnya gelombang cahaya.

Kecepatan gelombang suara.

Cepat rambat bunyi merupakan ciri medium tempat rambat gelombang. Hal ini ditentukan oleh dua faktor: elastisitas dan kepadatan material. Sifat elastis benda padat bergantung pada jenis deformasinya. Dengan demikian, sifat elastis suatu batang logam tidak sama pada saat torsi, kompresi dan lentur. Dan getaran gelombang yang sesuai merambat dengan kecepatan berbeda.

Elastis adalah suatu medium yang deformasinya, baik torsi, kompresi, atau tekukan, sebanding dengan gaya yang menyebabkan deformasi tersebut. Bahan-bahan tersebut mematuhi hukum Hooke:

Tegangan = C֑ Deformasi relatif,

Di mana DENGAN– modulus elastisitas, tergantung pada bahan dan jenis deformasi.

Kecepatan suara ay untuk jenis deformasi elastis tertentu diberikan oleh ekspresi

Di mana R– kepadatan material (massa per satuan volume).

Kecepatan bunyi pada batang padat.

Sebuah batang yang panjang dapat diregangkan atau dikompresi dengan gaya yang diberikan pada ujungnya. Biarkan panjang batangnya menjadi aku, gaya tarik yang diterapkan – F, dan pertambahan panjangnya adalah D L. Nilai D L/L kita sebut deformasi relatif, dan gaya per satuan luas penampang batang disebut tegangan. Jadi tegangannya adalah F/A, Di mana A - luas penampang batang. Ketika diterapkan pada batang seperti itu, hukum Hooke memiliki bentuk

Di mana Y– Modulus Young, mis. modulus elastisitas batang terhadap tarik atau tekan, yang menjadi ciri bahan batang. Modulus Young kecil untuk material yang mudah diregangkan, seperti karet, dan besar untuk material kaku, seperti baja.

Jika sekarang kita membangkitkan gelombang kompresi di dalamnya dengan memukul ujung batang dengan palu, gelombang itu akan merambat dengan kecepatan di mana R, seperti sebelumnya, adalah massa jenis bahan dari mana batang itu dibuat. Nilai kecepatan gelombang untuk beberapa material tipikal diberikan dalam Tabel. 1.

Tabel 1. KECEPATAN SUARA UNTUK BERBAGAI JENIS GELOMBANG PADA BAHAN PADAT
Bahan	Gelombang longitudinal dalam sampel padat memanjang (m/s)	Gelombang geser dan torsi (m/s)	Gelombang kompresi dalam batang (m/s)
Aluminium
Kuningan
Memimpin
Besi
Perak
Baja tahan karat
kaca api
Kaca mahkota
kaca plexiglass
Polietilen
Polistiren

Gelombang yang dipertimbangkan pada batang adalah gelombang kompresi. Tetapi itu tidak dapat dianggap memanjang sepenuhnya, karena pergerakan permukaan lateral batang berhubungan dengan kompresi (Gbr. 3, A).

Dua jenis gelombang lain juga mungkin terjadi pada batang - gelombang lentur (Gbr. 3, B) dan gelombang torsi (Gbr. 3, V). Deformasi lentur berhubungan dengan gelombang yang tidak murni memanjang dan tidak murni transversal. Deformasi torsi, mis. rotasi di sekitar sumbu batang menghasilkan gelombang transversal murni.

Cepat rambat gelombang lentur pada batang bergantung pada panjang gelombang. Gelombang seperti ini disebut “dispersif”.

Gelombang torsi pada batang bersifat transversal murni dan non-dispersif. Kecepatannya diberikan oleh rumus

Di mana M– modulus geser, mencirikan sifat elastis material terhadap geser. Beberapa kecepatan gelombang geser yang khas diberikan dalam Tabel. 1.

Kecepatan dalam media padat yang diperluas.

Dalam media padat bervolume besar, di mana pengaruh batas dapat diabaikan, dua jenis gelombang elastis mungkin terjadi: memanjang dan melintang.

Regangan pada gelombang longitudinal adalah regangan bidang, yaitu. kompresi satu dimensi (atau penghalusan) dalam arah rambat gelombang. Deformasi yang berhubungan dengan gelombang transversal adalah perpindahan geser yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

Kecepatan gelombang longitudinal pada benda padat diberikan oleh

Di mana C L – modulus elastisitas untuk regangan bidang sederhana. Hal ini terkait dengan modulus curah DI DALAM(definisinya diberikan di bawah) dan modulus geser m material berdasarkan relasinya C L = B + 4/3M. Dalam tabel Tabel 1 menunjukkan nilai kecepatan gelombang longitudinal untuk berbagai bahan padat.

Cepat rambat gelombang geser pada media padat memanjang sama dengan cepat rambat gelombang puntir pada batang yang terbuat dari bahan yang sama. Oleh karena itu diberikan oleh ekspresi. Nilainya untuk bahan padat biasa diberikan dalam tabel. 1.

Kecepatan dalam gas.

Dalam gas, hanya satu jenis deformasi yang mungkin terjadi: kompresi - penghalusan. Modulus elastisitas yang sesuai DI DALAM disebut modulus curah. Hal ini ditentukan oleh relasinya

-D P = B(D V/V).

Di sini D P– perubahan tekanan, D V/V– perubahan volume relatif. Tanda minus menunjukkan bahwa semakin besar tekanan maka volume semakin kecil.

Besarnya DI DALAM tergantung pada apakah suhu gas berubah selama kompresi atau tidak. Dalam kasus gelombang suara, dapat ditunjukkan bahwa tekanan berubah sangat cepat dan panas yang dilepaskan selama kompresi tidak mempunyai waktu untuk meninggalkan sistem. Dengan demikian, perubahan tekanan pada gelombang suara terjadi tanpa pertukaran panas dengan partikel di sekitarnya. Perubahan ini disebut adiabatik. Telah ditetapkan bahwa kecepatan suara dalam gas hanya bergantung pada suhu. Pada suhu tertentu, kecepatan suara untuk semua gas kira-kira sama. Pada suhu 21,1°C, cepat rambat bunyi di udara kering adalah 344,4 m/s dan meningkat seiring meningkatnya suhu.

Kecepatan dalam zat cair.

Gelombang suara dalam cairan adalah gelombang kompresi-penghalusan, seperti dalam gas. Kecepatan diberikan dengan rumus yang sama. Namun, cairan jauh lebih tidak dapat dikompresi dibandingkan gas, dan oleh karena itu nilainya berkali-kali lipat lebih besar DI DALAM, lebih banyak dan kepadatan R. Cepat rambat bunyi dalam zat cair lebih dekat dengan cepat rambat bunyi pada zat padat dibandingkan dalam gas. Jumlahnya jauh lebih sedikit dibandingkan gas dan bergantung pada suhu. Misalnya kecepatan di air tawar adalah 1460 m/s pada suhu 15,6°C. Di air laut dengan salinitas normal adalah 1504 m/s pada suhu yang sama. Kecepatan suara meningkat seiring dengan meningkatnya suhu air dan konsentrasi garam.

Gelombang berdiri.

Ketika gelombang harmonik tereksitasi dalam ruang terbatas sehingga dipantulkan dari batas, terjadi apa yang disebut gelombang berdiri. Gelombang berdiri merupakan hasil superposisi dua gelombang, yang satu bergerak maju dan satu lagi bergerak berlawanan arah. Pola osilasi yang tidak bergerak dalam ruang muncul dengan antinode dan node bergantian. Di antinode, deviasi partikel yang berosilasi dari posisi kesetimbangannya adalah maksimum, dan di node adalah nol.

Gelombang berdiri dalam tali.

Gelombang transversal muncul pada tali yang diregangkan, dan tali tersebut mengalami perpindahan relatif terhadap posisi aslinya yang lurus. Saat memotret gelombang dalam sebuah string, node dan antinode dari nada dasar dan nada tambahan terlihat jelas.

Gambaran gelombang berdiri sangat memudahkan analisis gerak osilasi tali dengan panjang tertentu. Biarkan ada string yang panjangnya L, diperbaiki di ujungnya. Segala jenis getaran dawai dapat direpresentasikan sebagai kombinasi gelombang berdiri. Karena ujung-ujung dawai tetap, hanya gelombang berdiri yang mungkin mempunyai simpul-simpul pada titik-titik batasnya. Frekuensi getaran senar yang paling rendah berhubungan dengan panjang gelombang maksimum yang mungkin. Karena jarak antar node adalah aku/2, frekuensi minimum bila panjang dawai sama dengan setengah panjang gelombang, yaitu pada aku= 2L. Inilah yang disebut mode dasar getaran dawai. Frekuensi yang sesuai, disebut frekuensi dasar atau nada dasar, diberikan oleh F = ay/2L, Di mana ay– kecepatan rambat gelombang sepanjang dawai.

Ada seluruh rangkaian osilasi frekuensi yang lebih tinggi yang berhubungan dengan gelombang berdiri dengan jumlah node yang lebih banyak. Frekuensi yang lebih tinggi berikutnya, yang disebut harmonik kedua atau nada atas pertama, diberikan oleh

F = ay/L.

Urutan harmonik dinyatakan dengan rumus f = nv/2L, Di mana n= 1, 2, 3, dll. Inilah yang disebut frekuensi alami getaran dawai. Mereka meningkat sebanding dengan jumlah deret natural: harmonik yang lebih tinggi pada 2, 3, 4... dst. kali frekuensi getaran dasar. Rangkaian bunyi ini disebut tangga nada natural atau harmonik.

Semua ini penting dalam akustik musik, yang akan dibahas lebih detail di bawah. Untuk saat ini, mari kita perhatikan bahwa suara yang dihasilkan oleh sebuah string mengandung semua frekuensinya sendiri. Kontribusi relatif masing-masing bergantung pada titik di mana getaran dawai tereksitasi. Jika, misalnya, Anda memetik senar di tengah, frekuensi dasar akan paling tereksitasi, karena titik ini berhubungan dengan antinode. Harmonik kedua tidak akan ada karena simpulnya terletak di tengah. Hal yang sama dapat dikatakan tentang harmonik lainnya ( lihat di bawah Akustik musik).

Cepat rambat gelombang pada tali sama dengan

Di mana T - ketegangan tali, dan r aku – massa per satuan panjang tali. Oleh karena itu, spektrum frekuensi alami string diberikan oleh

Jadi, peningkatan tegangan tali menyebabkan peningkatan frekuensi getaran. Kurangi frekuensi osilasi pada waktu tertentu T Anda dapat mengambil tali yang lebih berat (besar r L) atau menambah panjangnya.

Gelombang berdiri pada pipa organ.

Teori yang dikemukakan terkait tali juga dapat diterapkan pada getaran udara di dalam pipa seperti organ. Pipa organ secara sederhana dapat dipandang sebagai pipa lurus di mana gelombang berdiri tereksitasi. Pipa dapat memiliki ujung tertutup dan terbuka. Antinode gelombang berdiri muncul di ujung terbuka, dan simpul muncul di ujung tertutup. Oleh karena itu, sebuah pipa dengan dua ujung terbuka mempunyai frekuensi dasar sedemikian rupa sehingga setengah panjang gelombangnya pas di sepanjang pipa. Sebuah pipa, yang salah satu ujungnya terbuka dan ujung lainnya tertutup, mempunyai frekuensi dasar dimana seperempat panjang gelombang sesuai dengan panjang pipa. Jadi, frekuensi dasar pipa yang kedua ujungnya terbuka adalah F =ay/2L, dan untuk pipa yang salah satu ujungnya terbuka, f = v/4L(Di mana L– panjang pipa). Dalam kasus pertama, hasilnya sama dengan string: nada tambahannya menjadi dua kali lipat, tiga kali lipat, dll. nilai frekuensi dasar. Namun, untuk pipa yang salah satu ujungnya terbuka, nada tambahannya akan lebih besar dari frekuensi dasar dengan faktor 3, 5, 7, dst. sekali.

Pada Gambar. Gambar 4 dan 5 secara skematis menunjukkan gambar gelombang berdiri dengan frekuensi dasar dan nada atas pertama untuk kedua jenis pipa yang dipertimbangkan. Perpindahan yang ditampilkan di sini adalah perpindahan melintang untuk memudahkan, namun sebenarnya perpindahan tersebut memanjang.

Osilasi resonansi.

Gelombang berdiri erat kaitannya dengan fenomena resonansi. Frekuensi natural yang dibahas di atas juga merupakan frekuensi resonansi string atau pipa organ. Misalkan di dekat ujung terbuka pipa organ, sebuah loudspeaker ditempatkan, memancarkan sinyal dengan satu frekuensi tertentu, yang dapat diubah sesuka hati. Kemudian, bila frekuensi sinyal loudspeaker sesuai dengan frekuensi dasar pipa atau salah satu nada tambahannya, pipa akan berbunyi sangat keras. Hal ini terjadi karena loudspeaker menggairahkan getaran kolom udara dengan amplitudo yang signifikan. Mereka mengatakan bahwa pipa tersebut beresonansi dalam kondisi seperti ini.

Analisis Fourier dan spektrum frekuensi suara.

Dalam prakteknya, gelombang suara dengan frekuensi tunggal jarang terjadi. Namun gelombang suara yang kompleks dapat diuraikan menjadi harmonik. Metode ini disebut analisis Fourier setelah ahli matematika Perancis J. Fourier (1768–1830), yang pertama kali menggunakannya (dalam teori panas).

Grafik energi relatif getaran bunyi versus frekuensi disebut spektrum frekuensi bunyi. Ada dua jenis utama spektrum tersebut: diskrit dan kontinu. Spektrum diskrit terdiri dari garis-garis terpisah untuk frekuensi yang dipisahkan oleh ruang kosong. Spektrum kontinu berisi semua frekuensi dalam pitanya.

Getaran suara berkala.

Getaran bunyi bersifat periodik jika proses osilasi, betapapun rumitnya, berulang setelah selang waktu tertentu. Spektrumnya selalu diskrit dan terdiri dari harmonik dengan frekuensi tertentu. Oleh karena itu istilah "analisis harmonik". Contohnya adalah osilasi persegi panjang (Gbr. 6, A) dengan amplitudo berubah dari +SEBUAH ke - A dan titik T= 1/F. Contoh sederhana lainnya adalah gelombang gigi gergaji segitiga yang ditunjukkan pada Gambar. 6, B. Contoh osilasi periodik dengan bentuk yang lebih kompleks dengan komponen harmonik yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 7.

Bunyi musik merupakan getaran periodik sehingga mengandung harmonik (nada tambahan). Kita telah melihat bahwa dalam sebuah dawai, bersama dengan getaran frekuensi dasar, harmonik lain tereksitasi sampai tingkat tertentu. Kontribusi relatif setiap nada tambahan bergantung pada cara senar dirangsang. Kumpulan nada tambahan sangat ditentukan warnanada suara musik. Masalah-masalah ini dibahas secara lebih rinci di bawah pada bagian akustik musik.

Spektrum pulsa suara.

Jenis bunyi yang umum adalah bunyi yang durasinya pendek: tepuk tangan, ketukan pintu, bunyi benda jatuh ke lantai, bunyi cuckoo cuckoo. Suara-suara seperti itu tidak bersifat periodik atau musikal. Tapi mereka juga bisa didekomposisi menjadi spektrum frekuensi. Dalam hal ini, spektrumnya akan kontinu: untuk mendeskripsikan suara, diperlukan semua frekuensi dalam pita tertentu, yang bisa sangat lebar. Mengetahui spektrum frekuensi ini diperlukan untuk mereproduksi suara tersebut tanpa distorsi, karena sistem elektronik yang bersangkutan harus “melewati” semua frekuensi ini dengan sama baiknya.

Ciri-ciri utama pulsa bunyi dapat diperjelas dengan mempertimbangkan pulsa yang bentuknya sederhana. Misalkan bunyi tersebut merupakan getaran yang durasinya D T, di mana perubahan tekanan seperti ditunjukkan pada Gambar. 8, A. Perkiraan spektrum frekuensi untuk kasus ini ditunjukkan pada Gambar. 8, B. Frekuensi pusat sesuai dengan osilasi yang akan kita alami jika sinyal yang sama diperpanjang tanpa batas.

Panjang spektrum frekuensi disebut bandwidth D F(Gbr. 8, B). Bandwidth adalah perkiraan rentang frekuensi yang diperlukan untuk mereproduksi pulsa asli tanpa distorsi yang berlebihan. Ada hubungan mendasar yang sangat sederhana antara D F dan D T, yaitu

D F D T» 1.

Hubungan ini berlaku untuk semua pulsa suara. Artinya, semakin pendek pulsa, semakin banyak frekuensi yang dikandungnya. Misalkan sonar digunakan untuk mendeteksi kapal selam, memancarkan USG dalam bentuk pulsa yang berlangsung 0,0005 detik dengan frekuensi sinyal 30 kHz. Bandwidthnya adalah 1/0,0005 = 2 kHz, dan frekuensi sebenarnya yang terkandung dalam spektrum pulsa radar berada pada kisaran 29 hingga 31 kHz.

Kebisingan.

Kebisingan mengacu pada suara apa pun yang dihasilkan oleh berbagai sumber yang tidak konsisten. Contohnya adalah suara dedaunan pohon yang tertiup angin. Kebisingan mesin jet disebabkan oleh turbulensi aliran gas buang berkecepatan tinggi. Kebisingan sebagai suara yang mengganggu dipertimbangkan dalam Art. PENCEMARAN AKUSTIK LINGKUNGAN.

Intensitas suara.

Volume suara mungkin berbeda. Tidak sulit untuk membayangkan bahwa hal ini disebabkan oleh energi yang ditransfer oleh gelombang suara. Untuk membuat perbandingan kuantitatif kenyaringan, Anda perlu memperkenalkan konsep intensitas suara. Intensitas gelombang bunyi didefinisikan sebagai rata-rata aliran energi yang melalui suatu satuan luas muka gelombang per satuan waktu. Dengan kata lain, jika kita mengambil satu area (misalnya 1 cm2) yang dapat menyerap bunyi seluruhnya dan menempatkannya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang, maka intensitas bunyi sama dengan energi akustik yang diserap dalam satu detik. Intensitas biasanya dinyatakan dalam W/cm2 (atau W/m2).

Mari kita beri nilai besaran ini untuk beberapa bunyi yang familiar. Amplitudo tekanan berlebih yang terjadi selama percakapan normal kira-kira sepersejuta tekanan atmosfer, yang setara dengan intensitas suara akustik sekitar 10–9 W/cm 2 . Total daya suara yang dihasilkan selama percakapan normal hanya sekitar 0,00001 W. Kemampuan telinga manusia untuk merasakan energi sekecil itu membuktikan kepekaannya yang luar biasa.

Kisaran intensitas bunyi yang ditangkap telinga kita sangat luas. Intensitas suara paling keras yang dapat ditoleransi oleh telinga kira-kira 10 14 kali lebih besar dari intensitas suara minimum yang dapat didengarnya. Kekuatan penuh sumber suara mencakup jangkauan yang sama luasnya. Dengan demikian, daya yang dipancarkan dalam bisikan yang sangat pelan dapat mencapai 10–9 W, sedangkan daya yang dipancarkan oleh mesin jet mencapai 10–5 W. Sekali lagi, intensitasnya berbeda dengan faktor 10 14.

Desibel.

Karena intensitas suara sangat bervariasi, akan lebih mudah untuk menganggapnya sebagai nilai logaritmik dan mengukurnya dalam desibel. Nilai logaritma intensitas adalah logaritma perbandingan antara nilai nilai yang dipertimbangkan dengan nilainya yang diambil sebagai nilai awal. Tingkat intensitas J sehubungan dengan beberapa intensitas yang dipilih secara kondisional J 0 sama

Tingkat intensitas suara = 10 lg ( J/J 0) dB.

Jadi, satu suara yang intensitasnya 20 dB lebih tinggi dibandingkan suara lainnya memiliki intensitas 100 kali lebih keras.

Dalam praktik pengukuran akustik, intensitas suara biasanya dinyatakan melalui amplitudo tekanan berlebih yang sesuai Ulang. Ketika tekanan diukur dalam desibel relatif terhadap tekanan yang dipilih secara sewenang-wenang R 0, yang disebut tingkat tekanan suara diperoleh. Karena intensitas bunyi sebanding dengan besarnya P e 2 , dan lg( P e 2) = 2lg P e, tingkat tekanan suara ditentukan sebagai berikut:

Tingkat tekanan suara = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Tekanan bersyarat R 0 = 2H 10 –5 Pa sesuai dengan ambang batas pendengaran standar untuk suara dengan frekuensi 1 kHz. Dalam tabel Tabel 2 menunjukkan tingkat tekanan suara untuk beberapa sumber suara yang umum. Ini adalah nilai integral yang diperoleh dengan merata-ratakan seluruh rentang frekuensi yang terdengar.

Tabel 2. TINGKAT TEKANAN SUARA KHUSUS
Sumber suara	Tingkat tekanan suara, dB (rel. 2H 10 –5Pa)
Toko stempel
Ruang mesin di kapal
Toko pemintalan dan tenun
Di gerbong kereta bawah tanah
Di dalam mobil saat berkendara di kemacetan
Biro Mesin Ketik
Akuntansi
Kantor
Ruang hidup
Kawasan pemukiman pada malam hari
Studio penyiaran radio

Volume.

Tingkat tekanan suara tidak hanya berhubungan dengan persepsi psikologis terhadap kenyaringan. Faktor pertama bersifat obyektif, dan faktor kedua bersifat subyektif. Eksperimen menunjukkan bahwa persepsi kenyaringan suara tidak hanya bergantung pada intensitas suara, tetapi juga pada frekuensi dan kondisi eksperimennya.

Volume suara yang tidak terikat pada kondisi perbandingan tidak dapat dibandingkan. Meski begitu, perbandingan nada murni tetap menarik. Untuk melakukannya, tentukan tingkat tekanan suara di mana nada tertentu dianggap sama kerasnya dengan nada standar dengan frekuensi 1000 Hz. Pada Gambar. Gambar 9 menunjukkan kurva kenyaringan yang sama yang diperoleh dalam percobaan Fletcher dan Manson. Untuk setiap kurva, tingkat tekanan suara yang sesuai dengan nada standar 1000 Hz ditunjukkan. Misalnya, nada dengan frekuensi 200 Hz memerlukan tingkat suara 60 dB agar terdengar sama kerasnya dengan nada 1000 Hz dengan tingkat tekanan suara 50 dB.

Kurva ini digunakan untuk menentukan latar belakang, satuan tingkat kenyaringan yang juga diukur dalam desibel. Latar belakang adalah tingkat volume suara yang tingkat tekanan suara nada murni standar yang sama kerasnya (1000 Hz) adalah 1 dB. Jadi, suatu bunyi dengan frekuensi 200 Hz pada tingkat 60 dB mempunyai tingkat volume 50 latar belakang.

Kurva bawah pada Gambar. 9 adalah kurva ambang pendengaran telinga yang baik. Kisaran frekuensi yang dapat didengar berkisar antara 20 hingga 20.000 Hz.

Perambatan gelombang suara.

Ibarat ombak dari kerikil yang dilempar ke air yang tenang, gelombang suara merambat ke segala arah. Lebih mudah untuk mengkarakterisasi proses propagasi seperti itu dengan muka gelombang. Muka gelombang adalah suatu permukaan dalam ruang, yang semua titiknya terjadi osilasi dalam fasa yang sama. Muka gelombang dari kerikil yang jatuh ke air berbentuk lingkaran.

Gelombang datar.

Jenis muka gelombang yang paling sederhana adalah datar. Gelombang bidang merambat hanya dalam satu arah dan merupakan idealisasi yang hanya dapat diwujudkan secara kasar dalam praktik. Gelombang bunyi dalam pipa dapat dianggap kira-kira datar, seperti gelombang bola yang terletak sangat jauh dari sumbernya.

Gelombang bulat.

Jenis gelombang sederhana antara lain gelombang dengan muka bulat, memancar dari suatu titik dan merambat ke segala arah. Gelombang seperti itu dapat dibangkitkan dengan menggunakan bola kecil yang berdenyut. Sumber yang menggairahkan gelombang bola disebut sumber titik. Intensitas gelombang tersebut berkurang seiring dengan perambatannya, karena energinya didistribusikan ke dalam bola dengan radius yang semakin besar.

Jika sumber titik yang menciptakan gelombang bola memancarkan kekuatan 4 hal, maka karena luas permukaan bola dengan jari-jari R sama dengan 4 hal 2, intensitas bunyi pada gelombang bola sama dengan

J = Q/R 2 ,

Di mana R– jarak dari sumbernya. Jadi, intensitas gelombang bola berkurang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari sumbernya.

Intensitas gelombang suara selama perambatannya berkurang karena penyerapan suara. Fenomena ini akan dibahas di bawah ini.

Prinsip Huygens.

Prinsip Huygens berlaku untuk perambatan muka gelombang. Untuk mengetahuinya, mari kita perhatikan bentuk muka gelombang yang kita ketahui pada suatu titik waktu. Itu dapat ditemukan bahkan setelah waktu D T, jika setiap titik muka gelombang awal dianggap sebagai sumber gelombang bola dasar yang merambat sepanjang interval ini hingga jarak tertentu ay D T. Selubung dari semua muka gelombang bola dasar ini akan menjadi muka gelombang baru. Prinsip Huygens memungkinkan bentuk muka gelombang ditentukan selama proses propagasi. Dari sini juga dapat disimpulkan bahwa gelombang, baik bidang maupun bola, mempertahankan geometrinya selama perambatan, asalkan mediumnya homogen.

Difraksi suara.

Difraksi adalah pembelokan gelombang di sekitar suatu penghalang. Difraksi dianalisis menggunakan prinsip Huygens. Besarnya pembengkokan ini bergantung pada hubungan antara panjang gelombang dan ukuran penghalang atau lubang. Karena panjang gelombang suara berkali-kali lipat lebih panjang daripada cahaya, difraksi gelombang suara tidak begitu mengejutkan dibandingkan difraksi cahaya. Jadi, Anda bisa berbicara dengan seseorang yang berdiri di sudut gedung, meski dia tidak terlihat. Gelombang suara membelok di suatu sudut dengan mudah, sedangkan cahaya, karena panjang gelombangnya yang pendek, menghasilkan bayangan yang tajam.

Mari kita perhatikan difraksi gelombang suara bidang yang datang pada layar datar padat berlubang. Untuk menentukan bentuk muka gelombang di sisi lain layar, Anda perlu mengetahui hubungan antara panjang gelombang aku dan diameter lubang D. Jika nilai-nilai ini kurang lebih sama atau aku lebih banyak lagi D, maka hasil difraksi lengkap: muka gelombang dari gelombang yang muncul akan berbentuk bola, dan gelombang akan mencapai semua titik di belakang layar. Jika aku agak kurang D, maka gelombang yang muncul akan merambat secara dominan ke arah depan. Dan akhirnya, jika aku apalagi D, maka seluruh energinya akan menyebar dalam garis lurus. Kasus-kasus ini ditunjukkan pada Gambar. 10.

Difraksi juga diamati ketika ada hambatan pada jalur suara. Jika ukuran penghalang jauh lebih besar daripada panjang gelombang, maka suara akan dipantulkan dan zona bayangan akustik terbentuk di belakang penghalang. Ketika ukuran penghalang sebanding atau lebih kecil dari panjang gelombang, suara akan terdifraksi sampai batas tertentu ke segala arah. Hal ini diperhitungkan dalam akustik arsitektur. Misalnya, terkadang dinding suatu bangunan ditutupi dengan proyeksi dengan dimensi sesuai urutan panjang gelombang suara. (Pada frekuensi 100 Hz, panjang gelombang di udara sekitar 3,5 m.) Dalam hal ini, suara yang jatuh di dinding tersebar ke segala arah. Dalam akustik arsitektural, fenomena ini disebut difusi suara.

Refleksi dan transmisi suara.

Ketika gelombang suara merambat dalam satu medium dan menumbuk antarmuka dengan medium lain, tiga proses dapat terjadi secara bersamaan. Gelombang dapat dipantulkan dari suatu antarmuka, dapat merambat ke medium lain tanpa mengubah arah, atau dapat berubah arah pada batasnya, yaitu. membiaskan. Pada Gambar. Gambar 11 menunjukkan kasus paling sederhana ketika gelombang bidang datang tegak lurus terhadap permukaan datar yang memisahkan dua zat berbeda. Jika koefisien refleksi intensitas, yang menentukan fraksi energi yang dipantulkan, adalah sama dengan R, maka koefisien transmisi akan sama dengan T = 1 – R.

Untuk gelombang suara, rasio tekanan berlebih terhadap kecepatan volumetrik osilasi disebut impedansi akustik. Koefisien refleksi dan transmisi bergantung pada rasio impedansi gelombang kedua media; impedansi gelombang, pada gilirannya, sebanding dengan impedansi akustik. Hambatan gelombang gas jauh lebih kecil dibandingkan dengan cairan dan padatan. Oleh karena itu, jika gelombang di udara membentur benda padat tebal atau permukaan air dalam, bunyinya hampir terpantul seluruhnya. Misalnya, untuk antarmuka udara-air rasio impedansi gelombang adalah 0,0003. Dengan demikian, energi bunyi yang merambat dari udara ke air hanya sebesar 0,12% energi datang. Koefisien refleksi dan transmisi bersifat reversibel: koefisien refleksi adalah koefisien transmisi dalam arah yang berlawanan. Dengan demikian, suara praktis tidak menembus baik dari udara ke dalam kolam air, maupun dari bawah air ke luar, hal ini diketahui oleh setiap orang yang pernah berenang di bawah air.

Dalam hal pemantulan yang dibahas di atas, diasumsikan bahwa ketebalan medium kedua pada arah rambat gelombang besar. Namun koefisien transmisi akan jauh lebih besar jika media kedua adalah dinding yang memisahkan dua lingkungan yang identik, seperti partisi kokoh antar ruangan. Faktanya adalah ketebalan dinding biasanya kurang dari panjang gelombang suara atau sebanding dengan itu. Jika tebal dinding merupakan kelipatan setengah panjang gelombang bunyi pada dinding, maka koefisien transmisi gelombang pada datang tegak lurus sangatlah besar. Partisi akan benar-benar transparan terhadap suara pada frekuensi ini jika bukan karena penyerapan, yang kita abaikan di sini. Jika ketebalan dinding jauh lebih kecil daripada panjang gelombang bunyi di dalamnya, maka pantulan selalu kecil dan transmisinya besar, kecuali bila dilakukan tindakan khusus untuk meningkatkan penyerapan bunyi.

Pembiasan suara.

Ketika gelombang suara bidang datang pada suatu sudut pada antarmuka, sudut pantulnya sama dengan sudut datang. Gelombang yang ditransmisikan menyimpang dari arah gelombang datang jika sudut datangnya berbeda dari 90°. Perubahan arah rambat gelombang ini disebut pembiasan. Geometri bias pada batas datar ditunjukkan pada Gambar. 12. Sudut antara arah gelombang dan garis normal permukaan ditunjukkan Q 1 untuk gelombang datang dan Q 2 – untuk masa lalu yang dibiaskan. Hubungan kedua sudut ini hanya mencakup perbandingan cepat rambat bunyi kedua media tersebut. Seperti halnya gelombang cahaya, sudut-sudut ini berhubungan satu sama lain berdasarkan hukum Snell:

Jadi, jika cepat rambat bunyi pada medium kedua lebih kecil dari pada medium pertama, maka sudut biasnya akan lebih kecil dari sudut datangnya, tetapi jika cepat rambat pada medium kedua lebih besar, maka sudut biasnya akan menjadi. lebih besar dari sudut datangnya.

Pembiasan karena gradien suhu.

Jika cepat rambat bunyi dalam medium tak homogen berubah terus menerus dari titik ke titik, maka pembiasannya pun ikut berubah. Karena kecepatan suara di udara dan air bergantung pada suhu, dengan adanya gradien suhu, gelombang suara dapat mengubah arah pergerakannya. Di atmosfer dan lautan, gradien suhu vertikal biasanya diamati karena stratifikasi horizontal. Oleh karena itu, akibat perubahan kecepatan vertikal bunyi yang disebabkan oleh gradien suhu, gelombang bunyi dapat dibelokkan ke atas atau ke bawah.

Pertimbangkan kasus ketika udara di suatu tempat dekat permukaan bumi lebih hangat daripada di lapisan yang lebih tinggi. Kemudian, seiring bertambahnya ketinggian, suhu udara di sini menurun, dan seiring dengan itu kecepatan suara juga menurun. Bunyi yang dipancarkan oleh suatu sumber di dekat permukaan bumi akan merambat ke atas akibat pembiasan. Ini ditunjukkan pada Gambar. 13, yang menunjukkan “sinar” suara.

Pembelokan sinar bunyi ditunjukkan pada Gambar. 13, dijelaskan dalam bentuk umum oleh hukum Snell. Jika melalui Q, seperti sebelumnya, tentukan sudut antara vertikal dan arah radiasi, maka hukum Snell yang digeneralisasikan berbentuk sin Q/ay= const, mengacu pada titik mana pun pada sinar. Jadi, jika sinar melewati suatu daerah dimana kecepatannya ay berkurang, maka sudutnya Q juga harus menurun. Oleh karena itu, sinar bunyi selalu dibelokkan searah dengan penurunan kecepatan bunyi.

Dari Gambar. 13 terlihat adanya suatu daerah yang letaknya agak jauh dari sumber yang tidak dapat ditembus sinar bunyi sama sekali. Inilah yang disebut zona diam.

Sangat mungkin bahwa suatu tempat dengan ketinggian lebih besar dari yang ditunjukkan pada Gambar. 13, karena gradien suhu, kecepatan suara meningkat seiring dengan ketinggian. Dalam hal ini, gelombang suara yang semula dibelokkan ke atas di sini akan dibelokkan ke arah permukaan bumi dalam jarak yang sangat jauh. Hal ini terjadi ketika lapisan pembalikan suhu terbentuk di atmosfer, sehingga memungkinkan untuk menerima sinyal suara jarak sangat jauh. Selain itu, kualitas penerimaan di titik yang jauh bahkan lebih baik daripada di titik terdekat. Ada banyak contoh penerimaan jarak jauh dalam sejarah. Misalnya, selama Perang Dunia Pertama, ketika kondisi atmosfer mendukung pembiasan suara yang sesuai, suara meriam di front Prancis dapat terdengar di Inggris.

Pembiasan bunyi di bawah air.

Pembiasan suara yang disebabkan oleh perubahan suhu vertikal juga diamati di lautan. Jika suhu, dan juga kecepatan suara, menurun seiring dengan kedalaman, sinar suara dibelokkan ke bawah, menghasilkan zona hening seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 13 untuk suasana. Untuk lautan, gambar yang sesuai akan diperoleh jika gambar ini dibalik begitu saja.

Kehadiran zona sunyi membuat kapal selam sulit dideteksi dengan sonar, dan pembiasan, yang membelokkan gelombang suara ke bawah, secara signifikan membatasi jangkauan perambatannya di dekat permukaan. Namun, refraksi ke atas juga teramati. Hal ini dapat menciptakan kondisi yang lebih menguntungkan bagi sonar.

Interferensi gelombang suara.

Superposisi dua gelombang atau lebih disebut interferensi gelombang.

Gelombang berdiri akibat interferensi.

Gelombang berdiri yang dibahas di atas adalah kasus interferensi khusus. Gelombang berdiri terbentuk sebagai hasil superposisi dua gelombang dengan amplitudo, fase dan frekuensi yang sama, yang merambat dalam arah yang berlawanan.

Amplitudo pada antinode gelombang berdiri sama dengan dua kali amplitudo masing-masing gelombang. Karena intensitas suatu gelombang sebanding dengan kuadrat amplitudonya, berarti intensitas di antinode adalah 4 kali intensitas masing-masing gelombang atau 2 kali intensitas total kedua gelombang. Tidak ada pelanggaran hukum kekekalan energi di sini, karena intensitas di titik simpul adalah nol.

Pukulan.

Interferensi gelombang harmonik dengan frekuensi berbeda juga dimungkinkan. Ketika dua frekuensi berbeda sedikit, terjadi apa yang disebut ketukan. Ketukan adalah perubahan amplitudo bunyi yang terjadi pada frekuensi yang sama dengan selisih frekuensi aslinya. Pada Gambar. Gambar 14 menunjukkan osilogram ketukan.

Perlu diingat bahwa frekuensi ketukan adalah frekuensi modulasi amplitudo suara. Pemukulan juga tidak sama dengan perbedaan frekuensi akibat distorsi sinyal harmonik.

Ketukan sering kali digunakan saat menyetel dua nada secara bersamaan. Frekuensinya disesuaikan hingga detaknya tidak terdengar lagi. Sekalipun frekuensi ketukannya sangat kecil, telinga manusia mampu merasakan peningkatan dan penurunan volume suara secara berkala. Oleh karena itu, ketukan adalah metode penyetelan yang sangat sensitif dalam rentang audio. Jika penyetelannya kurang akurat, maka perbedaan frekuensi dapat diketahui dengan telinga dengan menghitung jumlah ketukan dalam satu detik. Dalam musik, ketukan komponen harmonik yang lebih tinggi juga dirasakan oleh telinga, yang digunakan saat menyetel piano.

Penyerapan gelombang suara.

Intensitas gelombang bunyi selama perambatannya selalu berkurang karena sebagian energi akustiknya hilang. Karena proses pertukaran panas, interaksi antarmolekul, dan gesekan internal, gelombang suara diserap dalam media apa pun. Intensitas penyerapan tergantung pada frekuensi gelombang suara dan faktor lain seperti tekanan dan suhu medium.

Penyerapan gelombang dalam suatu medium dicirikan secara kuantitatif oleh koefisien serapannya A. Ini menunjukkan seberapa cepat tekanan berlebih berkurang tergantung pada jarak yang ditempuh gelombang yang merambat. Penurunan amplitudo tekanan berlebih –D Ulang saat melewati jarak D X sebanding dengan amplitudo tekanan berlebih awal Ulang dan jarakD X. Dengan demikian,

-D P e = sebuah P e D X.

Misalnya, bila kita katakan rugi-rugi serapan adalah 1 dB/m, berarti pada jarak 50 m tingkat tekanan bunyi berkurang sebesar 50 dB.

Penyerapan karena gesekan internal dan konduktivitas termal.

Selama pergerakan partikel yang terkait dengan perambatan gelombang suara, gesekan antara partikel medium yang berbeda tidak dapat dihindari. Dalam zat cair dan gas, gesekan ini disebut viskositas. Viskositas, yang menyebabkan konversi energi gelombang akustik menjadi panas yang tidak dapat diubah, merupakan alasan utama penyerapan suara dalam gas dan cairan.

Selain itu, penyerapan gas dan cairan disebabkan oleh hilangnya panas selama kompresi dalam gelombang. Kami telah mengatakan bahwa ketika gelombang lewat, gas dalam fase kompresi memanas. Dalam proses yang berlangsung cepat ini, panas biasanya tidak mempunyai waktu untuk berpindah ke area gas lain atau ke dinding bejana. Namun kenyataannya, proses ini tidak sempurna, dan sebagian energi panas yang dilepaskan meninggalkan sistem. Hal ini terkait dengan penyerapan bunyi akibat konduktivitas termal. Penyerapan ini terjadi pada gelombang kompresi pada gas, cairan dan padatan.

Penyerapan suara, karena viskositas dan konduktivitas termal, umumnya meningkat seiring dengan kuadrat frekuensi. Jadi, suara berfrekuensi tinggi diserap lebih kuat daripada suara berfrekuensi rendah. Misalnya, pada tekanan dan suhu normal, koefisien penyerapan (karena kedua mekanisme tersebut) pada 5 kHz di udara adalah sekitar 3 dB/km. Karena serapan sebanding dengan kuadrat frekuensi, koefisien serapan pada 50 kHz akan menjadi 300 dB/km.

Penyerapan dalam padatan.

Mekanisme penyerapan bunyi akibat konduktivitas termal dan viskositas yang terjadi pada gas dan cairan juga dipertahankan pada padatan. Namun, di sini mekanisme penyerapan baru ditambahkan ke dalamnya. Mereka terkait dengan cacat pada struktur padatan. Faktanya adalah bahan padat polikristalin terdiri dari kristalit kecil; Ketika suara melewatinya, terjadi deformasi, yang menyebabkan penyerapan energi suara. Suara juga tersebar pada batas kristalit. Selain itu, bahkan kristal tunggal pun mengandung cacat seperti dislokasi yang berkontribusi terhadap penyerapan suara. Dislokasi merupakan pelanggaran koordinasi bidang atom. Ketika gelombang suara menggetarkan atom, dislokasi berpindah dan kemudian kembali ke posisi semula, menghilangkan energi akibat gesekan internal.

Penyerapan akibat dislokasi menjelaskan, khususnya, mengapa bel yang terbuat dari timah tidak berbunyi. Timbal merupakan logam lunak yang banyak mengalami dislokasi, sehingga getaran suara di dalamnya meluruh dengan sangat cepat. Tapi akan berbunyi dengan baik jika didinginkan dengan udara cair. Pada suhu rendah, dislokasi “membeku” pada posisi tetap, sehingga tidak bergerak dan tidak mengubah energi suara menjadi panas.

AKUSTIK MUSIK

Suara musik.

Akustik musik mempelajari ciri-ciri bunyi musik, ciri-cirinya yang berkaitan dengan cara kita mempersepsikannya, dan mekanisme bunyi alat musik.

Suara musik, atau nada, adalah suara periodik, yaitu. fluktuasi yang berulang berulang kali setelah jangka waktu tertentu. Telah dikatakan di atas bahwa bunyi periodik dapat direpresentasikan sebagai jumlah osilasi dengan frekuensi yang merupakan kelipatan dari frekuensi dasar. F: 2F, 3F, 4F dll. Telah diketahui juga bahwa getaran senar dan kolom udara menghasilkan suara musik.

Suara musik berbeda dalam tiga hal: volume, nada, dan timbre. Semua indikator ini bersifat subjektif, namun dapat dikaitkan dengan nilai yang terukur. Kenyaringan terutama berkaitan dengan intensitas suara; nada suatu bunyi, yang mencirikan posisinya dalam struktur musik, ditentukan oleh frekuensi nada; timbre yang membedakan satu instrumen atau suara dari yang lain ditandai dengan distribusi energi melintasi harmonik dan perubahan distribusi ini seiring waktu.

Nada suara.

Nada suara musik berkaitan erat dengan frekuensi, tetapi tidak identik dengan frekuensi, karena penilaian nada bersifat subjektif.

Misalnya, telah ditetapkan bahwa penilaian ketinggian suara frekuensi tunggal bergantung pada tingkat volumenya. Dengan peningkatan volume yang signifikan, katakanlah 40 dB, frekuensi nyata dapat berkurang sebesar 10%. Dalam praktiknya, ketergantungan pada kenyaringan ini tidak menjadi masalah, karena suara musik jauh lebih kompleks daripada suara frekuensi tunggal.

Pertanyaan tentang hubungan antara nada dan frekuensi lebih mendasar: jika suara musik terdiri dari harmonik, lalu frekuensi apa yang terkait dengan nada yang dirasakan? Ternyata ini mungkin bukan frekuensi yang sesuai dengan energi maksimum, dan bukan frekuensi terendah dalam spektrum. Misalnya, bunyi musik yang terdiri dari sekumpulan frekuensi 200, 300, 400, dan 500 Hz dianggap sebagai bunyi dengan nada 100 Hz. Artinya, tinggi nada suatu bunyi dikaitkan dengan frekuensi dasar rangkaian harmonik, meskipun frekuensi tersebut tidak termasuk dalam spektrum bunyi. Benar, frekuensi dasar paling sering hadir dalam spektrum sampai tingkat tertentu.

Berbicara tentang hubungan tinggi nada bunyi dengan frekuensinya, kita tidak boleh melupakan ciri-ciri organ pendengaran manusia. Ini adalah penerima akustik khusus yang menimbulkan distorsinya sendiri (belum lagi fakta bahwa ada aspek psikologis dan subjektif dari pendengaran). Telinga mampu mengidentifikasi frekuensi tertentu; selain itu, gelombang suara mengalami distorsi nonlinier di dalamnya. Selektivitas frekuensi disebabkan oleh perbedaan antara kenyaringan suatu suara dan intensitasnya (Gbr. 9). Lebih sulit untuk menjelaskan distorsi nonlinier, yang dinyatakan dalam munculnya frekuensi yang tidak ada pada sinyal aslinya. Ketidaklinieran respon telinga disebabkan oleh asimetri pergerakan berbagai elemennya.

Salah satu ciri khas sistem penerima nonlinier adalah ketika ia dieksitasi oleh suara dengan frekuensi tertentu F 1 nada harmonis tergairahkan di dalamnya 2 F 1 , 3F 1,..., dan dalam beberapa kasus juga subharmonik tipe 1/2 F 1. Selain itu, ketika eksitasi sistem nonlinier dengan dua frekuensi F 1 dan F 2 frekuensi penjumlahan dan perbedaan tereksitasi di dalamnya F 1 + F 2 Dan F 1 - F 2. Semakin besar amplitudo osilasi awal, semakin besar kontribusi frekuensi “ekstra”.

Jadi, karena karakteristik akustik telinga yang nonlinier, frekuensi yang tidak ada dalam suara mungkin muncul. Frekuensi seperti ini disebut nada subyektif. Misalkan bunyi terdiri dari nada-nada murni dengan frekuensi 200 dan 250 Hz. Karena respons yang tidak linier, akan muncul frekuensi tambahan: 250 – 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2¬200 = 400, 2-250 = 500 Hz, dan seterusnya. Bagi pendengar, bunyi tersebut akan tampak seolah-olah terdapat serangkaian kombinasi frekuensi, namun kemunculannya sebenarnya disebabkan oleh respons nonlinier telinga. Ketika bunyi musik terdiri dari frekuensi dasar dan harmoniknya, jelaslah bahwa frekuensi dasar secara efektif diperkuat oleh perbedaan frekuensi.

Benar, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian, frekuensi subjektif hanya muncul ketika amplitudo sinyal asli cukup besar. Oleh karena itu, mungkin saja di masa lalu peran frekuensi subjektif dalam musik dilebih-lebihkan.

Standar musik dan pengukuran nada musik.

Dalam sejarah musik, suara dengan frekuensi berbeda diambil sebagai nada dasar yang menentukan keseluruhan struktur musik. Sekarang frekuensi yang diterima secara umum untuk nada “A” pada oktaf pertama adalah 440 Hz. Namun dulunya bervariasi dari 400 hingga 462 Hz.

Cara tradisional untuk menentukan nada suatu bunyi adalah dengan membandingkannya dengan nada garpu tala standar. Penyimpangan frekuensi suatu bunyi tertentu dari standar dinilai dari adanya ketukan. Garpu tala masih digunakan sampai sekarang, meskipun sekarang ada instrumen yang lebih nyaman untuk menentukan nada suara, seperti generator frekuensi stabil standar (dengan resonator kuarsa), yang dapat disetel dengan lancar di seluruh rentang audio. Benar, kalibrasi akurat perangkat semacam itu cukup sulit.

Metode stroboskopik yang banyak digunakan untuk mengukur nada adalah di mana suara alat musik menentukan frekuensi kedipan lampu stroboskopik. Lampu menerangi pola pada piringan yang berputar pada frekuensi yang diketahui, dan frekuensi dasar nada ditentukan dari frekuensi nyata pergerakan pola pada piringan di bawah pencahayaan stroboskopik.

Telinga sangat sensitif terhadap perubahan nada, namun sensitivitasnya bergantung pada frekuensi. Maksimumnya mendekati ambang batas kemampuan mendengar yang lebih rendah. Bahkan telinga yang tidak terlatih pun dapat mendeteksi perbedaan frekuensi hanya 0,3% dalam rentang 500 hingga 5000 Hz. Sensitivitas dapat ditingkatkan dengan pelatihan. Musisi mempunyai kepekaan nada yang sangat berkembang, namun hal ini tidak selalu membantu dalam menentukan frekuensi nada murni yang dihasilkan oleh osilator referensi. Hal ini menunjukkan bahwa ketika menentukan frekuensi suatu bunyi dengan telinga, timbre-nya memegang peranan penting.

Warnanada.

Timbre mengacu pada fitur suara musik yang memberikan kekhususan unik pada alat musik dan suara, bahkan ketika membandingkan suara dengan nada dan volume yang sama. Bisa dikatakan, ini adalah kualitas suara.

Timbre bergantung pada spektrum frekuensi suara dan perubahannya seiring waktu. Hal ini ditentukan oleh beberapa faktor: distribusi energi pada nada tambahan, frekuensi yang timbul pada saat bunyi muncul atau berhenti (yang disebut nada transisi) dan redamannya, serta lambatnya amplitudo dan modulasi frekuensi bunyi ( “vibrato”).

Intensitas nada berlebih.

Mari kita perhatikan senar yang diregangkan, yang ditarik dengan cara dipetik di bagian tengahnya (Gbr. 15, A). Karena semua harmonik genap memiliki simpul di tengahnya, simpul tersebut tidak akan ada, dan osilasi akan terdiri dari harmonik ganjil dengan frekuensi dasar sama dengan F 1 = ay/2aku, Di mana v – cepat rambat gelombang pada tali, dan aku– panjangnya. Jadi, hanya frekuensi yang akan hadir F 1 , 3F 1 , 5F 1, dll. Amplitudo relatif harmonik ini ditunjukkan pada Gambar. 15, B.

Contoh ini memungkinkan kita menarik kesimpulan umum penting berikut ini. Himpunan harmonik suatu sistem resonansi ditentukan oleh konfigurasinya, dan distribusi energi di antara harmonik bergantung pada metode eksitasi. Ketika sebuah dawai tereksitasi, frekuensi dasar mendominasi di tengahnya dan harmonisa genap ditekan sepenuhnya. Jika senar dipasang di bagian tengahnya dan dipetik di tempat lain, maka frekuensi dasar dan harmonik ganjil akan ditekan.

Semua ini berlaku untuk alat musik terkenal lainnya, walaupun detailnya mungkin sangat bervariasi. Instrumen biasanya memiliki rongga udara, papan suara, atau klakson untuk mengeluarkan suara. Semua ini menentukan struktur nada tambahan dan tampilan forman.

Forman.

Sebagaimana dinyatakan di atas, kualitas suara alat musik bergantung pada distribusi energi di antara harmonik. Ketika nada banyak instrumen, dan terutama suara manusia, berubah, distribusi harmonik berubah sehingga nada dasar selalu berada pada rentang frekuensi yang kira-kira sama, yang disebut rentang forman. Salah satu alasan keberadaan formant adalah penggunaan elemen resonansi untuk memperkuat suara, seperti papan suara dan resonator udara. Lebar resonansi alami biasanya besar, sehingga efisiensi radiasi pada frekuensi yang sesuai lebih tinggi. Untuk alat musik tiup, forman ditentukan oleh bel tempat keluarnya bunyi. Nada tambahan dalam rentang formant selalu ditekankan dengan kuat, karena dipancarkan dengan energi maksimum. Forman sangat menentukan ciri-ciri kualitatif yang khas dari bunyi suatu alat musik atau suara.

Mengubah nada seiring waktu.

Nada instrumen apa pun jarang tetap konstan seiring berjalannya waktu, dan timbre sangat berkaitan dengan hal ini. Bahkan ketika instrumen mempertahankan nada yang panjang, terdapat sedikit modulasi frekuensi dan amplitudo berkala yang memperkaya suara - “vibrato”. Hal ini terutama berlaku untuk instrumen senar seperti biola dan suara manusia.

Pada banyak instrumen, misalnya piano, durasi bunyinya sedemikian rupa sehingga nada konstan tidak punya waktu untuk terbentuk - bunyi yang bersemangat meningkat dengan cepat, dan kemudian dengan cepat meluruh. Karena redaman nada tambahan biasanya disebabkan oleh efek yang bergantung pada frekuensi (seperti radiasi akustik), jelaslah bahwa distribusi nada tambahan berubah sepanjang bunyi nada.

Sifat perubahan nada dari waktu ke waktu (kecepatan naik turunnya bunyi) untuk beberapa instrumen ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 18. Seperti yang mudah dilihat, instrumen senar (yang dipetik dan keyboard) hampir tidak memiliki nada yang konstan. Dalam kasus seperti itu, kita hanya dapat membicarakan spektrum nada tambahan secara kondisional, karena suara berubah dengan cepat seiring waktu. Karakteristik naik turunnya juga merupakan bagian penting dari timbre instrumen tersebut.

Nada transisi.

Komposisi harmonik suatu nada biasanya berubah dengan cepat dalam waktu singkat setelah bunyi tersebut dirangsang. Pada instrumen yang bunyinya dihasilkan dengan memukul senar atau memetik, energi yang diatribusikan pada harmonik yang lebih tinggi (serta banyak komponen non-harmonik) menjadi maksimum segera setelah bunyi dimulai, dan setelah sepersekian detik frekuensi-frekuensi ini mati. keluar. Bunyi seperti itu, yang disebut transisi, memberi warna tertentu pada bunyi instrumen. Dalam piano, hal ini disebabkan oleh aksi palu yang memukul senar. Terkadang alat musik dengan struktur nada yang sama hanya dapat dibedakan berdasarkan nada transisinya.

SUARA ALAT MUSIK

Suara musik dapat dirangsang dan dimodifikasi dengan berbagai cara, itulah sebabnya alat musik hadir dalam berbagai bentuk. Instrumen sebagian besar diciptakan dan ditingkatkan oleh musisi dan pengrajin terampil itu sendiri, tanpa menggunakan teori ilmiah. Oleh karena itu, ilmu akustik tidak dapat menjelaskan, misalnya, mengapa biola memiliki bentuk seperti itu. Namun, sangat mungkin untuk menggambarkan sifat suara biola berdasarkan prinsip umum permainan biola dan desainnya.

Rentang frekuensi suatu instrumen biasanya dipahami sebagai rentang frekuensi nada dasarnya. Suara manusia mencakup kira-kira dua oktaf, dan alat musik mencakup setidaknya tiga oktaf (organ besar mencakup sepuluh). Dalam kebanyakan kasus, nada tambahan meluas hingga ke tepi rentang suara.

Alat musik memiliki tiga bagian utama: elemen getar, mekanisme eksitasi, dan resonator bantu (klakson atau papan suara) untuk komunikasi akustik antara elemen getar dengan udara sekitar.

Bunyi musik bersifat periodik dalam waktu, dan bunyi periodik terdiri dari serangkaian harmonik. Karena frekuensi alami getaran senar dan kolom udara dengan panjang tetap berhubungan secara harmonis satu sama lain, dalam banyak instrumen, elemen getar utama adalah senar dan kolom udara. Dengan beberapa pengecualian (seruling adalah salah satunya), instrumen tidak dapat menghasilkan suara berfrekuensi tunggal. Saat vibrator utama tereksitasi, akan muncul suara yang mengandung nada tambahan. Untuk beberapa vibrator, frekuensi resonansi bukanlah komponen harmonis. Instrumen semacam ini (misalnya drum dan simbal) digunakan dalam musik orkestra untuk ekspresi khusus dan untuk menekankan ritme, tetapi tidak untuk pengembangan melodi.

Instrumen senar.

Senar yang bergetar itu sendiri merupakan pemancar suara yang buruk, oleh karena itu alat musik gesek tersebut harus memiliki resonator tambahan untuk menghasilkan suara dengan intensitas yang nyata. Ini mungkin berupa volume udara tertutup, papan suara, atau kombinasi keduanya. Karakter bunyi suatu alat musik juga ditentukan oleh cara dawainya dirangkai.

Kita telah melihat sebelumnya bahwa frekuensi dasar getaran suatu tali yang panjangnya tetap L diberikan oleh ekspresi

Di mana T adalah gaya tegangan tali, dan r L– massa per satuan panjang tali. Oleh karena itu, kita dapat mengubah frekuensi dengan tiga cara: dengan mengubah panjang, tegangan, atau massa. Banyak instrumen menggunakan sejumlah kecil senar dengan panjang yang sama, yang frekuensi dasarnya ditentukan oleh pemilihan tegangan dan massa yang tepat. Frekuensi lain diperoleh dengan memperpendek panjang senar dengan jari.

Instrumen lain, seperti piano, memiliki salah satu dari banyak senar yang telah disetel sebelumnya untuk setiap nada. Menyetel piano yang rentang frekuensinya besar bukanlah tugas yang mudah, terutama di wilayah frekuensi rendah. Gaya tegangan semua senar piano hampir sama (kira-kira 2 kN), dan variasi frekuensi dicapai dengan mengubah panjang dan ketebalan senar.

Mengaduk alat musik gesek dapat dilakukan dengan cara dipetik (misalnya pada harpa atau banjo), dipukul (pada piano), atau dengan menggunakan busur (pada alat musik keluarga biola). Dalam semua kasus, seperti yang ditunjukkan di atas, jumlah harmonik dan amplitudonya bergantung pada metode eksitasi dawai.

Piano.

Contoh khas instrumen yang dawainya digerakkan dengan cara dipukul adalah piano. Papan suara instrumen yang besar menyediakan berbagai macam formant, sehingga timbre-nya sangat seragam untuk setiap nada yang bersemangat. Forman utama mencapai puncaknya pada frekuensi sekitar 400–500 Hz, dan pada frekuensi yang lebih rendah nadanya sangat kaya akan harmonik, dengan amplitudo frekuensi dasar lebih kecil dibandingkan beberapa nada tambahan. Dalam piano, palu pada semua senar kecuali senar terpendek dipukul pada titik 1/7 panjang senar dari salah satu ujungnya. Hal ini biasanya dijelaskan oleh fakta bahwa dalam kasus ini harmonik ketujuh, yang disonan terhadap frekuensi dasar, ditekan secara signifikan. Namun karena lebar palu yang terbatas, harmonik lain yang terletak di dekat ketujuh juga ditekan.

Keluarga biola.

Dalam keluarga instrumen biola, suara panjang dihasilkan oleh busur, yang dengannya gaya penggerak variabel diterapkan pada senar, mempertahankan getaran senar. Di bawah aksi busur yang bergerak, tali ditarik ke samping karena gesekan hingga putus karena peningkatan gaya tegangan. Kembali ke posisi awal, dia kembali terbawa oleh haluan. Proses ini diulangi sehingga gaya eksternal periodik bekerja pada tali.

Berdasarkan pertambahan ukuran dan penurunan rentang frekuensi, alat musik gesek utama disusun sebagai berikut: biola, viola, cello, double bass. Spektrum frekuensi instrumen ini sangat kaya akan nada tambahan, yang tidak diragukan lagi memberikan kehangatan dan ekspresi khusus pada suaranya. Dalam keluarga biola, senar yang bergetar secara akustik terhubung ke rongga udara dan badan instrumen, yang terutama menentukan struktur formant, yang menempati rentang frekuensi yang sangat luas. Perwakilan besar dari keluarga biola memiliki seperangkat forman yang bergeser ke wilayah frekuensi rendah. Oleh karena itu, nada yang sama yang dimainkan pada dua instrumen dari keluarga biola memperoleh warna timbre yang berbeda karena perbedaan struktur nada tambahan.

Biola memiliki resonansi yang jelas mendekati 500 Hz, karena bentuk tubuhnya. Saat nada yang frekuensinya mendekati nilai ini dimainkan, suara getar yang tidak diinginkan yang disebut "nada serigala" dapat terjadi. Rongga udara di dalam badan biola juga memiliki frekuensi resonansi tersendiri, yang utama terletak di sekitar 400 Hz. Karena bentuknya yang istimewa, biola mempunyai banyak resonansi yang jaraknya berdekatan. Semuanya, kecuali nada serigala, tidak terlalu menonjol dalam keseluruhan spektrum suara yang diekstraksi.

Alat musik tiup.

Alat musik tiup kayu.

Getaran alami udara dalam pipa silinder dengan panjang terbatas telah dibahas sebelumnya. Frekuensi natural membentuk rangkaian harmonik yang frekuensi dasarnya berbanding terbalik dengan panjang pipa. Suara musik pada alat musik tiup muncul karena eksitasi resonansi kolom udara.

Getaran udara tereksitasi baik oleh getaran aliran udara yang jatuh pada tepi tajam dinding resonator, atau oleh getaran permukaan fleksibel buluh dalam aliran udara. Dalam kedua kasus tersebut, perubahan tekanan berkala terjadi di area lokal pada laras alat.

Metode eksitasi yang pertama didasarkan pada munculnya “nada tepi”. Ketika aliran udara keluar dari celah yang dipecah oleh penghalang berbentuk baji dengan ujung yang tajam, vortisitas muncul secara berkala, pertama di satu sisi, lalu di sisi lain dari irisan tersebut. Semakin tinggi kecepatan aliran udara, semakin besar frekuensi pembentukannya. Jika alat tersebut dipasangkan secara akustik ke kolom udara yang beresonansi, maka frekuensi nada tepi “ditangkap” oleh frekuensi resonansi kolom udara, yaitu. frekuensi pembentukan pusaran ditentukan oleh kolom udara. Dalam kondisi seperti itu, frekuensi dasar kolom udara tereksitasi hanya ketika kecepatan aliran udara melebihi nilai minimum tertentu. Dalam rentang kecepatan tertentu yang melebihi nilai ini, frekuensi nada tepi sama dengan frekuensi dasar ini. Pada kecepatan aliran udara yang lebih tinggi (mendekati kecepatan di mana frekuensi tepi, jika tidak ada koneksi dengan resonator, akan sama dengan harmonik kedua resonator), frekuensi tepi berlipat ganda secara tiba-tiba dan tinggi nada nada yang dipancarkan oleh seluruh sistem satu oktaf lebih tinggi. Ini disebut berlebihan.

Nada tepi menggairahkan kolom udara pada instrumen seperti organ, seruling, dan pikolo. Saat memainkan seruling, pemain menggairahkan nada tepi dengan meniup dari samping ke dalam lubang samping di dekat salah satu ujungnya. Nada satu oktaf, dari D ke atas, dihasilkan dengan mengubah panjang efektif laras, membuka lubang samping, dengan nada tepi normal. Oktaf yang lebih tinggi diperoleh dengan cara overblowing.

Cara lain untuk membangkitkan bunyi alat musik tiup adalah dengan menginterupsi aliran udara secara berkala dengan buluh yang berosilasi, yang disebut buluh, karena terbuat dari buluh. Metode ini digunakan pada berbagai alat musik tiup kayu dan kuningan. Ada pilihan dengan buluh tunggal (seperti, misalnya, pada instrumen jenis klarinet, saksofon, dan akordeon) dan dengan buluh ganda simetris (seperti, misalnya, pada oboe dan bassoon). Dalam kedua kasus tersebut, proses osilasinya sama: udara dihembuskan melalui celah sempit, di mana tekanannya berkurang sesuai dengan hukum Bernoulli. Tongkat ditarik ke dalam celah dan menutupnya. Jika tidak ada aliran, tongkat elastis menjadi lurus dan prosesnya berulang.

Pada alat musik tiup, pemilihan nada suatu tangga nada, seperti pada seruling, dilakukan dengan membuka lubang samping dan meniup.

Berbeda dengan terompet yang kedua ujungnya terbuka, yang mempunyai nada tambahan yang lengkap, terompet yang terbuka hanya pada salah satu ujungnya hanya mempunyai harmonik ganjil ( cm. lebih tinggi). Ini adalah konfigurasi klarinet, dan oleh karena itu harmoniknya diekspresikan dengan lemah. Overblowing pada klarinet terjadi pada frekuensi 3 kali lebih tinggi dari frekuensi utama.

Di oboe, harmonik kedua cukup intens. Ini berbeda dari klarinet karena lubang larasnya berbentuk kerucut, sedangkan pada klarinet, penampang lubangnya konstan di sebagian besar panjangnya. Frekuensi getaran dalam tong berbentuk kerucut lebih sulit dihitung dibandingkan dalam pipa silinder, namun masih terdapat nada tambahan yang lengkap. Dalam hal ini, frekuensi getaran pipa berbentuk kerucut yang ujung sempitnya tertutup sama dengan frekuensi getaran pipa silinder yang kedua ujungnya terbuka.

Instrumen kuningan.

Alat musik tiup, termasuk terompet, terompet, cornet-a-piston, trombone, terompet, dan tuba, digerakkan oleh bibir, yang bila dipadukan dengan corong berbentuk khusus, serupa dengan aksi buluh ganda. Tekanan udara saat suara menarik jauh lebih tinggi di sini dibandingkan di alat musik tiup kayu. Angin kuningan biasanya memiliki tong logam dengan bagian silinder dan kerucut, diakhiri dengan lonceng. Bagian-bagian tersebut dipilih untuk memberikan spektrum harmonik penuh. Panjang total laras berkisar antara 1,8 m untuk pipa hingga 5,5 m untuk tabung. Tabung disekrup menjadi bentuk siput untuk kemudahan penanganan, bukan karena alasan akustik.

Dengan panjang laras yang tetap, pemain hanya memiliki nada-nada yang ditentukan oleh frekuensi alami laras (dan frekuensi dasar biasanya “tidak dapat dipetik”), dan harmonik yang lebih tinggi dihasilkan dengan meningkatkan tekanan udara di corong. Jadi, pada terompet dengan panjang tetap Anda hanya dapat memainkan beberapa nada (harmonik kedua, ketiga, keempat, kelima dan keenam). Pada instrumen kuningan lainnya, frekuensi yang terletak di antara harmonik diambil dengan mengubah panjang laras. Trombone unik dalam hal ini, panjang larasnya diatur oleh gerakan mulus dari perosotan berbentuk U yang dapat ditarik. Pemilihan nada dari seluruh tangga nada disediakan oleh tujuh posisi slide yang berbeda dengan perubahan nada tambahan yang bersemangat dari laras. Pada instrumen kuningan lainnya, hal ini dicapai dengan memperpanjang keseluruhan panjang laras secara efektif dengan menggunakan tiga saluran samping dengan panjang berbeda dan dalam kombinasi berbeda. Ini menghasilkan tujuh panjang barel yang berbeda. Seperti pada trombon, nada-nada seluruh tangga nada dipukul oleh rangkaian nada tambahan berbeda yang menarik sesuai dengan panjang tujuh barel ini.

Nada semua instrumen kuningan kaya akan harmonik. Hal ini terutama disebabkan oleh adanya bel, yang meningkatkan efisiensi radiasi suara pada frekuensi tinggi. Terompet dan terompet dirancang untuk memainkan harmonik yang jauh lebih luas daripada terompet. Bagian terompet tunggal dalam karya I. Bach memuat banyak bagian pada oktaf keempat berturut-turut, mencapai harmonik ke-21 alat musik ini.

Instrumen perkusi.

Instrumen perkusi dibuat berbunyi dengan cara memukul badan instrumen dan dengan demikian membangkitkan getaran bebasnya. Instrumen semacam itu berbeda dengan piano, yang getarannya juga dibangkitkan oleh benturan, dalam dua hal: badan yang bergetar tidak menghasilkan nada tambahan yang harmonis dan dapat mengeluarkan suara sendiri tanpa resonator tambahan. Alat musik perkusi antara lain gendang, simbal, gambang, dan segitiga.

Getaran benda padat jauh lebih kompleks dibandingkan dengan resonator udara yang bentuknya sama, karena jenis getaran pada benda padat lebih banyak. Dengan demikian, gelombang kompresi, lentur dan torsi dapat merambat sepanjang batang logam. Oleh karena itu, batang silinder memiliki lebih banyak mode getaran dan frekuensi resonansi daripada kolom udara silinder. Selain itu, frekuensi resonansi tersebut tidak membentuk rangkaian harmonik. Gambang menggunakan getaran lentur batangan padat. Perbandingan nada atas batang gambang yang bergetar dengan frekuensi dasar adalah: 2,76, 5,4, 8,9, dan 13,3.

Garpu tala adalah batang melengkung yang berosilasi, dan mode getaran utamanya terjadi ketika kedua lengan secara bersamaan mendekat atau menjauh satu sama lain. Garpu tala tidak mempunyai rangkaian nada tambahan yang harmonis, dan hanya frekuensi fundamentalnya yang digunakan. Frekuensi nada atas pertama lebih dari 6 kali frekuensi dasar.

Contoh lain dari benda padat yang berosilasi yang menghasilkan suara musik adalah bel. Ukuran lonceng dapat bervariasi - dari lonceng kecil hingga lonceng gereja yang beratnya banyak. Semakin besar belnya, semakin rendah bunyinya. Bentuk dan ciri-ciri lonceng lainnya telah mengalami banyak perubahan selama evolusinya selama berabad-abad. Sangat sedikit perusahaan yang terlibat dalam produksinya, yang membutuhkan keterampilan tinggi.

Rangkaian nada tambahan awal sebuah lonceng tidak harmonis, dan rasio nada tambahannya tidak sama untuk lonceng yang berbeda. Misalnya, untuk satu bel besar, rasio nada atas terhadap frekuensi dasar yang diukur adalah 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97, dan 5,33. Namun distribusi energi di antara nada-nada tambahan berubah dengan cepat segera setelah bel dibunyikan, dan bentuk bel tampaknya dipilih sedemikian rupa sehingga frekuensi-frekuensi dominan berhubungan satu sama lain secara harmonis. Nada bel tidak ditentukan oleh frekuensi dasar, tetapi oleh nada dominan segera setelah dibunyikan. Ini kira-kira sama dengan nada tambahan kelima dari bel. Setelah beberapa waktu, nada tambahan yang lebih rendah mulai mendominasi bunyi bel.

Dalam drum, elemen osilasi adalah membran kulit, biasanya berbentuk bulat, yang dapat dianggap sebagai analogi dua dimensi dari tali yang diregangkan. Dalam musik, drum tidak sepenting senar karena rentang frekuensi alaminya tidak harmonis. Pengecualiannya adalah timpani, yang membrannya direntangkan di atas resonator udara. Urutan nada tambahan pada drum dapat dibuat harmonis dengan memvariasikan ketebalan head dalam arah radial. Contoh dari drum seperti itu adalah tabla, digunakan dalam musik klasik India.

Artikel utama: Gelombang akustik permukaan dalam piezoelektrik

Gelombang akustik permukaan dalam piezoelektrik (media linier) sepenuhnya dicirikan oleh persamaan perpindahan kamu saya dan potensi φ:

Di mana T, S- tensor tegangan dan regangan; E, D- vektor kuat medan listrik dan induksi; C, e, ε - masing-masing tensor modulus elastis, modulus piezoelektrik, dan konstanta dielektrik; ρ adalah massa jenis medium.

Gelombang elastik merambat sepanjang batas bebas suatu zat padat atau sepanjang batas zat padat dengan media lain

Animasi

Keterangan

Keberadaan gelombang permukaan (SW) merupakan akibat interaksi gelombang elastis memanjang dan (atau) transversal ketika gelombang tersebut dipantulkan dari batas datar antara media yang berbeda pada kondisi batas tertentu untuk komponen perpindahan. PV dalam benda padat terdiri dari dua kelas: dengan polarisasi vertikal, di mana vektor perpindahan getaran partikel medium terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap permukaan batas, dan dengan polarisasi horizontal, di mana vektor perpindahan partikel medium berada. medium sejajar dengan permukaan batas.

Kasus khusus PV yang paling umum adalah sebagai berikut.

1) Gelombang Rayleigh (atau gelombang Rayleigh), merambat sepanjang batas benda padat dengan ruang hampa atau media gas yang cukup dijernihkan. Energi gelombang ini terlokalisasi pada lapisan permukaan dengan ketebalan l sampai 2l, dimana l adalah panjang gelombang. Partikel dalam gelombang Rayleigh bergerak sepanjang elips, sumbu semi mayor w tegak lurus terhadap batas, dan sumbu semi minor u sejajar dengan arah rambat gelombang (Gbr. 1a).

Gelombang Rayleigh elastis permukaan pada batas bebas benda padat

Sebutan:

Kecepatan fase gelombang Rayleigh cR » 0,9ct, dimana ct adalah kecepatan fase gelombang transversal bidang.

2) Gelombang teredam tipe Rayleigh pada batas benda padat dengan zat cair, dengan syarat kecepatan fasa dalam zat cair adalah cL< сR в твердом теле (что справедливо почти для всех реальных сред). Эта волна непрерывно излучает энергию в жидкость, образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну (рис. 1б).

Gelombang teredam elastis permukaan tipe Rayleigh pada batas benda padat dan zat cair

Sebutan:

x adalah arah rambat gelombang;

kamu,w - komponen perpindahan partikel;

kurva menggambarkan perkembangan perubahan amplitudo perpindahan terhadap jarak dari batas;

garis miring adalah bagian depan gelombang keluar.

Kecepatan fase gelombang ini sama dengan cR dengan akurasi persen, dan koefisien atenuasi pada panjang gelombang al ~ 0,1. Distribusi kedalaman perpindahan dan tegangan sama seperti pada gelombang Rayleigh.

3) Gelombang kontinu dengan polarisasi vertikal, merambat sepanjang batas zat cair dan zat padat dengan kecepatan kurang dari cL (dan, karenanya, lebih kecil dari kecepatan gelombang memanjang dan transversal dalam zat padat). Struktur PV ini sangat berbeda dengan gelombang Rayleigh. Ini terdiri dari gelombang yang sangat tidak homogen dalam cairan, yang amplitudonya perlahan berkurang seiring dengan jarak dari batas, dan dua gelombang longitudinal dan transversal yang sangat tidak homogen dalam zat padat (Gbr. 1c).

PV tidak teredam pada antarmuka padat-cair

Sebutan:

x adalah arah rambat gelombang;

kamu,w - komponen perpindahan partikel;

kurva menggambarkan perkembangan perubahan amplitudo perpindahan dengan jarak dari batas.

Energi gelombang dan pergerakan partikel terlokalisasi terutama di dalam cairan.

4) Gelombang Stoneley merambat sepanjang batas datar dua media padat yang modulus elastisitas dan massa jenisnya tidak jauh berbeda. Gelombang seperti itu (Gbr. 1d) seolah-olah terdiri dari dua gelombang Rayleigh - satu di setiap medium.

Permukaan gelombang Stoneley elastis pada antarmuka dua media padat

Sebutan:

x adalah arah rambat gelombang;

kamu,w - komponen perpindahan partikel;

kurva menggambarkan perkembangan perubahan amplitudo perpindahan dengan jarak dari batas.

Komponen perpindahan vertikal dan horizontal pada setiap medium berkurang seiring dengan bertambahnya jarak dari batas sehingga energi gelombang terkonsentrasi pada dua lapisan batas dengan ketebalan ~ l. Kecepatan fase gelombang Stoneley lebih kecil dari nilai kecepatan fase gelombang longitudinal dan transversal pada kedua media yang berdekatan.

5) Gelombang cinta - SW dengan polarisasi horizontal, yang dapat merambat pada batas setengah ruang padat dengan lapisan padat (Gbr. 1e).

Gelombang Cinta elastis permukaan pada batas "setengah ruang padat - lapisan padat"

Sebutan:

x adalah arah rambat gelombang;

kurva menggambarkan perkembangan perubahan amplitudo perpindahan dengan jarak dari batas.

Gelombang ini murni transversal: hanya mempunyai satu komponen perpindahan v, dan deformasi elastis pada gelombang Love adalah geser murni. Perpindahan pada lapisan (indeks 1) dan setengah ruang (indeks 2) dijelaskan dengan ekspresi:

v1 = (A¤cos(s1h)) cos(s1(h - z))sin(wt - kx);

v2 = AChexp(s2 z) sin(wt - kx),

dimana t adalah waktu;

w - frekuensi melingkar;

s1 = (kt12 - k2)1/2;

s2 = (k2 - kt22)1/2;

k adalah bilangan gelombang gelombang Cinta;

kt1, kt2 masing-masing adalah bilangan gelombang gelombang transversal pada lapisan dan setengah ruang;

h - ketebalan lapisan;

A adalah konstanta sembarang.

Dari ekspresi v1 dan v2 jelas bahwa perpindahan pada lapisan terdistribusi sepanjang kosinus, dan dalam ruang setengah perpindahan tersebut berkurang secara eksponensial terhadap kedalaman. Gelombang cinta dicirikan oleh dispersi kecepatan. Pada ketebalan lapisan yang kecil, kecepatan fase gelombang Love cenderung terhadap kecepatan fase gelombang transversal massal di setengah ruang. Ketika wh¤ct2 >>1 Gelombang cinta ada dalam bentuk beberapa modifikasi, yang masing-masing berhubungan dengan gelombang normal dengan urutan tertentu.

Gelombang pada permukaan bebas suatu zat cair atau pada antarmuka antara dua zat cair yang tidak dapat bercampur juga dianggap sebagai gelombang gelombang. PV semacam itu muncul di bawah pengaruh pengaruh eksternal, misalnya angin, yang menghilangkan permukaan cairan dari keadaan setimbang. Namun dalam kasus ini, gelombang elastis tidak mungkin ada. Tergantung pada sifat gaya pemulih, 3 jenis PV dibedakan: gravitasi, terutama disebabkan oleh gravitasi; kapiler, terutama disebabkan oleh gaya tegangan permukaan; gravitasi-kapiler (lihat deskripsi FE “Gelombang permukaan dalam cairan”).

Karakteristik waktu

Waktu inisiasi (log ke -3 hingga -1);

Seumur hidup (log tc dari -1 hingga 3);

Waktu degradasi (log td dari -1 ke 1);

Waktu pengembangan optimal (log tk dari 0 hingga 1).

Diagram:

Gelombang Rayleigh dapat diperoleh pada permukaan bebas benda padat yang cukup luas (batas padat-udara). Untuk melakukan ini, pemancar gelombang elastis (membujur, melintang) ditempatkan pada permukaan benda (Gbr. 2), meskipun, pada prinsipnya, sumber gelombang juga dapat ditempatkan di dalam medium pada kedalaman tertentu (gempa bumi model sumber).

Generasi gelombang Rayleigh pada batas bebas benda padat

Menerapkan efek

Karena PV seismik melemah terhadap jarak, PV, terutama Rayleigh dan Love, digunakan dalam geofisika untuk menentukan struktur kerak bumi. Dalam deteksi cacat ultrasonik, PV digunakan untuk pengujian non-destruktif komprehensif pada permukaan dan lapisan permukaan sampel. Dalam acoustoelectronics (AE), dengan menggunakan PV, dimungkinkan untuk membuat sirkuit mikroelektronik untuk memproses sinyal listrik. Keuntungan PV pada perangkat AE adalah kerugian konversi yang rendah selama eksitasi dan penerimaan PV, ketersediaan muka gelombang, yang memungkinkan Anda menangkap sinyal dan mengontrol perambatan gelombang di titik mana pun dalam pipa suara, dll.

Contoh perangkat AE pada PV: resonator (Gbr. 3).

Struktur resonansi pada gelombang akustik permukaan

Sebutan:

1 - konverter;

2 - sistem reflektor (elektroda atau alur logam).

Faktor kualitas hingga 104, kerugian rendah (kurang dari 5 dB), rentang frekuensi 30 - 1000 MHz. Prinsip operasi. PV berdiri dibuat antara reflektor 2, yang dihasilkan dan diterima oleh konverter 1.

Animasi

Keterangan

Gelombang seismik elastis (SE) yang timbul akibat adanya gangguan pada kerak bumi (sumber gempa, ledakan), mempunyai beberapa jenis (Gbr. 1).

Sifat perpindahan partikel medium pada gelombang seismik berbagai jenis

Sebutan:

P - gelombang Cinta memanjang;

S - gelombang Cinta melintang;

L - Cinta gelombang permukaan.

Berdasarkan sifat jalur rambatnya, SW dibagi menjadi volumetrik dan permukaan. Pada gilirannya, gelombang tubuh dibagi menjadi memanjang (gelombang P) dan melintang (gelombang S). Gelombang permukaan timbul sebagai akibat interaksi gelombang benda dengan permukaan bumi atau batas seismik (misalnya lapisan – setengah ruang, dan lain-lain); Jenis gelombang permukaan yang paling umum adalah gelombang Rayleigh dan gelombang Love.

Gelombang tubuh merambat ke seluruh ketebalan bumi, kecuali inti bumi, yang tidak memancarkan gelombang transversal (oleh karena itu, inti bumi diyakini berada dalam keadaan cair). Gelombang P berhubungan dengan perubahan volume dan merambat dengan kecepatan:

VP = [(l + 2m) /r]1/2,

dimana l adalah modulus kompresi;

m - modulus geser;

r adalah kepadatan medium.

Cepat rambat gelombang transversal yang tidak berhubungan dengan perubahan volume adalah:

Pergerakan partikel pada gelombang S terjadi pada bidang yang tegak lurus arah rambat gelombang. Dalam model Bumi simetris bola, sinar yang merambatkan gelombang terletak pada bidang vertikal. Komponen perpindahan pada gelombang S pada bidang ini dilambangkan SV, komponen horizontal - SH.

Beberapa cangkang bumi mempunyai anisotropi elastis; dalam hal ini gelombang transversal terbagi menjadi dua gelombang dengan polarisasi dan kecepatan yang berbeda. Sifat-sifat interior bumi berubah secara vertikal dan horizontal. Oleh karena itu, dalam proses perambatannya, gelombang benda mengalami pemantulan, pembiasan, pertukaran (pengubahan P menjadi S dan sebaliknya), difraksi dan hamburan. Akibatnya, rekaman seismogram SW pada jarak yang jauh dari sumber terpecah menjadi beberapa paket atau fase gelombang (Gbr. 2).

Seismogram tipikal

Identifikasi fase dan penentuan koordinat sumber dilakukan dengan menggunakan seperangkat tabel standar (hodograf) yang menentukan waktu tempuh gelombang sebagai fungsi dari jarak dan kedalaman sumber.

Gelombang permukaan terbentuk sebagai hasil interferensi gelombang tubuh dan merambat di lapisan atas bumi, yang ketebalan efektifnya bergantung pada panjang gelombang. Ciri khas gelombang permukaan adalah dispersi kecepatan. Gelombang Rayleigh dan Love berbeda dalam kecepatan rambat dan polarisasi osilasi partikel dalam medium. Lintasan partikel dalam gelombang Rayleigh mempunyai komponen SV dan vertikal. Gelombang cinta mempunyai polarisasi SH.

Spektrum frekuensi getaran seismik berkisar antara ratusan Hz hingga ~3*10-4 Hz. SW frekuensi tinggi (di urutan ratusan Hz) hanya dapat direkam pada jarak pendek dari sumbernya. Di wilayah frekuensi rendah (dengan periode ratusan detik atau lebih), SW memperoleh karakter osilasi bumi sendiri, yang dibagi menjadi spheroidal, dengan polarisasi gelombang Rayleigh, dan torsional, dengan polarisasi Gelombang cinta. Spektrum getaran bola dan torsi Bumi yang diketahui saat ini mengandung beberapa ribu frekuensi alami.

Karakteristik waktu

Waktu inisiasi (log ke -3 hingga 3);

Seumur hidup (log tc dari 1 hingga 5);

Waktu degradasi (log td dari -1 hingga 3);

Waktu pengembangan optimal (log tk dari 1 hingga 3).

Diagram:

Implementasi teknis dari efeknya

Implementasi teknis dari efeknya

Pembangkitan SW dapat dilakukan dengan menggunakan ledakan. Tergantung pada kekuatan yang terakhir, dimungkinkan untuk mendaftarkan berbagai jenis bahan peledak pada jarak yang berbeda dari titik ledakan. Dengan demikian, gelombang ledakan dahsyat, termasuk ledakan nuklir, melewati seluruh cangkang bumi dan bahkan inti bumi (hanya gelombang P), yang memungkinkan penggunaan ledakan tersebut untuk mempelajari struktur internal bumi.

Menerapkan efek

Berdasarkan sifat perambatan gelombang seismik yang berbagai jenisnya, seseorang dapat memperoleh informasi tentang struktur internal bumi, khususnya tentang endapan mineral. Gelombang permukaan yang merambat dalam jarak jauh dengan redaman yang relatif rendah memiliki sifat dispersi kecepatan; Struktur internal kerak bumi ditentukan dari ketergantungan dispersi gelombang Rayleigh (hingga kedalaman urutan panjang gelombang). Metode gelombang pantulan dan bias digunakan dalam eksplorasi seismik berbagai mineral.

ELEMEN AKUSTIK

Gelombang elastik yang merambat di udara dengan frekuensi 20 sampai 20.000 Hz, sampai ke telinga manusia, menimbulkan sensasi bunyi. Oleh karena itu, gelombang elastik dalam medium apa pun yang mempunyai frekuensi 20 sampai 20.000 Hz disebut gelombang bunyi (akustik), atau sekadar bunyi. Akustik merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari ciri-ciri perambatan bunyi pada berbagai media. Gelombang bunyi dalam gas dan cairan hanya dapat bersifat longitudinal. Ini adalah gelombang kompresi dan perluasan lingkungan. Gelombang suara longitudinal dan transversal merambat dalam benda padat.

Gelombang suara yang dirasakan oleh telinga manusia bervariasi dalam tinggi, warna suara dan volume.

Bunyi nyata apa pun bukanlah getaran harmonik sederhana, tetapi merupakan superposisi getaran harmonik dengan serangkaian frekuensi berbeda. Himpunan frekuensi yang diamati pada suatu bunyi disebut spektrum akustik. Jika bunyi mengandung getaran semua frekuensi dalam interval tertentu dari sampai , spektrumnya disebut kontinu (Gbr. 2.13a). Jika spektrum terdiri dari nilai-nilai frekuensi diskrit (yaitu nilai-nilai tersebut dipisahkan satu sama lain oleh suatu interval), maka disebut garis (Gbr. 2.13 b). Sumbu absis menunjukkan frekuensi getaran, dan sumbu ordinat menunjukkan intensitas.

Kebisingan mempunyai spektrum akustik yang kontinyu. Osilasi dengan spektrum garis menimbulkan sensasi bunyi dengan nada tertentu. Suara ini disebut nada. Nada suara tonal ditentukan oleh frekuensi fundamental terendah (pada Gambar 2.13.b). Intensitas relatif nada tambahan (dll.) menentukan warna atau timbre suara.

Gelombang elastis dalam gas adalah rangkaian daerah kompresi dan penghalusan gas yang merambat di ruang angkasa. Oleh karena itu, tekanan pada setiap titik dalam ruang mengalami penyimpangan yang bervariasi secara periodik dari nilai rata-ratanya R, bertepatan dengan tekanan yang ada di dalam gas tanpa perambatan gelombang. Jadi, nilai tekanan sesaat pada suatu titik tertentu dalam ruang dapat direpresentasikan sebagai: .

Perhatikan gelombang suara yang merambat sepanjang sumbu X. Mari kita pilih volume gas yang berbentuk silinder dengan tinggi dan luas alas S(Gbr. 2.14). Massa gas yang terkandung dalam volume ini adalah , dimana massa jenis gas yang tidak terganggu oleh gelombang. Karena kecilnya, percepatan di semua titik silinder dapat dianggap sama dan setara. Gaya yang bekerja pada volume yang ditinjau sama dengan hasil kali luas alas silinder S pada perbedaan tekanan di bagian dan: .

Persamaan dinamika volume yang dipilih menurut hukum kedua Newton berbentuk: , atau

Untuk menyelesaikan persamaan ini, kita mencari hubungan antara tekanan gas dan perubahan relatif volumenya. Hubungan ini tergantung pada proses kompresi atau pemuaian gas. Dalam gelombang suara, kompresi dan penghalusan gas sering terjadi satu sama lain sehingga area medium yang berdekatan tidak punya waktu untuk bertukar panas, dan prosesnya dapat dianggap adiabatik. Maka hubungan antara tekanan dan volume suatu massa gas berbentuk: , atau , dengan γ adalah eksponen adiabatik, sama dengan rasio kapasitas panas gas dalam proses isobarik dan isokorik. Setelah transformasi kita dapatkan. Mengingat hal itu, mari kita kembangkan fungsinya menjadi sebuah rangkaian: Kemudian kita mendapatkan ekspresi , dari sini

Perbedaan. Oleh karena itu, nilai γ berada pada orde kesatuan, dan kondisi fisik berarti bahwa deviasi tekanan jauh lebih kecil daripada tekanan itu sendiri. Membedakan ekspresi (2.49) terhadap X, kita temukan , dan persamaan (2.48) berbentuk: . Ini adalah persamaan gelombang. Maka cepat rambat gelombang bunyi dalam gas adalah. Mengganti ekspresi kepadatan dari persamaan Mendeleev – Clapeyron, kita memperoleh: , dimana μ adalah massa molar gas. Jadi, cepat rambat bunyi dalam suatu gas bergantung pada suhu dan sifat gas tersebut (massa molar dan eksponen adiabatik). Dalam hal ini, kecepatan suara tidak bergantung pada frekuensinya, mis. gelombang bunyi tidak mengalami dispersi.

Intensitas gelombang bunyi dipahami sebagai nilai rata-rata rapat energi volumetrik gelombang. Intensitas minimum yang menimbulkan sensasi bunyi disebut ambang pendengaran. Ini bervariasi dari orang ke orang dan bergantung pada frekuensi suara. Pada intensitas tinggi, gelombang tersebut tidak lagi dirasakan sebagai suara dan hanya menimbulkan rasa sakit pada telinga. Intensitas terjadinya nyeri disebut ambang nyeri. Tingkat volume didefinisikan sebagai logaritma rasio intensitas suara tertentu dengan intensitas suara yang diambil sebagai aslinya: . Intensitas awal diasumsikan sama dengan , karena ambang pendengaran pada frekuensi sekitar 100 Hz terletak pada tingkat nol (). Satuan ukurannya adalah bel, satuannya 10 kali lebih kecil, desibel (db). Nilai tingkat volume dalam desibel. Gelombang suara menimbulkan sensasi pendengaran di telinga manusia pada tingkat volume 0 hingga 130 dB.

Mari kita temukan hubungan antara intensitas gelombang suara dan amplitudo tekanan.

Intensitas gelombang sama dengan kerapatan fluks energi rata-rata: , dimana adalah kerapatan gas yang tidak terganggu, A– amplitudo osilasi partikel, – frekuensi, – kecepatan fase gelombang. Perpindahan partikel medium berubah menurut hukum: . Kemudian . Mengingat itu , kita mendapatkan: . Jadi, amplitudo osilasi partikel medium berhubungan dengan amplitudo perubahan tekanan melalui hubungan: . Kemudian intensitas6

Benda apa pun yang bergerak dalam lingkungan material menimbulkan gelombang divergen di dalamnya. Pesawat terbang, misalnya, mempengaruhi molekul udara di atmosfer. Dari setiap titik di ruang angkasa tempat pesawat baru saja terbang, gelombang akustik mulai menyebar ke segala arah dengan kecepatan yang sama, sesuai dengan hukum perambatan gelombang di udara. Dengan demikian, setiap titik lintasan suatu benda dalam medium (dalam hal ini pesawat terbang) menjadi sumber gelombang tersendiri yang mempunyai muka bola.

Ketika sebuah pesawat bergerak dengan kecepatan subsonik, gelombang akustik ini merambat seperti lingkaran konsentris biasa melintasi air, dan kita mendengar suara gemuruh pesawat yang lewat. Jika pesawat terbang dengan kecepatan supersonik, sumber dari setiap gelombang berikutnya dipindahkan sepanjang lintasan pesawat pada jarak yang melebihi jarak yang berhasil dijangkau oleh bagian depan gelombang akustik sebelumnya pada saat itu. Dengan demikian, gelombang-gelombang tersebut tidak lagi menyimpang dalam lingkaran konsentris, bagian depannya berpotongan dan saling diperkuat sebagai akibat dari resonansi yang terjadi pada suatu garis yang berarah sudut lancip ke belakang terhadap lintasan geraknya. Dan ini terjadi terus menerus sepanjang penerbangan dengan kecepatan supersonik, akibatnya pesawat meninggalkan jejak gelombang resonansi yang menyimpang di sepanjang permukaan kerucut di bagian atas tempat pesawat berada. Kekuatan suara di bagian depan berbentuk kerucut ini jauh lebih besar daripada suara normal yang dihasilkan oleh pesawat terbang di udara, dan bagian depan ini sendiri disebut gelombang kejut. Gelombang kejut, yang merambat dalam suatu medium, mempunyai efek yang tajam dan terkadang merusak pada benda-benda material yang ditemui di sepanjang jalurnya. Ketika sebuah pesawat supersonik terbang di dekatnya, ketika bagian depan gelombang kejut yang berbentuk kerucut mencapai Anda, Anda akan mendengar dan merasakan ledakan yang tajam dan kuat, mirip dengan ledakan - ledakan sonik superposisi gelombang akustik: dalam sekejap Anda mendengar semua kebisingan total yang dikeluarkan oleh pesawat dalam jangka waktu yang cukup lama.

Kerucut muka gelombang kejut disebut kerucut Mach. Sudut φ antara generatrices kerucut Mach dan sumbunya ditentukan dengan rumus: sin φ=,

dimana υ adalah cepat rambat bunyi dalam medium, Dan- kecepatan pesawat. Perbandingan cepat lambatnya suatu benda bergerak dengan cepat rambat bunyi dalam medium disebut bilangan Mach: M = Dan/υ (masing-masing, sin φ = 1/M) Sangat mudah untuk melihat bahwa sebuah pesawat terbang dengan kecepatan suara memiliki M = 1, dan pada kecepatan supersonik bilangan Mach lebih besar dari 1.

Gelombang kejut muncul tidak hanya di akustik. Misalnya, jika sebuah partikel elementer bergerak dalam suatu medium dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya dalam medium tersebut, maka akan muncul gelombang kejut cahaya (radiasi Cerenkov). Dengan menggunakan radiasi ini, partikel elementer diidentifikasi dan kecepatan pergerakannya ditentukan.

gelombang akustik

Deskripsi alternatif

Fenomena fisik yang disebabkan oleh getaran partikel udara

Gerak osilasi partikel-partikel medium elastis

Benda apa yang bergerak di udara dengan kecepatan 330m/s?

Apa yang didengar akan dirasakan oleh telinga

Pembunuh Diam

Akustik, audio

Gelombang dengan kecepatan 330 m/s

Gelombang yang mencapai telingamu

Gelombang dirasakan oleh telinga

Dirasakan oleh telinga

Semua yang terdengar

Vokal atau konsonan

Itu diukur dalam desibel

Kami melihatnya melalui pendengaran

Telinga mendengarnya

Mixer mencampurnya

Telinga menangkapnya

Informasi untuk telinga

Getaran udara

M. segala sesuatu yang didengar telinga, yang sampai ke telinga. tua sampah, batu bekas, sampah. Untuk membunyikan, membunyikan, membuat, membuat senandung, membunyikan, berdering. Piano ini terdengar sangat bagus. Bunyikan paku keling. Senarnya berbunyi, berbunyi, hanya berbunyi, berbunyi dan terdiam, tidak berbunyi. Itu akan terdengar lagi. Dia terdengar bosan padaku. Kedengarannya Rabu. kondisi menurut kata kerja. Bunyi, berkaitan dengan bunyi. Getaran suara, gelombang. Bunyinya nyaring, nyaring, nyaring, menggelegar, nyaring, berisik. Kemerduan g. keadaan benda yang nyaring, atau sifat benda yang berbunyi. Hukum yang sehat, ilmu yang sehat, ilmu yang sehat lih. akustik, ilmu bunyi, bagian dari fisika. Sound meter adalah proyektil untuk mengukur suara atau jumlah getaran suatu benda yang berbunyi. Suasana hati yang baik Rabu. oke, suasana suaranya. Onomatopoeia lih. tindakan seseorang yang meniru bunyi apa pun: kemiripan suatu kata, ucapan, ucapan, suara dengan bunyi lain. Guntur, berderak, bersiul, kata-kata onomatopoeik. Kesesuaian suara lih. kesepakatan, korespondensi, keselarasan suara bersama

Penggali kubur film bisu

Objek kajian fonetik

Dasar "Z" dalam USG

bergema

Naikkan, jika tidak, Anda tidak akan mendengarnya

Produk hasil kerja keras para pembicara

Berasal dari speaker

Menggiling

Apa yang kita dengar dengan telinga kita

Apa yang didengar telinga

Apa yang didengar

Apa yang ditangkap telinga

Pembunuh Diam

Telinganya mendengarnya

Mengartikulasikan unsur tuturan

Yang pertama kali muncul di film "Don Juan" (USA, 1926)

Apa yang direkam oleh fonograf?

Apa yang diekstraksi dari string?

Apa yang dikatakan mikrofon?

Apa yang didengar telinga?

Apa yang didengar telinga kita?

Apa yang menguatkan megafon?

Gemerisik atau mengaum

Gemerisik, berderak atau ketukan

Subyek studi fonetik

Gerak osilasi partikel-partikel medium elastis

Apa yang didengar akan dirasakan oleh telinga

Fenomena fisik yang dirasakan oleh pendengaran

Naikkan, jika tidak, Anda tidak akan mendengarnya

Apa yang pertama kali muncul di film Don Juan (AS, 1926)?

Apa yang direkam oleh fonograf?

Apa yang diekstraksi dari string?

Objek Kajian Akustik

Apa yang diukur dalam desibel?

Apa yang dipelajari akustik?

Diperkuat oleh megafon

Gemerisik dan mengaum

Apa yang dipelajari oleh ahli akustik?

Gelombang akustik

Gelombang dengan frekuensi 1000 Hertz

Memecah kesunyian

Apa yang kita dengar

Gelombang untuk telinga

Apa yang dikatakan mikrofon?

Apa yang diperkuat oleh megafon?

Dasar “Z” dalam USG

Apa yang didengar telinga?

Apa yang menguatkan megafon?

Gelombang ditangkap oleh telinga

Apa yang didengar telinga kita?