Kasutaja:Tiuks/Füüsika

Ajutine

Helilaine

Võnkumiste levimist nimetatakse laineks. Helilaineks ehk kuuldavaks heliks ehk lihtsalt heliks nimetatakse elastses keskkonnas levivaid mehhaanilisi võnkumisi, mille sagedus asub vahemikus 16 Hz–20 000 Hz. Helilained levivad vedelikes ja tahketes kehades niisama hästi kui gaasides (näiteks õhus). Helilainete levikut piirab üks oluline tingimus: heli edasikandumiseks peab alati olema mingi keskkond. Vaakumis heli levida ei saa, sest seal puudub elastne keskkond, mis võnkumist edasi kannaks.

Heli kui võnkumine

Võnkumine on korduv (näiteks edasi-tagasi) liikumine mingi keskasendi ümber. Kõige lihtsamat korrapärast lihtvõnkumist iseloomustab sinusoid.

Füüsikalised suurused:

λ - lainepikkus (m)
T - võnkeperiood (s)
v - võnkumise levimiskiirus (m/s)
f - võnkesagedus (Hz)

Laine põhiparameeter on sagedus (f), keskkonna omadused määravad lainete levikiiruse (v) ning alles nende kahe parameetri kaudu saab leida lainepikkuse (λ).

Lainepikkus = heli kiirus × võnkeperiood

λ = v × T

Lainepikkuseks (λ) nimetatakse kaugust, mille laine läbib ühe perioodi jooksul. Mõõtühik on meeter (m).

Heli levimise kiirus ehk heli kiirus ei sõltu sagedusest, vaid ainult keskkonnast ja välistingimustest (temperatuur, rõhk).

Mida tihedam on keskkond, seda suurem on heli levimiskiirus:

õhus on 344 m/s
vees 1500 m/s
terases 5100 m/s

temperatuuri tõustes 1 °C võrra kasvab heli kiirus õhus u 0,5 m/s võrra.

Võnkeperiood, lainepikkus ja võnkesagedus

Aega, mille vältel võnkuv keha sooritab ühe täisvõnke nimetatakse võnkeperioodiks. Võnkeperioodi (s.o. täisvõnke ajalist pikkust) või selle osa mõõdetakse sekundites. Helilaine arvutamisel kasutatakse võnkeperioodi asemel lainepikkust.

Võnkesagedus on võngete arv sekundis ja selle mõõtühik on herts (Hz). Võnkeperiood (või lainepikkus) ja võnkesagedus on pöördvõrdelised suurused. Helisageduste suhte (vahemiku ehk intervalli) s.o. helisagedusi võrdleva mõõtühikuna kasutatakse oktavit või selle osi. Kasutatavaim on oktavi jaotamine 12 osaks nn. pooltoonideks. Pooltoon jaotatakse 100 osaks ehk tsendiks (C). Tsent on sajandik. 1C = 1/100 pooltooni = 1/1200 oktavit. Ühe oktavi puhul on sageduste suhe 2:1, kahe oktavi puhul 4:1 jne. Seega sagedusi võrdlev mõõtühik on logaritmiline. Heliallika võnkesagedus sõltub tema massist (keele pikkusest, jämedusest ja pingutusest).

Amplituud ja detsibell

Maksimaalset võnke ulatust ehk hälvet (võnkuva keha kõrvalekallet keskasendist) nimetatakse amplituudiks (ladina keeles ampitudo - laius, ulatus, suurus). Amplituudis avaldub võnkumise intensiivsus. Heliallika amplituud ehk intensiivsus sõltub temasse salvestatud energiast (löögi, tõmbe, hõõrdumise või puhumise tugevusest).

Helienergiat mõõdetakse džaulides (J)
Helivõimsust vattides (W)
Heliintensiivsust vattides ruutmeetri kohta (W/m²)
Helirõhku njuutonites ruutmeetri kohta (N/m²)

Heliintensiivsuste, -rõhkude või -võimsuste võrdlev mõõtühik, mis väljendab nende suhet (vahemikku ehk intervalli) on bell (B) või detsibell (dB).

1B = 10dB, 1dB = 0,1B

Bell vastab sellisele võimsuste suhtele, mille kümnendlogaritm on 1. Näiteks intensiivsuse muutumine 10, 100, 1000 korda = 1,2,3 B = 10, 20, 30 dB. Detsibell on logaritmiline mõõtühik, mis võrdleb mõõdetavat taset ehk nivood kokkuleppelise nullnivoo suhtes. Kokkuleppeliseks nullnivooks on valitud minimaalne helirõhk sagedusel 1000Hz, mis veel tekitab kuulmisaistingu.

Heli levimise protsess

Helilained, jõudnud kõrva kuulmekäiku, panevad võnkuma trummikile. Edasi keskkõrva, milles paiknevad kolm kuulmeluukest – vasar, alas ja jalus. Jalus annab helivõnked edasi sisekõrva. Sisekõrvas asub tigu, kus toimub helivõngete muundamine närviimpulssideks. Kuulmisnärvi kaudu jõuab peaaju kuuldekeskusesse ning tekib kuulmisaisting. Füüsikaline heli muutub psüühiliseks heliks. Heliprotsess koosneb kolmest faasist:

Heliallikas ehk saatja
Elastne keskkond
Kõrv

Muusikalist heli võib laiemalt defineerida kui mehaanilist võnkumist, mis elastses keskkonnas (gaasilises, vedelas või tahkes aines) levides tekitab kuulmiselundis helitaju.

Mõisted

Aine, mis kannab heli nimetatakse keskkonnaks ja heli kiirus sõltub keskkonna tihedusest.

Heli on õhu või muu meediumi võnkumine, mis saab põhjustada kuulmisnärvide kaudu aistingu.

Hääl on kõris tekitatav ja suus kuuldavale toodav heli.
Akustiline signaal on andmeid kandvast helist koosnev signaal.
Kõne on hääle mustrid vaadeldavas loomulikus keeles või selliseid mustreid simuleerivad akustilised signaalid.

Võnkumine

Selliseid võnkumisi, kus taastav jõud on võrdeline hälbega, nimetatakse harmoonilisteks võnkumisteks ja sellist süsteemi harmooniliseks ostsillaatoriks.

Harmoonilise ostsillatori liikumisvõrrand:

d²x/dt² +k/m x = 0

See on diferentsiaalvõrrand. Selle võrrandi lahend määrab ära, kuidas võnkuva keha hälve oleneb ajast.

Lahendiks on siinus- või koosinusfunktsioon x = A sin ωt

ω = 2πf = 2π/T

Harmoonilised võnkumised on igasugused võnkumised kui võnkeamplituud on väike. Harmooniliseks võib lugeda nii matemaatilise pendli, kui elektroni võnkumist võnkeringis, nii pillikeele kui iooni võnkumist võresõlmes. Harmooniliselt võnguvad ka elektri- ja magnetväli valguslaines.

Laine

Laine on võnkumiste levimine. Lainet põhjustab võnkeallika võnkumine. Kui võnkeallikas võngub harmooniliselt, siis on ka tekkiv laine harmooniline, ehk teisiti öeldes, laine profiiliks on sinusoid. Laineid saab tekitada ka gaasis, näiteks õhus. Laineallikaks on sel juhul heliallikas, mis paneb õhuosakesed võnkuma. Tekkivad õhu tiheduse muutused hakkavad ruumis levima lainena. Kui heliallikas võngub harmooniliselt, siis on ka tekkiv laine harmooniline.

Harmoonilise lainega saab kirjeldada ka valgust. Valguslaines muutuvad sinusoidaalselt nii elektri kui magnetväli. Nende võnkumised toimuvad teineteisega ristsuundades ja kanduvad ruumis edasi, moodustades valguslaine.

laine põhitunnuseks on energia edasikandmine. Näiteks helilaine kannab edasi helienergiat (muidu me ei kuuleks heli), valguslaine kannab edasi valgusenergiat (muidu me ei näeks valgust).

Helilaine

Helilaine on pikilaine, mis seisneb õhu perioodilises tihenemises ja hõrenemises, mis levib ruumis. Heli poolt tekitatavat rõhkude vahet nimetatakse helirõhuks ja heli poolt ajaühikus läbi laine levimise suunaga risti oleva pinnaühiku kantavat energiat energiatiheduseks ehk (füüsikaliseks) helitugevuseks. Kuulmisaistingu tekitab õhus või vees leviva elastsuslaine poolt kuulmekilele avaldatav rõhk. Kuuldepiirkonda piirab madalate energiate poolt kõrva tundlikkus ja kõrgete poolt valulävi, millest suurema rõhu toimel tekib valuaisting.

Mehaanika

Kui elastse tahke keha mingis punktis (näit. välispinna mingil väikesel pinnatükil) tekitada lokaalne deformatsioon, siis hakkab see levima igas suunas. Lokaalselt deformeeritud ruumalas olevad molekulid mõjutavad naabreid, need oma naabreid jne. Deformatsiooninähtuse levimise kiirust nimetatakse helikiiruseks v_h.

Hüdromehaanika

Vedelikel ja gaasidel puudub kujuelastsus, nihkedeformatsioonil ei teki elastseid tangentsiaalpingeid; on aga olemas ruumelastsus – kokkusurumisel tekib igal mõeldaval keskkonnaosade lahutuspinnal aine sisse suunatud normaalpinge – rõhu - muutus, mis on võrdeline ruumala suhtelise muutusega: Δp=-K ΔV/V . K on ruumelastsuse tegur