Ääni - Kandidaattikustannus

Transcription

Ääni - Kandidaattikustannus
Ääni
Tomi
Aaltoliikkeen tyypit (kertausta)
1. Poikittainen aaltoliike
–
–
väliaineen osaset värähtelevät kohtisuorassa
aaltoliikkeen etenemissuuntaan nähden. Esiintyy
vain kiinteissä aineissa
esim. aaltojen tekeminen narulla, valo
2. Pitkittäinen aaltoliike
–
–
väliaineen osaset värähtelevät etenemissuunnassa;
nesteille ja kaasuilla puhutaan paineaalloista
esim. ääni
Ääni
• Ääni on mekaanista, pitkittäistä aaltoliikettä, joka
taajuus on ihmisen kuuloalueella 16 Hz – 20
kHz
• Ääni etenee ilman tiheyden vaihteluna
• Aine ei etene, vain värähtely ja siihen liittyvä
energia etenevät
• Äänen synnyttäjä on yleensä värähtelevä
kappale
• Äänen korkeuden määrää äänen lähde,
tarkemmin sen värähtelytaajuus - mitä
korkeampi taajuus f, sitä korkeampi ääni
kuullaan.
Äänen nopeus
• Äänen nopeus ilmassa on 343 m/s
• Perusyhtälö:

v   f 
T
– Taajuus säilyy, mutta aallonpituus muuttuu
• Äänennopeuksia eri aineissa:
Ilma 0°C
Ilma 20°C
Vesi
Lasi
Teräs
331 m/s
343 m/s
1480 m/s
4000 m/s
5100 m/s
Ääni - kappaleen värähtelyistä
aistimukseksi
• Kappaleen värähtely synnyttää ilmaan painevaihteluita,
jotka ulkokorvan, tärykalvon ja välikorvan kautta välittyvät
nesteen painevaihteluiksi sisäkorvan simpukkaan
•
Simpukassa erikorkuiset äänet etenevät
eri pituisen matkan, jolloin eri kohdassa
Cortin elintä olevat kuuloreseptoreina
toimivat karvasolut ärsyyntyvät ja
stimuloivat kuulohermoa , joka vie
tiedon ärsytyksestä aivojen
kuuloalueelle
Resonanssi
• Kun ulkoinen voima vaikuttaa kappaleen
ominaistaajuudella, kappale alkaa värähdellä ja
värähtelyn amplitudi ja energia kasvavat.
• Resonanssiin perustuu:
– tärykalvon värähtelyn alkaminen ääniaallon
seurauksena
– auton tai bussin tärinä esim. liikennevaloissa
– vauhdin antaminen keinuvalle lapselle
Äänen huojunta s. 259
• ilmiö, joka syntyy kahden melkein samanlaisen ääniaallon
interferoidessa.
• Huojuntataajuus
fhuojunta  f1  f2
• Ääni on voimakkaimmillaan hetkinä, joina ääniaallot ovat
tärykalvon kohdalla samassa vaiheessa
• Kun hitaampi värähtely on puoli jaksonaikaa jäljessä,
ääniaallon ovat vastakkaisessa vaiheessa ja kuultu ääni on
heikoimmillaan.
Interferenssi - huojunta
Intensiteetti
• Intensiteetti on aikayksikössä tietyn pinnan läpi kulkeneen
energian määrä eli teho pinta-alaa kohti
• Pätee äänelle sekä sm-säteilylle
P
I
A
P W

yksikkö :  I  
 2
 A m
Intensiteetti ja matka
• Äänienergia leviää äänilähteestä (esim. opettaja)
pallomaisesti joka suuntaan, jolloin energia säilyy ja
leviää pallopinnalle A=4πr2.
P
P
I
A

4 r 2
• Verrataan kahta intensiteettejä etäisyyksillä r1 ja r2:
P
1
I1
4 r
r
r2  r2 


 2  
1 2 r1
I2 P
r1 

2
4 r2
r2
2
1
2
1
2
2
eli
I1  r2 
 
I 2  r1 
2
Äänen intensiteetti
• Ääni on mekaanista värähtelyä, joten siihen liittyy
energiaa
• Ihminen kuulee äänen vielä, kun sen intensiteetti eli teho
pinta-alayksikköä kohti on
I 0  10
12
W
m
2
– tämä intensiteetti on siis kuulokynnysarvo silloin, kun
äänen taajuus f=1000 Hz
Intensiteetti ja matka (ei lukiotavaraa)
•
Pitkillä etäisyyksillä on otettava huomioon äänienergian
absorpoituminen väliaineeseen eli aineeseen, jossa ääni kulkee.
•
Absorbtiolaki
äänenvaimennuskerroin
- riippuu aineesta
lopullinen äänen
intensiteetti
I  I0  e
 ax
äänen alkuperäinen
intensiteetti
äänen
väliaineessa
kulkema matka
Intensiteettitaso
• Intensiteettitasoa käytetään kuvaamaan äänen
voimakkuutta
– kuvaa korvan toimintaa paremmin kuin pelkkä äänen
energia
– äänien intensiteettien vaihtelu valtava
äänen
desibelimäärä eli
intensiteettitaso,
yksikkö 1 desibeli
eli 1 dB
I
  10 lg
I0
tarkkailtavan äänen
intensiteetti
kuulokynnyksen
intensiteetti I0=10-12 W/m2,
kun f=1000 Hz
Äänen intensiteettitasojen
laskeminen
• Logaritmilaskusääntöjen hallitseminen tärkeää:
a y  x  log a x  y
log( xy )  log x  log y
x
log  log x  log y
y
log x r  r  log x
Merkitsemistapoja :
log10 x  lg x
log e x  ln x
esimerkkejä :
log 3 81  4 eli 34  81
7
log10 (1, 75)  log10  log10 7  log10 4   0,243 
4
log10 (4 x)  log10 4  log10 x
log10 4 x  x  log10 4
Intensiteetillä laskeminen
• äänilähteiden intensiteetit lasketaan
yhteen
I koko  I1  I 2  I 3  I 4  ...
• Intensiteetti ja desibelit

I
  10 lg  I  I 0 *1010
I0
Esim.
Laske kuinka kovan äänen Kalle kuulee kun
hänen kaksi vaimoaan huutavat hänelle
102 dB voimakkuudella
Doppler-ilmiö
• Ilmiö, jossa kuultavan äänen taajuus ja täten korkeus
muuttuu, koska kuulija ja äänilähde liikkuvat toistensa
suhteen.
• Doppler-ilmiötä käytetään mm. nopeusmittauksessa
(poliisin tutkat) ja ultraäänikuvauksessa.
v
Doppler-ilmiön laskukaavat
• Havaittu äänen
taajuus muuttuu
riippuen äänilähteen
ja havainnoijan
liikkeestä
– Esim. ambulanssin
äänen muuttuminen
sen ajaessa ohi
Äänen nopeus
ilmassa
f kuulija
f lähde (v  vkuulija )

v  vlähde
Äänen nopeus
ilmassa
Esim.
• Laske kuinka korkean äänen Kalle kuulee kun
hän juoksee nopeudella 5,2 m/s kohti
ambulanssia, joka ajaa häntä kohti nopeudella
130 km/h sireenit ulvoen taajuudella 12000 Hz.

Similar documents