GARSAS, ULTRAGARSAS IR INFRAGARSAS
Garso prigimtis. Garso bangos.Garso šaltinis visada yra koks nors virpantis kūnas, sukeliantis aplinkoje mechanines bangas. Pasiekusios žmogaus ausį, tos bangos sukelia jos viduje būgnelio priverstinius virpesius, ir žmogus junta tą garsą. Mechaninės bangos, sukeliančios žmogui garso pojūtį, vadinamos garso bangomis. Oru sklindančią garso bangą sudaro dalelių sutankėjimai ir praretėjimai – ji yra išilginė. Suprantama, žmogus gali girdėti garsą tik tuo atveju, kai tarp garso šaltinio ir jo ausies yra aplinka, kuria gali sklisti garso bangos. Beorė erdvė neperduoda garso. Tyrinėjant garso reiškinius, buvo nustatyta, kad anaiptol ne visos mechaninės bangos sukelio žmogui garso pojūtį: garso bangos yra tik tos, kurių svyravimo dažnis – nuo 16 iki 20000Hz. Įvairiems žmonėms apatinė ir viršutinė girdimų dažnių ribos gali šiek tiek skirtis. Vadinasi, žmogus girdi garsą, jeigu tenkinamos keturios sąlygos: 1.yra garso šaltinis;2.tarp ausies ir garso šaltinio yra tampri aplinka;3.garso šaltinis virpa nuo 16 iki 20000Hz dažniu;4.garso bangų galingumo užtenka garso pojūčiui sukelti;Garso greitis. Dažniausiai žmogui garso pojūtį sukelia bangos, sklindančios oru, todėl išsiaiškinsime, kaip buvo nustatytas garso plitimo oru greitis. Visi žinome, kad audros metu pirmiau pamatome žaibo tvyksnį, o po to išgirstame griaustinį. Taip yra todėl, kad šviesa sklinda šimtus kartų greičiau už garsą. Garsas sklinda oru 00C temperatūroje 332m/s greičiu, o kylant temperatūrai, jo greitis didėja. Garso greitis, kaip ir bet kokių bangų sklidimo greitis, apskritai, priklauso nuo aplinkos ir išorinių sąlygų. Pavyzdžiui, vandenyje garso greitis yra 1450 m/s, pliene – 5000 m/s.Garsumas ir garso intensyvumas.Įvairūs girdimi garsai sukelia mums kokybiškai skirtingus pojūčius. Dažnai tie skirtumai būna subjektyvūs – įvairūs žmonės skirtingai suvokia tą patį garsą. Pavyzdžiui, vienam žmogui tas pats garsas atrodo garsus, o kitam – tylus.
Garso intensyvumą matuojame energija, kurią perneša garso bangos per laiko vienetą pro statmeno jų sklidimo krypčiai paviršiaus ploto vienetą.Bangų pernešama energija, kaip žinome, yra proporcinga jų amplitudės kvadratui ir dažnio kvadratui. Todėl ir garso intensyvumas yra tiesiog proporcingas garso bangoje vykstančių svyravimų amplitudės kvadratui bei dažnio kvadratui.Kai iš garso šaltinio sklinda sferinės bangos, garso intensyvumas yra atvirkščiai proporcingas atstumo nuo garso šaltinio iki imtuvo kvadratui,.Žinoma, kad garsumas didėja, didėjant garso virpesių amplitudei;tolstant nuo garso šaltinio, jis mažėja. Bandymais nustatyta, kad jokioms kitoms garso savybėms svyravimo amplitudė neturi įtakos.Žmogaus ausis nepaprastai jautri. Mažiausią garso intensyvumą, kuriam esant jau girdimas garsas, vadiname girdimumo slenksčiu. J is priklauso nuo virpesių dažnio. Pavyzdžiui, 2000Hz dažnio garso signalo girdimumo aslenkstis yra 2·10-12 J/(m2·s). Mažesnių dažnių garsų girdimumo slenkstį atitinka gerokai didesnis intensyvumas.Tono aukštis ir garso tembras.Dar vienas garso požymis, kurį skiria žmogaus ausis, yra tono aukštis. Pavyzdžiui, lengvai atskiriame uodo zyzimą nuo kamanės zvimbimo ir sakome, kad skrendančio uodo garsas yra aukšto tono , o kamanės žemo.Garsas, atitinkantis vieno dažnio virpesius, vadinamas tonu. Garso požymis, kurį lemia virpesių dažnis, vadinamas tono aukščiu. Sakoma, kad didesnio dažnio virpesius atitinka aukštesnis tonas. Kartais tono aukštį patogiau apibūdinti oru sklindančių garso bangų ilgiu. Iš tikrųjų, pritaikę formulę 00 C temperatūros orui, gausime: l=332 m/s :n.Matome, kad aukštesnį toną atitinka trumpesnė banga. Apibūdinant tono aukštį bangos ilgiu, reikia atsiminti, kad pastarasis priklauso dar ir nuo aplinkos. Todėl skirtingose aplinkose tą patį toną atitinka skiringo ilgio bangos: jo ilgesnės toje aplinkoje, kurioje didesnis garso bangų greitis. Dažnai susiduriame su sudėtingais garsais, kuriuose nagalima atskirti atskirų tonų. Tokius garsus vadiname triukšmu.Be garsumo ir tono aukščio, žmogus skiria garsus pagal dar vieną požymį. Garso požymis, iš kurio galima spręsti apie jo šaltinį, vadinamas tembru. Pagal tembrą atpažįstame, kas kalba, dainuoja ar kokiu muzikos instrumentu groja. Kiekvienas garso šaltinis kuria stovinčiąsias bangas, pvz., styga virpa kaip vienas kūnas ir skleidžia tam tikrą toną, kurį vadiname pagrindiniu tonu. Tačiau joje susidaro ir papildomos stovinčiosios bangos. Papildomi garso šaltinio tonai vadinami aukštesniosiomis harmonikomis, arba virštoniais (obertonais). Jie visada būna aukštesni už pagrindinį toną. Virpesių teorija įrodo, kad virštonių dažniai turi būti pagrindinio tono dažnio kartotiniai.Kiekvienas garso šaltinis skleidžia skirtingus obertonus – skiriasi jų skaičius, dažniai, garsumas. Tai ir suteikia garsui būdingą atspavį – tembrą, kuriuo jis skiriasi nuo to paties tono garsų, skleidžiamų kitų šaltinių. Pastebėsime, kad gryniausią vieno tono garsą skleidžia kamertonai, todėl jais naudojamės, kai reikia išgauti tam tikro dažnio garsus, pvz., derinant muzikos instrumentus.Garso bangų interferencija. Mušimai.Interferuojant garso bangoms, įvairiuose erdvės taškuose susidaro skirtingų amplitudžių atstojamieji virpesiai, todėl vienose vietose garsas sustiprėja, o kitose susilpnėja.Garso bangų interferenciją galime pastebėti arti kamertono, nes abi jo šakutės pusės yra koherentiniai garso bangų šaltiniai. Jeigu vienu metu virpa du kamertonai, skleidžiantys vienodo aukščio garsą, sakoma, jog jie skamba unisonu. Padidėjus kamertono virpesių periodui, unisono nebebus. Kamertonams skambant kartu, girdėsime ausiai nemalonius ryškius periodiškus garso sustiprėjimus ir susilpnėjimus. Juos vadiname mušimais. Mušimus girdime todėl, kad tą patį erdvės tašką kamertonų skleidžiamos bangos pasiekia tai vienodomis, tai priešingomis fazėmiMušimų dažnis yra lygus dedamųjų virpesių dažnių skirtumui. Vadinasi, kuo mažiau skiriasi dedamųjų virpesių dažniai, tuo mažesnis mušimų dažnis. Tup naudojasi muzikos instrumentų derintojai: jeigu, kartu skambant kamertonui ir stygai, girdimi mušimai, tai keičiamas stygos įtempimas, kol ji su kamertonu ima skambėti unisonu.Aidas.Įdomus garso atspindys nuo paviršių, statmenų jo sklidimo krypčiai. Tuomet atsispindėjusi garso banga grįžta atgal į šaltinį. Toks atsispindėjusių bangų grįžimas vadinamas aidu. Nustatyta, kad žmogui garso pojūtis išlieka dar 0,1 s, nustojus virpėti ausies būgneliui. Vadinasi, jeiguatspindintis paviršius yra palyginti netoli ausies, aidas susilieja su pagrindiniu garsu ir šiek tiek pailgina jo trukmę. Aidą girdime arskirai nuo pagrindinio garso tik tada, kai atspindinti kliūtis yra pakankamai toli nuo šaltinio.Uždaroje patalpoje garsas daug kartų atsispindi nuo sienos, todėl jis skamba dar kurį laiką, nustojus virpėti šaltiniui. Liekamasis garso skambėjimas uždaroje patalpoje vadinamas reberberacija. Nedidelėse patalpose reverberacijos laikas turi būti maždaug 1s. Koncertų salėse nuo reverberacijos priklauso garso kokybė: kai reverberacijos laikas per ilgas, muzukos neįmanoma klausyti, o kai per trumpas,- garsai lieka pabiri ir blankūs.Garsas ne tik atspindi nuo dviejų aplinkų ribos, bet iš dalies taip pat įeina į antrąją aplinką ir ten sugeriamas. Tuomet dalis garso bangų energijos virsta aplinkos molekulių chaotiško judėjimo energija. Pavyzdžiui, tinkuota siena sugeria maždaug 8% garso bangų energijos, o kilimas 20%. Štai kodėl kambaryje su daug daiktų garsai būna duslūs, o tuščiame – skambūs.Ultragarsas ir jo taikymas technikoje.Mechaninės bangos, kurių virpesių dažnis didesnis kaip 20000Hz, nesukelia žmogui garso pojūčio. Jos vadinamos ultragarso bangomis arba ultragarsu. Ultragarsą stipriai absorbuoja dujos, o kietieji kūnai bei skysčiai – daug kartų silpniau. Todėl didesnius atstumus ultragarso bangos pasiekia tik kietuosiuose kūnuose ir skysčiuse.Bangų pernešama energija yra proporcinga aplinkos tankiui ir dažnio kvadratui, todėl ultragarsas gali pernešti kur kas didesnę energiją, negu garsas. Kita svarbi ultragarso ypatybė yra tai, jog palyginti nesunku sudaryti siaurus kryptingus jo bangų pluoštus. Dėl to ultragarsas plačiai taikomas technikoje. Minėtos ultragarso savybės pritaikomos echolote – prietaise jūros gyliui matuoti. Laive įtaisomas tam tikro dažnio ultragarso šaltinis ir imtuvas. Šaltinis pasiunčia į dugną trumpus ultragarso impulsus, o imtuvas priima jų atspindžius nuo dugno. Išmatavus laiką tarp impulso išsiuntimo ir sugrįžimo, žinant ultragarso greitį vandenyje, nustatomas jūros gylis. Analogiškai veikia ir ultragarsinis lokatorius, kurio nustatomas atstumas horizontalia kryptimi iki laivo kelyje esančios kliūties. Kai tokių kliūčių nėra, ultragarso impulsai negrįžta į laivą. Kai kurie gyvūnai turi taip pat ultragarsinius lokatorius. Tobulus lokatorius turi delfinai.Ultragarsui sklindant skysčiu, skysčio dalelės įgyja didelius pagreičius ir stipriai veikia įvairius skystyje esančius kūnus. Šiuo principu pagreitinami įvairūs technologiniai procesai (tirpalų gamyba, detalių plovimas, kailių rauginimas ir t.t…)Intencyvūs ultragarsiniai virpesiai suteikia skysčių dalelėms tokius didelius pagreičius, kad trumpam laikui skystyje atsiranda trūkiai (tuštumos), kurie vėl greitai susiglaudžia. Dėl to susidaro daugybė smulkių smūgių – vyksta vadinamoji kavitacija. Ji sparčiai ardo skystyje esančias medžiagas, todėl taikoma, gaminant suspencijas (mišinius su pakibusiomis kietosiomis dalelėmis) ir emulcijas (mišinius su pakibusiomis kito skysčio lašiukais). Ultragarsas taip pat taikomas metalinių detalių defektams ieškoti. Šių dienų technikoje ultragarsas taikomas taip plačiai, kad sunku netgi išvardinti visas jo taikymo sritis.Infragarsas.Machaninės bangos, kurių virpesių dažnis mažesnis kaip 16Hz, vadinamos infragarso bangomis, arba infragarsu. Jos taip pat nesukelia garso pojūčio. Infragarso bangos susidaro jūrose audrų ir žemės drebėjimų metu. Jos sklinda vandeniu daug greičiau, negu slenka audra arba milžiniškos žemės drebėjimo sukeltos bangos – cunamiai.kai kurie jūrų gyvūnai, sugebantys pajusti infragarsą, šiuo būdu gauna signalus apie besiartinantį pavojų.1lentelė: žmogaus “fizika”( garsiniai parametrai)balso stiprumas, W:tylus šnabždesys………………………………………»10-9įprasto garsumo kalba…………………………….. »7·10-6ribinis garsumas…………………………………….. »2·10-3garso stiprumas ties girdimumo slenksčiu., W/m2….10-12