O undă sonoră este un tip de undă de presiune cauzată de vibrația unui obiect într-un mediu conductiv, cum ar fi aerul. Când obiectul vibrează, emite o serie de unde care pot fi interpretate ca sunet. De exemplu, când cineva lovește o tobă, aceasta face ca membrana tobei să vibreze, iar vibrația este transmisă prin aer, unde poate ajunge la urechea unui ascultător. Vibrațiile se deplasează cu viteze diferite prin medii diferite, dar nu pot călători prin vid. Pe lângă faptul că sunt folosite pentru comunicare, undele sonore sunt folosite pentru a furniza imagini ale obiectelor și structurilor inaccesibile, în studiile oceanice și în geologie și seismologie.
Tipuri de val
Sunetul se deplasează prin gaze, lichide și solide sub formă de unde longitudinale. Aceasta înseamnă că compresia mediului este în aceeași direcție cu cea în care se deplasează sunetul. În solide și la suprafețele lichidelor, vibrația poate călători și ca unde transversale. În acestea, compresia este în unghi drept cu direcția de mișcare.
Viteza sunetului
Viteza cu care se deplasează sunetul depinde de densitatea mediului prin care se deplasează. Se deplasează mai repede prin medii mai dense și, prin urmare, este mai rapid în solide decât în lichide și mai rapid în lichide decât în gaze. În condiții familiare, pământești, viteza sunetului este întotdeauna enorm mai mică decât cea a luminii, dar în materialul super-dens al unei stele neutronice, se poate apropia destul de mult de viteza luminii. Diferența de viteză prin aer este demonstrată de întârzierea dintre un fulger și sunetul tunetului pentru un observator îndepărtat: lumina ajunge aproape instantaneu, dar sunetul durează o perioadă de timp vizibilă.
Viteza sunetului în aer variază în funcție de presiune și temperatură, presiunile și temperaturile mai mari dând viteze mai mari. De exemplu, la 68°F (20°C) și presiunea standard la nivelul mării, este de 1,126 de picioare pe secundă (343.3 metri pe secundă). În apă, viteza este din nou dependentă de temperatură; la 68°F (20°C) este 4,859 ft/sec (1,481 m/s). Viteza în solide este foarte variabilă, dar unele valori tipice sunt 13,700 ft/sec (4,176 m/s) în cărămidă, 20,000 ft/sec (6,100 m/s) în oțel și 39,400 ft/sec (12,000 m/s) în diamant.
Lungime de undă, frecvență și amplitudine
Sunetul poate fi descris în termeni de lungime de undă, frecvență și amplitudine. Lungimea de undă este definită ca distanța necesară pentru ca un ciclu complet să fie finalizat. Un ciclu complet se deplasează de la un vârf la altul sau de la un vârf la altul.
Frecvența este un termen folosit pentru a descrie numărul de cicluri complete într-o anumită perioadă de timp, astfel încât lungimile de undă mai scurte au frecvențe mai mari. Se măsoară în herți (Hz), cu un herți fiind un ciclu pe secundă și kiloherți (kHz), cu un kHz fiind 1,000 Hz. Oamenii pot auzi sunete cuprinse între 20 Hz și aproximativ 20 kHz, dar vibrațiile pot avea frecvențe mult mai mici sau mai mari. Auzul multor animale se extinde dincolo de raza umană. Vibrațiile care se află sub intervalul auzului uman sunt numite infrasunete, în timp ce cele peste acest interval sunt cunoscute sub numele de ultrasunete.
Înălțimea unui sunet depinde de frecvență, tonurile mai înalte având frecvențe mai mari. Amplitudinea este înălțimea undelor și descrie cantitatea de energie transportată. Amplitudinile mari au volume mai mari.
Fenomene ondulatorii
Undele sonore sunt supuse multor fenomene asociate undelor luminoase. De exemplu, ele pot fi reflectate de suprafețe, pot suferi difracție în jurul obstacolelor și pot experimenta refracția atunci când trec între două medii diferite, cum ar fi aerul și apa, toate într-un mod similar cu lumina. Un alt fenomen comun este interferența. Când undele sonore din două surse diferite se întâlnesc, ele se pot întări una pe cealaltă acolo unde vârfurile și jgheaburile coincid și se pot anula una pe cealaltă acolo unde vârful se întâlnește cu dedesubtul, creând un model de interferență, cu zone zgomotoase și liniștite. Dacă vibrațiile au frecvențe diferite, acest lucru poate crea un efect pulsat sau o „bătaie” în sunetul combinat.
aplicatii
Undele sonore au multe aplicații în știință și medicină. Imagistica cu ultrasunete poate fi folosită pentru a investiga probleme medicale și pentru a efectua verificări importante. O aplicație binecunoscută este o scanare cu ultrasunete, folosită pentru a produce o imagine a unui copil nenăscut, pentru a verifica starea de sănătate a acestuia acolo unde o radiografie nu ar fi sigură. Impulsurile sonore, cunoscute sub numele de sonar, pot fi folosite pentru a mapa fundul oceanului prin măsurarea precisă a timpului necesar pentru recepționarea unui ecou.
În seismologie, structura interioară a Pământului poate fi investigată observând propagarea undelor sonore. Deoarece undele transversale nu pot călători prin lichide, această tehnică poate fi folosită pentru a cartografi zonele de rocă topită sub suprafață. De obicei, sunetul este generat de o explozie, iar vibrațiile sunt captate în diferite puncte îndepărtate, după ce au călătorit prin Pământ. Examinând modelul undelor transversale – cunoscute sub numele de „unde S” în acest context – și undelor longitudinale – cunoscute sub denumirea de „unde p” – se poate construi o hartă tridimensională precisă, care să arate distribuția rocii solide și topite. .