Ένα ηχητικό κύμα είναι ένας τύπος κυμάτων πίεσης που προκαλείται από τη δόνηση ενός αντικειμένου σε ένα αγώγιμο μέσο όπως ο αέρας. Όταν το αντικείμενο δονείται, εκπέμπει μια σειρά από κύματα που μπορούν να ερμηνευθούν ως ήχος. Για παράδειγμα, όταν κάποιος χτυπά ένα τύμπανο, προκαλεί δόνηση της μεμβράνης του τυμπάνου και η δόνηση μεταδίδεται μέσω του αέρα, όπου μπορεί να φτάσει στο αυτί ενός ακροατή. Οι δονήσεις ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες μέσω διαφορετικών μέσων, αλλά δεν μπορούν να ταξιδέψουν μέσω του κενού. Εκτός από τη χρήση τους για επικοινωνία, τα ηχητικά κύματα χρησιμοποιούνται για την παροχή εικόνων απρόσιτων αντικειμένων και δομών, σε ωκεανικές έρευνες και στη γεωλογία και τη σεισμολογία.
Τύποι κυμάτων
Ο ήχος ταξιδεύει μέσα από αέρια, υγρά και στερεά ως διαμήκη κύματα. Αυτό σημαίνει ότι η συμπίεση του μέσου είναι στην ίδια κατεύθυνση με αυτή στην οποία ταξιδεύει ο ήχος. Στα στερεά και στις επιφάνειες των υγρών, η δόνηση μπορεί επίσης να ταξιδέψει ως εγκάρσια κύματα. Σε αυτά, η συμπίεση είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της κίνησης.
Η Ταχύτητα του Ήχου
Η ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει ο ήχος εξαρτάται από την πυκνότητα του μέσου μέσω του οποίου ταξιδεύει. Ταξιδεύει πιο γρήγορα μέσω πυκνότερων μέσων, και ως εκ τούτου είναι ταχύτερη στα στερεά παρά στα υγρά και ταχύτερη στα υγρά παρά στα αέρια. Σε γνώριμες, γήινες συνθήκες, η ταχύτητα του ήχου είναι πάντα πολύ μικρότερη από αυτή του φωτός, αλλά στο εξαιρετικά πυκνό υλικό ενός αστέρα νετρονίων, μπορεί να πλησιάσει αρκετά την ταχύτητα του φωτός. Η διαφορά στις ταχύτητες μέσω του αέρα αποδεικνύεται από την καθυστέρηση μεταξύ μιας αστραπής και του ήχου της βροντής για έναν μακρινό παρατηρητή: το φως φθάνει σχεδόν ακαριαία, αλλά ο ήχος απαιτεί αξιοσημείωτο χρόνο.
Η ταχύτητα του ήχου στον αέρα ποικίλλει ανάλογα με την πίεση και τη θερμοκρασία, με τις υψηλότερες πιέσεις και θερμοκρασίες να δίνουν μεγαλύτερες ταχύτητες. Για παράδειγμα, στους 68°F (20°C) και την τυπική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας, είναι 1,126 πόδια ανά δευτερόλεπτο (343.3 μέτρα ανά δευτερόλεπτο). Στο νερό, η ταχύτητα εξαρτάται και πάλι από τη θερμοκρασία. στους 68°F (20°C) είναι 4,859 ft/sec (1,481 m/s). Η ταχύτητα στα στερεά είναι πολύ μεταβλητή, αλλά ορισμένες τυπικές τιμές είναι 13,700 ft/sec (4,176 m/s) στο τούβλο, 20,000 ft/sec (6,100 m/s) στον χάλυβα και 39,400 ft/sec (12,000 m/s) σε διαμάντι.
Μήκος κύματος, συχνότητα και πλάτος
Ο ήχος μπορεί να περιγραφεί ως προς το μήκος κύματος, τη συχνότητα και το πλάτος. Το μήκος κύματος ορίζεται ως η απόσταση που χρειάζεται για να ολοκληρωθεί ένας πλήρης κύκλος. Ένας πλήρης κύκλος κινείται από κορυφή σε κορυφή ή από κοίτη σε γούρνα.
Συχνότητα είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον αριθμό των πλήρων κύκλων μέσα σε μια καθορισμένη χρονική περίοδο, επομένως τα μικρότερα μήκη κύματος έχουν υψηλότερες συχνότητες. Μετριέται σε hertz (Hz), με ένα hertz να είναι ένας κύκλος ανά δευτερόλεπτο, και kilohertz (kHz), με ένα kHz να είναι 1,000 Hz. Οι άνθρωποι μπορούν να ακούσουν ήχους που κυμαίνονται από 20 Hz έως περίπου 20 kHz, αλλά οι δονήσεις μπορεί να έχουν πολύ χαμηλότερες ή υψηλότερες συχνότητες. Η ακοή πολλών ζώων εκτείνεται πέρα από την ανθρώπινη εμβέλεια. Οι κραδασμοί που είναι κάτω από το εύρος της ανθρώπινης ακοής ονομάζονται υπέρηχοι, ενώ εκείνοι πάνω από αυτό το εύρος ονομάζονται υπέρηχοι.
Το ύψος ενός ήχου εξαρτάται από τη συχνότητα, με τα υψηλότερα βήματα να έχουν υψηλότερες συχνότητες. Το πλάτος είναι το ύψος των κυμάτων και περιγράφει την ποσότητα της ενέργειας που μεταφέρεται. Τα υψηλά πλάτη έχουν υψηλότερους όγκους.
Κυματικά Φαινόμενα
Τα ηχητικά κύματα υπόκεινται σε πολλά από τα φαινόμενα που σχετίζονται με τα κύματα φωτός. Για παράδειγμα, μπορούν να ανακληθούν από επιφάνειες, μπορούν να υποστούν περίθλαση γύρω από εμπόδια και μπορούν να βιώσουν διάθλαση όταν περνούν μεταξύ δύο διαφορετικών μέσων, όπως αέρας και νερό, όλα με παρόμοιο τρόπο με το φως. Ένα άλλο κοινό φαινόμενο είναι η παρέμβαση. Όταν συναντώνται ηχητικά κύματα από δύο διαφορετικές πηγές, μπορούν να αλληλοενισχύονται όπου οι κορυφές και οι κοιλότητες συμπίπτουν και να ακυρώνουν το ένα το άλλο εκεί όπου η κορυφή συναντά το κατώτατο σημείο, δημιουργώντας ένα μοτίβο παρεμβολής, με δυνατές και ήσυχες περιοχές. Εάν οι δονήσεις έχουν διαφορετικές συχνότητες, αυτό μπορεί να δημιουργήσει ένα παλμικό εφέ ή έναν «παλμό» στον συνδυασμένο ήχο.
Διαχείριση Αιτήσεων
Τα ηχητικά κύματα έχουν πολλές εφαρμογές στην επιστήμη και την ιατρική. Η απεικόνιση με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση ιατρικών προβλημάτων και τη διενέργεια σημαντικών ελέγχων. Μια πολύ γνωστή εφαρμογή είναι η σάρωση υπερήχων, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή εικόνας αγέννητου παιδιού, προκειμένου να ελεγχθεί η υγεία του, όπου η ακτινογραφία δεν θα ήταν ασφαλής. Οι παλμοί ήχου, γνωστοί ως σόναρ, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη χαρτογράφηση του πυθμένα του ωκεανού μετρώντας με ακρίβεια τον χρόνο που απαιτείται για τη λήψη μιας ηχούς.
Στη σεισμολογία, η εσωτερική δομή της Γης μπορεί να διερευνηθεί παρατηρώντας τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων. Δεδομένου ότι τα εγκάρσια κύματα δεν μπορούν να ταξιδέψουν μέσα από υγρά, αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση περιοχών λιωμένου πετρώματος κάτω από την επιφάνεια. Τυπικά, ο ήχος παράγεται από μια έκρηξη και οι δονήσεις συλλαμβάνονται σε διάφορα μακρινά σημεία, αφού έχουν ταξιδέψει μέσα στη Γη. Εξετάζοντας το μοτίβο των εγκάρσιων κυμάτων – γνωστών ως “s-waves” σε αυτό το πλαίσιο – και των διαμήκων κυμάτων – γνωστών ως “p-waves” – μπορεί να δημιουργηθεί ένας ακριβής τρισδιάστατος χάρτης, ο οποίος δείχνει την κατανομή στερεών και λιωμένων πετρωμάτων .