Частота через скорость: Частоты для сетей 5G. Почему Россия и США выбирают особый путь, а Китай – нет — Московский Центр Карнеги

Содержание

17 часто задаваемых вопросов о преобразователе частоты и электродвигателе — Статьи

Дата публикации: 21.08.2019

В данной статье мы подобрали для вас ответы на наиболее часто задаваемые вопросы по работе электродвигателей и частотных преобразователей.

1. Что такое электромеханический привод?

Ответ: Электромеханический привод – это система, состоящая из электродвигателя, механического передаточного устройства, электрического силового преобразователя и электронного устройства управления, осуществляющая управляемое преобразование электрической энергии в энергию движения механического объекта.

2. Что такое преобразователь частоты?

Ответ: Преобразователь частоты – это устройство для управляемого питания электродвигателя.

3. В чем заключается назначение преобразователя частоты?

Ответ: Назначение преобразователя частоты – это управление моментом/скоростью вращения электродвигателя за счет изменения частоты и напряжения питания.

4. Что такое ШИМ?

Ответ: ШИМ (Широтно импульсная модуляция) – это метод получения регулируемого выходного напряжения путем изменения длительности коммутации.

5. Как согласуется выходное напряжение ПЧ с входным?

Ответ: Выходное напряжение может меняться от 0 до уровня входного напряжения ПЧ (возможна перегрузка в несколько процентов). Соответственно при питании ПЧ от сети 220В не возможно развить номинальный момент на двигателе подключенным по схеме питания 380В.

6. Как согласуется выходная частота ПЧ с номинальной входной?

Ответ:  Выходная частота формируется посредством ШИМ и может меняться в диапазоне от 0 до 400 -590 Гц (в зависимости от модели ПЧ). В зависимости от выходной частоты ПЧ меняется скорость вращения вала двигателя.

7. Возможно ли управлять ПЧ однофазными двигателями?

Ответ: Нет.

8. Возможно ли управлять ПЧ с однофазным питанием, трехфазными двигателями?

Ответ: Да, до 2,2 кВт.

9. Основные плюсы использования преобразователей частоты?

Ответ: Их 2. Во-первых, экономия электроэнергии при работе электродвигателя. Во-вторых, реализация сложных технологических процессов за счет изменения частоты вращения приводов.

10. Какой принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

Ответ: ПЧ создает вращающееся магнитное поле в статоре, а оно создает электрическое поле в короткозамкнутом роторе (принцип магнитной индукции). Происходит взаимодействие между полями ротора и статора. Поле ротора стремится вращаться также как поле статора, тем самым ротор приходит во вращение.

11. От чего зависит номинальная скорость вращения ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

Ответ: Она зависит от частоты питающего напряжения и количества пар полюсов и скольжения. Преобразователь частоты позволяет регулировать частоту питающего напряжения и тем самым скорость вращения вала ЭД.

12. Какое значение имеет скорость вращения вала электродвигателя при его работе от сети?

Ответ: Скорость равна номинальной частоте двигателя.

13. Какова скорость вращения вала электродвигателя при его работе от ПЧ?

Ответ: Скорость регулируется от ПЧ .

14. Как связан момент с током электродвигателя?

Ответ: Для двигателя с постоянными магнитами момент пропорционален току статора. Для асинхронных двигателей зависимость между током и моментом нелинейная, но в рабочей зоне рост тока приводит к росту момента.

15: Какие существуют способы подключения обмоток двигателя?

Ответ: Треугольник, Звезда (изменяется номинальное напряжение и ток двигателя).

16: При подключении в звезду или треугольник будет больше номинальное линейное напряжение двигателя?

Ответ: Линейное напряжение будет больше для звезды (соответственно ток наоборот меньше).

17: Что такое скольжение?

Ответ: Скольжение – это разница между скоростью поля  статора и частотой вращения ротора в процентах.

 

Смотрите так же:

Функция «Спящий режим» преобразователя частоты Danfoss FC-051 (Реализация на встроенном контроллере)

Управление частотным преобразователем Danfoss серии FC51 с панели оператора Weintek MT8121XE1WK

 

Для заказа преобразователя частоты перейдите в каталог по ссылке — VLT Micro Drive

 

 

Влияние частоты процессора и количества его ядер на скорость работы антивирусных средств

Вам когда-нибудь было интересно как влияет частота процессора и количество его ядер на скорость работы антивирусных средств? В этом тестировании учавствуют 12 продуктов от 6 производителей.


1) ESET NOD32 Antivirus 4;
2) ESET NOD32 Smart Security 4;
3) Dr.Web Antivirus 6.0;
4) Dr.Web Security Space 6.0;
5) Kaspersky Antivirus 2011;
6) Kaspersky Internet Security 2011;
7) Avast! Pro Antivirus 6.0.1;
8) Avast! Internet Security 6.0.1;
9) AVG Anti-Virus 2011;
10) AVG Internet Security 2011;
11) Panda Antivirus Pro 2011;
12) Panda Global Protection 2011.

Для проведения тестирования необходим мощный компьютер с возможностью настройки тактовой частоты и возможностью отключения процессорных ядер. За номинальную конфигурацию я взял ПК на базе процессора Intel Core i7 930 с тактовой частотой 4400 MHz. Такую высокую тактовую частоту я выбрал для того, чтобы, насколько это возможно, увеличить производительность системы во избежание случая, когда все антивирусы покажут одинаковые результаты из-за нехватки ресурсов системы. Оперативная память, объём которой составляет 6 Гб, при такой частоте процессора функционирует на частоте 1600 MHz. Тактовая частота процессора вычисляется как произведение частоты шины на коэффициент умножения. Для тестирования частота будет изменяться только с помощью множителя. Это сделано для того, чтобы не было разницы из-за шины. Чем она выше – тем больше производительность. А при изменении множителя меняется только результирующая частота процессора, что и требуется для сравнения (ведь модели процессоров одной линейки отличаются, в основном, только множителем).

Операционная система – русская версия Windows 7 64-bit с предустановленным пакетом обновлений Service Pack 1. После установки ОС, произведена установки драйверов видеокарты. Драйвера на материнскую плату вшиты в дистрибутив Windows 7. Затем произведена установка дополнительного программного обеспечения для проведения тестирования: WinRar 4.0, MS Office 2003 SP3, Adobe Photoshop CS5 и пакет системных утилит WinSDK. После установки ПО, компьютер трижды перезагружается и выполняется дефрагментация жёсткого диска. После этого проводится тестирование ОС без установленных антивирусных программ:

1) Замеряется скорость загрузки ОС с помощью команды «xbootmgr -trace boot», которая корректно завершает работу сеанса, перегружает компьютер и выводит подробные графики после полной загрузки ОС. Эта команда доступна только после установки пакета WinSDK.
2) Замеряем время открытия текстового файла в MS Office. Для того чтобы разница была видна между «чистой» ОС и с установленным антивирусом, я взял файл формата *doc, размером 4.92 Mb, содержащим 1101 страницу и 1 847 739 знаков с пробелами.

3) Замеряем время открытия картинки в Adobe Photoshop CS5. Размер картинки – 95 Mb, разрешение – 16128х16095 пикселей.
4) Замеряем время распаковки архив с помощью WinRar. Этот тест симулирует установку приложений, потому что содержимое архива – библиотеки, исполняемые и текстовые файлы. Содержимое архива – папка system32, скопированная из только что установленной ОС Windows 7. Архив содержит папку, состоящую из 10095 элементов и которая занимает 2.48 Gb дискового пространства. Сам архив занимает 829 Mb (сжатие до 32%).
5) Замеряем время копирования папки из одного раздела в другой. Папка содержит в себе несколько установленных игр, общим объёмом 15 Gb. Эта папка содержит в сумме 167 вложенных папок. Общее количество файлов равно 5099.
6) Замеряем время сканирования папки объёмом 17.5 Gb, содержащей в сумме 15200 разных файлов (библиотеки, исполняемые, архивы и пр.).
7) Все пункты повторяются при тестировании системы с одним и с двумя активированными процессорными ядрами. Затем те же действия производятся с четырьмя активированными ядрами, но с разными тактовыми частотами — 2.4 и 3.6 GHz.
8) Каждым антивирусом сканируется архив, содержащий 66713 сигнатур. Этот тест проводится на номинальной конфигурации системы.

Перед тестированием каждого антивируса производится переустановка ОС с быстрым форматированием жёсткого диска. Снова устанавливаются все необходимые программы, проводятся перезагрузки и дефрагментация. Для корректного тестирования антивирусов на разных частотах и количествах ядер процессора, необходимо, чтобы количество копий тестируемых файлов было равно количеству тестов. И все эти файлы должны находиться в разных папках. Это необходимо для того, чтобы антивирус проверял открываемый файл или распаковывал архив, считая его новым, а не уже проверенным. Если же антивирус видит, что этот файл уже был проверен ранее, то он его попросту пропустит, чем сведёт результаты тестирования на нет. Подключение к интернету осуществлено посредством Wi-Fi. Скорость подключения – 15 Мбит/сек.

Результаты

Время загрузки операционной системы


images.netbynet.ru/imgs/d58499aaa43bebd18d3aaf2691e4b781.PNG

Время открытия документа


images.netbynet.ru/imgs/f4820220419226875e06fed15a38c494.PNG

Время открытия изображения


images.netbynet.ru/imgs/6659f3d77435336a21193ba1adfb775d.PNG

Время распаковки архива


images.netbynet.ru/imgs/6aa4735f77bfa4f10444e666cea59610.PNG

Время копирования папки с файлами


images.netbynet.ru/imgs/2a1446d98730cd976187fb9cf6a97540.PNG

Время первичного сканирования


images.netbynet.ru/imgs/0ea04722315549a71f692bb9b39162d9.PNG

Время повторного сканирования


images.netbynet.ru/imgs/9c675b329594bf16ddeaa3addd6623c9.PNG

Количество обнаруженных сигнатур


images.netbynet.ru/imgs/f58914cdcd2b1679a0b416b83930d8ce.PNG

Общее время работы


images.netbynet.ru/imgs/b07594717b29d87fb54dced98d048852.PNG

Выводы можете сделать для себя сами.

upd: добавлены ссылки на полноразмерные графики в png
upd2: ссылка на архив сигнатур — пароль архива 666

Физики разогнали «спиннеры» до миллиарда оборотов в секунду

Jonghoon Ahn et al. / Phys. Rev. Lett.

Две команды физиков независимо разогнали с помощью лазеров нанометровые «спиннеры» до скорости порядка одного миллиарда оборотов в секунду — самой высокой скорости вращения, полученной в лаборатории. Первая группа из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) заставляла вращаться наночастицу кремнезема, а вторая группа, состоящая из китайских и американских исследователей, использовала в качестве «спиннера» наногантелю. Работа ученых поможет лучше понять такие тонкие эффекты, как вращение Казимира, связанное с квантовыми флуктуациями вакуума. Статьи опубликованы в

Physical Review Letters [1, 2], кратко о них сообщает Physics, препринты работ выложены на сайте arXiv.org [1, 2].

Скорость вращения любого объекта ограничена пределом его прочности. Чем быстрее вращается объект, тем большую скорость развивают его частицы и тем большая сила нужна, чтобы заставлять их повернуть и удерживать тело в целости. Другими словами, при увеличении скорости растет центробежная сила, которая стремится «разорвать» тело. Впрочем, называть центробежную силу «силой» не совсем правильно, поскольку она возникает только в неинерциальной системе отсчета (подробнее о ее природе можно прочитать в этой заметке).

Заметнее всего действие этой «фиктивной силы» проявляется в точках, наиболее удаленных от центра вращения объекта: F = mω2r, где m — масса точки, r — ее расстояние до центра, а ω — угловая скорость. Из-за этого частота вращения макроскопических объектов редко превышает тысячу оборотов в секунду. Например, частота вала газогенератора двигателя PW207K вертолета «Ансат» может достигать 60000 оборотов в минуту (1000 оборотов в секунду), а турбина двигателя CFM56, который устанавливается на самолетах фирм Boeing и Airbus, вращается с частотой около 5200 оборотов в минуту (менее 90 оборотов в секунду).

Уменьшая размеры объекта, можно заставить его вращаться гораздо быстрее. Оказывается, что для достижения сверхвысоких скоростей удобнее всего использовать частицы размером порядка ста нанометров, подвешенные в воздухе с помощью лазерного излучения (так называемая оптическая ловушка). Направляя на связанную частицу свет с круговой поляризацией, можно передать ей угловой момент и увеличить ее угловую скорость (эффект Садовского). Таким образом можно избежать механического трения, которое поглощает энергию и мешает разгонять частицу, а также контролировать центр вращения с точностью, сравнимой с теоретическим пределом.

К сожалению, на высоких скоростях начинает сказываться трение наночастицы о воздух, которое также уносит энергию частицы. Бороться с этим трением можно только откачивая установку до сверхнизких давлений, создавая в ней вакуум. Из-за подобных технических сложностей ученым не удавалось достичь в лаборатории скоростей вращения, превышающих по порядку десяти мегагерц. В новых работах ученым удалось преодолеть это препятствие, подтвердить теоретические предсказания и достичь частоты вращения порядка одного гигагерца.

Схема установок, в которой ученые разгоняют наночастицы до сверхвысоких угловых скоростей

René Reimann et al. / Phys. Rev. Lett.

Первая группа исследователей под руководством Лукаса Новотного (Lukas Novotny), использовала в качестве «спиннера» частицу кремнезема (проще говоря, обычного стекла) приближенно сферической формы и диаметром около ста нанометров. Для уменьшения потерь физики откачали установку до давления порядка 10−8 атмосфер и увеличили длину волны лазера, который использовался для разгона частицы, до 1565 нанометров. Это позволило уменьшить скорость нагрева частицы — в предыдущих экспериментах такой нагрев заставлял частицу «выскакивать» из ловушки и мешал разогнать ее выше определенного предела.

В результате ученые обнаружили, что с уменьшением давления при фиксированной мощности лазера и увеличении мощности при фиксированном давлении угловая скорость вращения частицы линейно растет, причем экспериментальная зависимость хорошо согласуется с теорией. Максимальная частота, полученная в этом эксперименте, достигала 1,03 гигагерц, что отвечало скорость краев частицы порядка 300 метров в секунду, центробежному ускорению порядка 1012 метров на секунду в квадрате и напряжению порядка 0,2 гигапаскаль. Для сравнения, критическое напряжение, при котором частица кремнезема разрывается, составляет примерно 10 гигапаскаль.

Зависимость частоты вращения наночастицы от давления при фиксированной мощности лазера

René Reimann et al. / Phys. Rev. Lett.

Зависимость частоты вращения наночастицы от мощности лазера при фиксированном давлении

René Reimann et al. / Phys. Rev. Lett.

Вторая группа, под руководством Тунцана Ли (Tongcang Li), заставляла вращаться наногантели — связанные друг с другом частицы кремнезема. Чтобы изготовить такие гантели, ученые «растворяли» наночастицы кремнезема в воде и получали коллоидную суспензию, а затем с помощью ультразвукового небулайзера заставляли воду формировать микрометровые капли, взвешенные в воздухе. В некоторых из капель находилось две сферические частицы кремнезема; после испарения воды частицы оставались связаны в наногантели, которые ученые использовали в дальнейших опытах. Отношение диаметра шаров к расстоянию между ними для всех полученных наногантелей было примерно равно двум.

Фотографии нангантелей, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа

Jonghoon Ahn et al. / Phys. Rev. Lett.

Зависимость частоты вращения наногантели от давления при фиксированной мощности лазера

Jonghoon Ahn et al. / Phys. Rev. Lett.

Так же как и группа швейцарских ученых, группа под руководством Тунцана Ли помещала наногантели в оптическую ловушку, откачивала установку до давления порядка 10−7 атмосфер и светила на частицы лазером с круговой поляризацией и длиной волны около 1550 нанометров. Аналогично швейцарцам, физики получили, что скорость вращения линейно растет при уменьшении давления, а предельная частота вращения в этом случае составила примерно 1,1 гигагерц — при бо́льших скоростях гантель разрывалась под действием центробежной силы.

Тем не менее, конструкция установки, аналогичная опыту Кавендиша, в котором проволока крутильных весов заменена на лазерное излучение, позволяет провести на ней качественно другие эксперименты. Если заменить в ней свет с круговой поляризацией на линейно поляризованный свет, наногантели будут колебаться, а не крутиться, что позволит в будущем измерить вращательный эффект Казимира (Casimir torque) и исследовать природу квантовой гравитации.

Впрочем, ученые признаются, что изначально они не ставили перед собой практических целей. Например, соавтор первой работы, Рене Рейманн (René Reimann), говорит: «Если честно, это просто было очень круто — иметь механический объект с самой высокой скоростью вращения в мире прямо перед нами». Тем не менее, работа ученых может пригодиться при изучении межзвездной пыли и вакуумного трения, исследовании поведения материалов и взаимосвязи между вращательными и поступательными степенями свободы в экстремальных условиях.

В ноябре прошлого года американские исследователи-нанотехнологи изготовили с помощью фотолитографии самый маленький в мире фиджет-спиннер, размер которого составил примерно сто микрометров.

Дмитрий Трунин

Длина волны. Скорость распространения волн :: Класс!ная физика

ДЛИНА ВОЛНЫ

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН

Что ты должен знать и уметь?

1.Определение длины волны.
Длина волны — это расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах.
2. Величины, характеризующие волну:
длина волны, скорость волны, период колебаний, частота колебаний.
Единицы измерения в системе СИ:
длина волны [лямбда] = 1 м
скорость распространения волны [ v ] = 1м/с
период колебаний [ T ] = 1c
частота колебаний [ ню ] = 1 Гц
3. Расчетные формулы


4. Уметь показать графически длину волны ( для продольных и поперечных волн).


ЕЩЁ ОДНА ИГРУШКА
ДЛЯ УМНЕНЬКИХ И ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

Ощути себя физиком-исследователем — нажми здесь.


ЭТО ИНТЕРЕСНО !

Сейсмические волны.

Сейсмическими волнами называются волны, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений или каких-нибудь мощных взрывов. Так как Земля в основном твердая, в ней одновременно могут возникать 2 вида волн — продольные и поперечные. Скорость этих волн разная: продольные распространяются быстрее поперечных. Например, на глубине 500 км скорость поперечных сейсмических волн 5км/с, а скорость продольных волн — 10км/с.
Регистрацию и запись колебаний земной поверхности, вызанных сейсмическими волнами, осуществляют с помощью приборов — сейсмографов. Распространяясь от очага землетрясения, первыми на сейсмическую станцию приходят продольные волны, а спустя некоторое время — поперечные. Зная скорость распространения сейсмических волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до центра землетрясения. Чтобы узнать точнее , где он находится , используют данные нескольких сейсмических станций.
Ежегодно на земном шаре регистрируют сотни тысяч землетрясений. Подавляющее большинство из них относится к слабым, однако время от времени наблюдаются и такие. которые нарушают целостность грунта, разрушают здания и ведут к человеческим жертвам.

Устали? — Отдыхаем!

Основные понятия, связанные со звуком

Звуковое давление

Звук, который воспринимает человек, представляет собой быстрое чередование давления воздуха. Диапазон давлений, которые человек воспринимает как звук, очень широк (от 10 МПа до 100 Па, учитывая, что статическое давление воздуха составляет примерно 10-5 Па). Для измерения силы звука стали использовать логарифмическую шкалу, где в качестве стандартного нулевого уровня выбрано значение 2*10 Па. В этом случае в качестве единицы, выражающей громкость звука, используется децибел (дБ). Человек воспринимает соответствующую область в диапазоне от 0 до 140 дБ.

Скорость распространения звука

Скорость распространения звука в воздухе составляет 340 м/с (при 20°C), независимо от частоты. В твёрдой среде скорость звука варьируется в зависимости от материала: от 3400 м/с до 54 м/с. В случае конструкций из плит скорость звука зависит от его частоты. Ниже представлены скорости распространения звука (м/с) в некоторых материалах:

  • стекло:  5500-6000 м/с
  • алюминий, сталь: 5100 м/с
  • дерево: 3400-4500 м/с
  • бетон: 4000 м/с
  • кирпич: 3600 м/с
  • лёд: 3100 м/с
  • вода: 1500 м/с
  • пробка: 500 м/с
  • воздух: 340 м/с
  • минеральная вата-изоляция: 180 м/с

Частота звуковых колебаний

Человек различает также амплитуду звуковых колебаний, т.е. высоту звука. Частотный диапазон, который воспринимает ухо человека, составляет от 10 до 16000 Гц (=l/s). Звук частотой ниже 16 Гц воспринимается как вибрация, если он достаточно громкий. Длина звуковой волны, воспринимаемой человеком, варьируется в диапазоне от 20 м до 2 см, поэтому все части строительного сооружения (стены, потолки, окна, двери и т.д.) в зависимости от частоты звука оказываются либо большими (для высокой частоты), либо маленькими (для низкой частоты), при этом звукоизолирующая способность всех частей также зависит от частоты колебаний звука.

Свойства человеческого слуха

Слух человека наиболее чувствителен к звукам, частота которых находится в диапазоне от 1 до 4 кГц, в отношении более низких звуковых частот человеческий слух остаётся весьма нечувствительным. Для имитации слухового восприятия созданы различные корректирующие фильтры – «A», «B» и «C». «А»-коррекцию первоначально использовали при звуковом давлении от 0 до 55 дБ. Скорректированный фильтром «А» уровень звукового давления (шкала «А») обозначается, например, 50 дБ(А). В настоящее время укоренилось использование шкалы «А», вне зависимости от уровней звукового давления.

Воздушный шум / структурный шум

Под воздушным шумом понимается звук, который распространяется по воздуху (в отличие от звука, передаваемого на конструкцию [ударного шума]). Структурный шум – это звук, который распространяется через конструкции или поверхности. Ударный шум является одним из видов структурного шума. Типичным воздушным шумом, встречающимся в здании, являются человеческая речь, голоса домашних животных и т.д. Пианино создаёт в помещении воздушный шум, а шаги при ходьбе по полу создают ударный шум.

Звукоизоляция

Способность изолировать воздушный шум показывает, в какой степени конструкция изолирует звук, проходящий через конструкцию. Способность конструкции изолировать воздушный шум представляет собой отношение энергии звука, воздействующего на конструкцию, к энергии звука, прошедшей через конструкцию, и измеряется в децибелах. Если звукоизолирующая способность конструкции составляет 50 дБ, то через конструкцию проходит только одна сотая энергии звука, воздействовавшего на конструкцию.

Звукоизолирующая способность конструкции зависит, прежде всего, от массы конструкции и частоты звука. В случае простых массивных конструкций их звукоизолирующая способность определяется на основании т.н. закона массы:

R=20*log(m*f)-49 (дБ), где

R – звукоизолирующая способность (дБ)

m – масса на квадратный метр (кг/м²)

f – частота (Гц).

При удвоении массы или частоты звука звукоизолирующая способность увеличивается на 6 дБ. Согласно закону массы, с помощью более тяжёлой конструкции достигается более высокая звукоизолируемость. Таким образом, конструкции с большой массой акустически являются особенно пригодными для использования. Когда стремятся достигнуть по возможности хорошей звукоизоляции, используют бетонные конструкции. Изоляции звуков низкой частоты возможно достигнуть только с помощью тяжёлых конструкций.

Глушение звука

В жилых домах звук распространяется из других квартир в виде воздушного шума и структурного шума (ударного шума), дополнительно к этому звуки создаёт работающее в зданиях техническое оборудование. Доносящийся снаружи шум дорожного движения, а в некоторых местах также и рельсового транспорта или самолётов, либо даже все эти звуки вместе создают общий шум в квартире. В разделе «С1» сборника строительных правил Финляндии RakMK приведены требования к изоляции от воздушного шума и уровню ударного шума в квартирах, а также к допустимому уровню шума от технического оборудования внутри и снаружи здания.  Уровень наружного шума, обусловленный окружающей средой, зависит от места, и требования к звукоизоляции наружных ограждающих конструкций здания представлены в виде графика.

Нижеследующая таблица отражает субъективно различные нормы звукоизоляции R’w (дБ) в конструкции перегородок:

R’w (дБ). Субъективное воздействие в соседнем помещении

  • 62 Работающее на максимальной громкости радио не слышно
  • 57 Работающее на нормальной громкости радио не слышно, на максимальной громкости уже слышно
  • 52 Слышно радио, работающее на нормальной громкости
  • 47 Громкие звуки понятны, а мелодии узнаваемы
  • 42 Возможно понять нормальную речь
  • 37 Нормальная речь полностью понятна
  • 32 Как будто тихий радиоголос в приёмном помещении

Важные обстоятельства при достижении звукоизоляции в жилом доме

  • Для достижения звукоизоляции конструкции должны быть совершенно плотными.
  • Трещина или дыра всегда ухудшают звукоизоляцию.
  • В вентиляционных каналах между квартирами необходимы шумоглушители.
  • В системе отопления между радиаторами квартир необходимо устанавливать эластичные детали труб или эластичные вентили радиаторов, чтобы звуки не переносились через радиаторы из одного помещения в другое.
  • Акустическое проектирование требует целостного планирования, а для его реализации необходима тщательность.

В чем заключается эффект Доплера?

Эффект Доплера или доплеровский сдвиг возникает при движении наблюдателя относительно источника излучения (или наоборот) и заключается в изменении длины волны или частоты сигнала. Это явление, обнаруженное австрийским физиком Кристианом Доплером в 1803 году, может проявляться по-разному. Классическим примером данного эффекта является слышимое изменение высоты звука от проезжающей мимо машины скорой помощи. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics® позволяет эффективно моделировать эффект Доплера в акустических системах и приложениях.

Первоначальная версия статьи была написана Александрой Фоули (Alexandra Foley) и опубликована 15 июля 2013 года. По сравнению с оригиналом данная заметка была значительно переработана, в неё были добавлены новые материалы и анимации на основе обновлённой версии демонстрационной модели, созданной в нашем пакете.

Суть эффекта Доплера

Мы часто сталкиваемся с эффектом Доплера, улавливая изменение высоты тона звука вследствие движения источника звука относительно неподвижного наблюдателя или, наоборот, при движении приемника относительно неподвижного излучателя. Когда источник звука неподвижен, звук, который мы слышим (будучи также в неподвижном состоянии), имеет ту же высоту (частоту), что и звук, непосредственно излучаемый источником.


Звуковые волны, распространяющиеся от неподвижного источника звука в однородном потоке флюида. Данная постановка аналогична случаю, когда источник движется с постоянной скоростью.

При движении источника, звук, который мы слышим, изменяется. Вернёмся к примеру с машиной скорой помощи. Когда она проезжает мимо, сирена звучит иначе, чем если бы мы стояли непосредственно рядом с ней все время. Высота звука, создаваемого сиреной машины скорой помощи, изменяется, когда она приближается, проезжает прямо мимо нас и уезжает.

В процессе приближения машины каждая последующая звуковая волна излучается с более близкого расстояния, чем предыдущая. Из-за этого изменения положения для каждой последующей волны уменьшается время, за которое она доходит до нас. Следовательно, уменьшается расстояние между гребнями волны (длина волны), а значит частота волны увеличивается и звук воспринимается, как более высокий.

Это работает и в противоположном направлении. Когда источник звука удаляется, волны идут до нас всё дольше и дольше. Длина волны увеличивается, воспринимаемая частота уменьшается, высота звука понижается. Аналогичный эффект будет наблюдаться, если мы сами будет проезжать мимо припаркованной машины скорой помощи. В этом случае наблюдатель, то есть мы, движется к источнику. Каждая последующая звуковая волна всё быстрей доходит до нас по мере приближения.

Визуализация ещё одного примера эффекта Доплера

Другим наглядным примером эффекта Доплера является распространение волн на поверхности водоема. К примеру, жук лежит на поверхности лужи. Когда жук неподвижен, он все равно двигает конечностями, чтобы оставаться на плаву. Эти возмущения флюида распространяются по направлению от жука на поверхности воды в виде сферических волн.

Если жук начинает плыть, то это влияет на поток воды вокруг него. Пики волн следуют ближе друг к другу, когда жук приближается к нам и, наоборот, дальше, когда он уплывает. На анимации выше концептуально показано распространение волн на воде со скоростью, которая намного медленнее, чем скорость звука. Из-за маленькой скорости эффект Доплера в данном случае можно увидеть невооружённым глазом.

Численное моделирование эффекта Доплера

С использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics® и уникальных возможностей модуля расширения Акустика можно смоделировать эффект Доплера и рассчитать изменение частоты для источника, движущегося с заданной скоростью. Предположим, что воздух вокруг источника звука (в данном случае – это скорая помощь) движется со скоростью V = 50 м/с в отрицательном направлении по оси z. Также будем считать, что наблюдатель стоит на расстоянии 1 метра от скорой помощи, когда она проезжает мимо. На изображении ниже показан график зависимости звукового давления от расстояния для двух противоположных случаев, когда машина приближается и отдаляется от наблюдателя.


На этом графике по оси x представлено расстояние от машины скорой помощи до наблюдателя. Сплошной линией обозначен график звукового давления, которое воспринимает наблюдатель при приближении машины, а пунктирной линией — давление при удалении машины.

Представленный график позволяет увидеть, как амплитуда волны (или давление) быстрее уменьшается при удалении машины скорой помощи от наблюдателя по сравнению с тем, когда она приближается. Изменение амплитуды волны подтверждает наш эмпирический опыт: сирена становится тише по мере удаления от нас машины скорой помощи. Скорость, с которой уровень звука уменьшается при удалении скорой помощи, намного выше, чем скорость, с которой звук становится выше при приближении машины (как показано на графике выше).

Давайте теперь взглянем на этот эффект в немного другом представлении. Мы можем визуализировать уровень звукового давления вокруг источника звука. Помните, что источник движется в положительном направлении по оси z.


Распределение уровня звукового давления вокруг источника звука градиентом цвета и контурными линиями. Отчетливо видно, что самый внешний контур проходит через внутреннюю часть области моделирования к внешнему слою с идеально согласованными слоями (PML), область которые не показан на графике. Указанный факт также подтверждает тот факт, что звук ниже источника больше, чем над ним.

Другие примеры эффекта Доплера

Эффект Доплера проявляется (и используется) в самых различных приложениях. Одним из распространённых примеров является доплеровский радар, волновой пучок которого направляется на движущийся объект. Зная время, в течении которого волновой пакет доходит до цели, отражается и возвращается обратно к передатчику, можно рассчитать скорость цели. Доплеровский радар используется полицейскими для обнаружения машин, которые движутся быстрее, чем установленное скоростное ограничение.

Эффект Доплера также используется в астрономии для определения направления и скорости, с которой звёзды, планеты и галактики движутся относительно Земли. Измеряя изменение «цвета» электромагнитных волн, астроном может определить радиальную скорость небесного тела. В данном случае обычно оперируют терминами redshift или blueshift, т.е. красное или синее смещение. Если вы заметите «красную» звезду, это значит, что она довольно далеко от Земли. Кроме того, это явный индикатор того, что Вселенная расширяется!

Эффект Доплера также используется в метеорологических прогнозах, гидролокаторах, медицинской интроскопии, измерении кровотока и спутниковой связи.

Дальнейшие шаги

Нажмите на кнопку ниже, чтобы самостоятельно попробовать смоделировать эффект Доплера. При наличии учетной записи COMSOL Access и действующей лицензии на программное обеспечение вы сможете загрузить MPH-файл учебной модели, описанной в данной заметке.

Дополнительные материалы

Набор инструментов для контроля частоты

В рабочей практике происходит множество процессов, которые требуют подсчета частоты вращения или следования объектов. Например, это обязательный контроль частоты вала ленточного транспортера, привода крыльчатки бетономешалки, частоты следования ковшей нории, частоты вращения шестерни коробки передач.

От выполнения этих задач зависит производительность оборудования, поэтому Вы стараетесь выбирать надежные и долговечные инструменты для их решения:

  • проверенные опытным путем
  • с гарантией качества
  • по выгодным, стабильным ценам
  • и с возможностью срочной/бесплатной доставки.

В «ТЕКО» Вы получите полный спектр выгод и широкий выбор инструментов для подсчета частоты.

 

Индуктивные датчики для контроля частоты вращения приводного барабана конвейера

В случае провисания или обрыва конвейерной ленты, нарушается технологический процесс. Этого можно избежать, используя индуктивный датчик контроля минимальной скорости. После установки датчика на приводной барабан конвейера, Ваша система автоматически отслеживает частоту его оборотов, тем самым держит под контролем состояние ленты транспортера. В случае неисправности (снижении частоты ниже установленного минимума) на устройство управления будет подан сигнал о неполадках в работе системы.

 

С помощью подстроечного резистора на датчике устанавливается минимальное пороговое значение частоты вращения приводного барабана (скорости движения ленты). Для того, чтобы датчик не выдал ложный сигнал по причине инерции конвейера, в нем предусмотрена величина задержки срабатывания при первоначальном запуске двигателя для разгона. В типовых датчиках она достигает 9 секунд, при необходимости — регулируется. Диапазон регулируемых частот: 0,1…2,5 Гц; 2…50 Гц

Вариант успешного применения датчика контроля минимальной скорости: контроль исправности грохота. Датчик запрограммирован на определенную частоту прохождения грохота мимо чувствительного элемента. И в случае, если частота меняется, датчик сигнализирует о сбое в работе грохота (из-за обрыва троса, выхода из строя двигателя или другой возможной причины).

Гарантия — 24 месяца

 

Контроль частоты в специфических условиях, для индивидуальных обстоятельств

При необходимости, любые типы датчиков «ТЕКО» могут выступать в качестве датчиков минимальной скорости: индуктивные, емкостные, оптические и магниточувствительные. Для этого их достаточно подключить к блоку контроля частоты CF1, который контролирует частоту импульсов входного сигнала и формирует сигнал на выходе при достижении частотой установленного порогового значения.

Применение блока позволяет контролировать частоту следования объектов во взрывоопасных средах: в соединении со взрывобезопасными датчиками и блоком сопряжения.

Для контроля объектов в «узких» местах конструкции, где крупногабаритный датчик разместить невозможно, возможно применение миниатюрных датчиков с блоком контроля частоты.

Гарантия — 12 месяцев

 

Датчики скорости (датчик частоты вращения) на эффекте Холла

Для определения частоты вращения вала в коробках передач и подачи сигнала на тахометр и тахограф мы рекомендуем датчики частоты ВТИЮ.7019 и ВТИЮ.7030.

Контроль частоты вращения механизмов широко востребован для определения скорости движения автотранспорта, мониторинга работы автокрана и для отлаженной работы оборудования, в составе которого присутствуют вращающиеся приводные устройства (от сепаратора до грохота).

Измерение частоты вращения с помощью датчиков «ТЕКО» осуществляется бесконтактно и не влияет на срок службы оборудования.

Датчики частоты ВТИЮ.7019 и ВТИЮ.7030. успешно применяются на автомобилях производства КАМАЗ, МАЗ и других известных производителей.

Гарантия — 24 месяца

 

Исправность трансмиссии всегда под контролем индуктивных датчиков

Регулярная оценка рабочего состояния трансмиссии позволяет Вам избежать аварий, простоев и непредвиденных ремонтных работ. Специально для наблюдения за частотой вращения элементов трансмиссии предназначен датчик ВТИЮ. 7040. Частота вращения контролируемых элементов может составлять от 0 до 6000 Гц. При необходимости мы разрабатываем датчики под индивидуальные габариты.

Датчик готовится к выпуску.

 

Контролируйте частоту с помощью фотоэлектрических преобразователей

Определяйте частоту вращающегося объекта с помощью фотоэлектрического преобразователя «ТЕКО» OT NK21A-311P-11-L-F.

Принцип его работы в том, чтобы контролируемый объект или его деталь прерывала световой поток, излучаемый датчиком. Прерывание преобразуется в импульс на выходе датчика, который вы можете использовать для контроля частоты вращающегося диска или любой другой детали, совершающей обороты. Одному пересечению луча соответствует один выходной импульс, формируемый по окончанию прохождения затеняющего предмета.

Гарантия — 24 месяца

 

Мониторинг аварийных ситуаций с помощью тахометра

Для подсчёта и индикации количества действий в единицу времени, а также для выдачи управляющего сигнала при достижении заданной установки частоты предлагаем использовать тахометр ТХ1 РЗЩ.

Помимо постоянного мониторинга аварийных ситуаций (в системах контроля частоты вращения механизмов) Вы получаете:

  • Универсальность/взаимозаменяемость входных портов;
  • Функция «Слежение», управляющая выходным реле;
  • Непрерывная и динамичная индикация;
  • Программируемый коэффициент деления частоты входного сигнала;
  • Детектирование направления вращения при использовании двух сигналов;
  • Встроенный источник питания.

Гарантия на прибор — 24 месяца

 

Контроль частоты вращения зубчатого колеса обычным индуктивным датчиком

Задачу контроля частоты вращения зубчатого колеса можно решить с помощью обычного индуктивного датчика. Для этого нужно знать максимальную рабочую частоту оперирования датчика, частоту вращения зубчатого колеса и число его зубьев.
Для правильного определения рабочей частоты датчика необходимо определить частоту воздействия на него зубчатого колеса.

Решение возможно с помощью простой формулы:
m x n / 60= ƒ (Гц)
где m — число зубьев, а n — частота вращения об/мин.

Например, ВТИЮ.1605.

Ту же задачу с помощью индуктивных датчиков «ТЕКО» можно решать в специфических условиях эксплуатации. Например, возможно внедрение индуктивного датчика ISBm WC48S8-31N-1,5-250-LZR14-1H-V в редуктор для контроля частоты вращения вала. Датчик безотказно и долго работает в условиях непрерывной вибрации и попадания брызг масла. Это возможно за счет герметичного и вибростойкого корпуса. Таким образом с помощью индуктивного бесконтактного выключателя Вы предотвращаете вероятность аварии, которая может случиться из-за сбоя в скорости вращения вала.

Гарантия на прибор — 2,5 года

 

Датчик контроля частоты тягового двигателя — ISBt A27B8

Датчик ISBt A27B8 позволяет определять скорость вращения двигателя. Главное преимущество датчика — в возможности работать с высокой частотой переключения (до 10.000Гц) Именно эта характеристика позволяет использовать его с целью контроля частоты тягового двигателя. Однако, он применим и для контроля частоты других объектов.

 

Датчик контроля скорости вращения в общепромышленном исполнении

Бесконтактный датчик ВТИЮ.1345/1345-01 предназначен для контроля скорости вращения различных механизмов. Находит применение во взрывобезопасных условиях, где требуется контроль за минимальной скоростью, где есть риск самопроизвольного снижения скорости или проскальзывания. ВТИЮ.1345 может быть использован на цепных конвейерах, ковшовых элеваторах и других видах вращающихся и перемещающихся устройств.

Выключатель минимальной скорости контролирует частоту прохождений определенных металлических объектов перед чувствительным элементом. Если частота меньше установленного значения, значит, скорость снижена. Тогда выключатель изменяет состояние выходных контактов, тем самым отключая исполнительный механизм или включая сигнал тревоги. Пороговое значение скорости, при которой происходит срабатывание датчика, устанавливается регулировкой. 10-ти секундная задержка в момент запуска системы позволяет механизмам вернуться к рабочему режиму.

Корпус ВТИЮ. 1345 вандалоустойчивый.

Гарантия на прибор — 24 месяца

 

Датчики с увеличенной дальностью и высокой частотой оперирования

Для обнаружения объектов с высокой частотой вращения (например, зубчатой шестерни или других механизмов) используйте индуктивные датчики с повышенной (относительно базовых моделей датчиков) частотой оперирования. Например, частота переключения датчика ISN FC21A-31P-6-LS4 с номинальным зазором в 6 мм составляет 2000 Гц.

Высокая частота оперирования характерна не только для типовых датчиков «ТЕКО», но также для бесконтактных выключателей с увеличенным (относительно базового) расстоянием срабатывания.

Подберите нужные вам варианты датчиков с повышенной частотой оперирования. Например:

Пример встраимаевых датчиков в корпусе М12:

Типовое исполнение С повышенной чувствительностью
ISB AC21A-31P-2-LZS4 ISB AC21A-31P-4-LZS4
Номинальный зазор — 2мм Номинальный зазор — 4мм
Частота переключения — 3000 Гц Частота переключения — 3000 Гц


Пример невстраиваемых датчиков в корпусе M8:

 

Типовое исполнение С повышенной чувствительностью
ISN EC12B-31N-2,5-LS4 ISN EC14B-31N-4-LS4
Номинальный зазор — 2,5 мм Номинальный зазор — 4мм
Частота переключения — 1300 Гц Частота переключения — 1300 Гц

 


Сделайте заказ или проконсультируйтесь со специалистом отдела продаж
по телефону +7 (351) 729-82-00 или по адресу [email protected]


14.1 Скорость звука, частота и длина волны — Физика

Задачи обучения разделу

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Связать характеристики волн со свойствами звуковых волн
  • Опишите скорость звука и ее изменение на различных носителях
  • Связать скорость звука с частотой и длиной волны звуковой волны

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (7) Научные концепции.Студент знает характеристики и поведение волн. Ожидается, что студент:
    • (А) исследовать и описывать колебательные движения и распространение волн в различных типах сред;
    • (В) исследовать и анализировать характеристики волн, включая скорость, частоту, амплитуду и длину волны, и вычислять, используя соотношение между скоростью, частотой и длиной волны;
    • (С) сравнивать характеристики и поведение поперечных волн, включая электромагнитные волны и электромагнитный спектр, а также характеристики и поведение продольных волн, включая звуковые волны;
    • (F) описать роль волновых характеристик и поведения в медицинских и промышленных приложениях.

Кроме того, Руководство лаборатории по физике для старших классов рассматривает содержание этого раздела лаборатории под названием «Волны», а также следующие стандарты:

  • (7) Научные концепции. Студент знает характеристики и поведение волн. Ожидается, что студент:
    • (В) исследовать и анализировать характеристики волн, в том числе скорость, частоту, амплитуду и длину волны, и вычислять, используя соотношение между скоростью, частотой и длиной волны.

Раздел Ключевые термины

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] Просмотрите волны и типы волн — механические и немеханические, поперечные и продольные, импульсные и периодические. Просмотрите свойства волн — амплитуду, период, частоту, скорость и их взаимосвязь.

Свойства звуковых волн

Звук — это волна. Более конкретно, звук определяется как возмущение материи, которое передается от своего источника вовне.Нарушение — это все, что выходит из состояния равновесия. Некоторые звуковые волны можно охарактеризовать как периодические волны, что означает, что атомы, составляющие материю, испытывают простое гармоническое движение.

Вибрирующая струна создает звуковую волну, как показано на рисунках 14.2, 14.3 и 14.4. Когда струна колеблется вперед и назад, часть энергии струны идет на сжатие и расширение окружающего воздуха. Это создает несколько более высокое и более низкое давление.Области более высокого давления … это сжатия, а области низкого давления — разрежения. Возмущение давления движется по воздуху продольными волнами с той же частотой, что и струна. Часть энергии теряется в виде тепловой энергии, передаваемой воздуху. Вы можете вспомнить из главы о волнах, что области сжатия и разрежения в продольных волнах (таких как звуковые) аналогичны гребням и впадинам в поперечных волнах.

Рис. 14.2 Вибрирующая струна, движущаяся вправо, сжимает воздух перед собой и расширяет воздух за ней.

Рис. 14.3 По мере того, как струна перемещается влево, создается еще одно сжатие и разрежение, поскольку частицы справа удаляются от струны.

Рис. 14.4 После многих вибраций происходит серия сжатий и разрежений, которые передаются от струны в виде звуковой волны. График показывает манометрическое давление (P , манометр ) в зависимости от расстояния x от источника. Манометрическое давление — это давление относительно атмосферного давления; он положительный для давлений выше атмосферного и отрицательный для давлений ниже него.Для обычных, повседневных звуков давление незначительно отличается от среднего атмосферного давления.

Амплитуда звуковой волны уменьшается по мере удаления от источника, поскольку энергия волны распространяется на все большую и большую площадь. Но часть энергии также поглощается объектами, такими как барабанная перепонка на рис. 14.5, а часть энергии преобразуется в тепловую энергию в воздухе. На рисунке 14.4 показан график зависимости избыточного давления от расстояния до вибрирующей колонны. Из этого рисунка видно, что сжатие продольной волны аналогично пику поперечной волны, а разрежение продольной волны аналогично провалу поперечной волны.Подобно тому, как поперечная волна чередуется между пиками и впадинами, продольная волна чередуется между сжатием и разрежением.

Рис. 14.5 Сжатия и разрежения звуковой волны поднимаются по слуховым проходам и заставляют барабанную перепонку вибрировать. На барабанную перепонку действует чистая сила, поскольку давление звуковой волны отличается от атмосферного давления за барабанной перепонкой. Сложный механизм преобразует вибрации в нервные импульсы, которые затем интерпретируются мозгом.

Скорость звука

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] Обратите внимание на тот факт, что звук является механической волной и требует среды, через которую он передается.

[OL] [AL] Спросите студентов, знают ли они скорость звука, а если нет, попросите их угадать. Спросите их, почему звук грома часто слышен после того, как во время грозы видны молнии. Это явление также наблюдается во время показа фейерверков. В ходе этого обсуждения развейте представление о том, что скорость звука конечна и измерима и намного медленнее, чем скорость света.

Скорость звука сильно варьируется в зависимости от среды, через которую он распространяется. Скорость звука в среде определяется сочетанием жесткости среды (или сжимаемости в газах) и ее плотности.Чем жестче (или менее сжимаема) среда, тем выше скорость звука. Чем больше плотность среды, тем медленнее скорость звука. Скорость звука в воздухе мала, потому что воздух сжимаемый. Поскольку жидкости и твердые тела относительно жесткие и их очень трудно сжимать, скорость звука в таких средах обычно выше, чем в газах. В таблице 14.1 показана скорость звука в различных средах. Поскольку температура влияет на плотность, скорость звука в некоторой степени зависит от температуры среды, через которую он распространяется, особенно для газов.

Поддержка учителей

Поддержка учителей
Предупреждение о неправильном представлении

Студенты могут запутаться между жесткостью и плотностью и тем, как они влияют на скорость звука. Скорость звука ниже в более плотных носителях. Твердые вещества более плотные, чем газы. Однако они также очень жесткие, и поэтому звук в твердых телах распространяется быстрее. Подчеркните тот факт, что скорость звука всегда зависит от комбинации этих двух свойств любой среды.

Средний v w (м / с)
Газы при 0 ° C
Воздух 331
Двуокись углерода 259
Кислород 316
Гелий 965
Водород 1290
Жидкости при 20 ° C
Этанол 1160
Меркурий 1450
Вода пресная 1480
Морская вода 1540
Ткани человека 1540
Твердые тела (продольные или насыпные)
Вулканизированная резина 54
Полиэтилен 920
Мрамор 3810
Стекло, Pyrex 5640
Свинец 1960
Алюминий 5120
Сталь 5960

Таблица 14.1 Скорость звука в различных средах

Teacher Support

Teacher Support

[BL] Обратите внимание, что в таблице скорость звука в очень жестких материалах, таких как стекло, алюминий и сталь … довольно высока, тогда как скорость в резине, которая значительно менее жесткий, довольно низкий.

Связь между скоростью звука и частотой и длиной волны звуковой волны

Рис. 14.6 Когда в небе взрывается фейерверк, энергия света воспринимается раньше, чем энергия звука.Звук распространяется медленнее, чем свет. (Доминик Алвес, Flickr)

Звук, как и все волны, распространяется с определенной скоростью через различные среды и имеет свойства частоты и длины волны. Звук распространяется намного медленнее света — вы можете наблюдать это, наблюдая за фейерверком (см. Рис. 14.6), поскольку вспышка взрыва видна раньше, чем его звук.

Соотношение между скоростью звука, его частотой и длиной волны такое же, как для всех волн:

, где v — скорость звука (в м / с), f — его частота (в герцах), а λλ — его длина волны (в метрах).Напомним, что длина волны определяется как расстояние между соседними идентичными частями волны. Таким образом, длина волны звука — это расстояние между соседними идентичными частями звуковой волны. Так же, как расстояние между соседними гребнями в поперечной волне равно одной длине волны, расстояние между соседними компрессиями в звуковой волне также равно одной длине волны, как показано на рисунке 14.7. Частота звуковой волны такая же, как у источника. Например, камертон, вибрирующий с заданной частотой, будет производить звуковые волны, которые колеблются с той же частотой.Частота звука — это количество волн, которые проходят точку за единицу времени.

Рис. 14.7 Звуковая волна исходит от источника, вибрирующего с частотой f , распространяется при v и имеет длину волны λλ.

Teacher Support

Teacher Support

[BL] [OL] [AL] В музыкальных инструментах более короткие струны вибрируют быстрее и, следовательно, производят звуки на более высоких тонах. Расположение ладов на таких инструментах, как гитары, банджо и мандолины, определяется математически, чтобы дать правильный интервал или изменение высоты тона.Когда струна прижимается к струне лада, струна укорачивается, изменяя ее высоту. Попросите студентов поэкспериментировать со струнами разной длины и понаблюдать за тем, как изменяется высота звука в каждом случае.

Одним из наиболее важных свойств звука является то, что его скорость почти не зависит от частоты. Если бы это было не так, и высокочастотные звуки распространялись бы быстрее, например, то чем дальше вы находитесь от группы на футбольном стадионе, тем больше звук от инструментов с низким тоном будет отставать от звука с высоким тоном.Но музыка от всех инструментов поступает в ритме независимо от расстояния, и поэтому все частоты должны двигаться почти с одинаковой скоростью.

Напомним, что v = fλv = fλ, и в данной среде при фиксированных температуре и влажности v постоянно. Следовательно, соотношение между f и λλ обратное: чем выше частота, тем короче длина волны звуковой волны.

Поддержка учителей

Поддержка учителей
Демонстрация учителей

Держите метр на столе ровно так, чтобы его край выступал примерно на 80 см.Заставьте стержень измерителя вибрировать, потянув за кончик вниз и отпустив, при этом плотно прижимая стержень измерителя к рабочему столу. Пока он вибрирует, переместите стик обратно на рабочий стол, укоротив выступающую часть. Учащиеся увидят сокращение вибрирующей части измерителя и услышат увеличение высоты тона или количества колебаний — увеличение частоты.

Скорость звука может меняться при переходе звука от одного носителя к другому. Однако частота обычно остается той же, потому что она похожа на возбужденное колебание и поддерживает частоту исходного источника.Если v изменяется, а f остается прежним, то длина волны λλ должна измениться. Поскольку v = fλv = fλ, чем выше скорость звука, тем больше длина его волны для данной частоты.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[AL] Попросите учащихся предсказать, что произойдет, если скорость звука в воздухе будет варьироваться в зависимости от частоты.

Виртуальная физика

Звук

Это моделирование позволяет видеть звуковые волны. Отрегулируйте частоту или амплитуду (громкость), и вы сможете увидеть и услышать, как меняется волна.Перемещайте слушателя и слушайте то, что она слышит. Перейдите на вкладку «Взаимодействие с двумя источниками» или «Взаимодействие по отражению», чтобы поэкспериментировать с помехами и отражениями.

Советы для успеха

Убедитесь, что звук включен и установлен на Listener, а не Speaker, иначе звук не будет меняться при перемещении слушателя.

Проверка захвата

На первой вкладке Listen to a Single Source переместите слушателя как можно дальше от динамика, а затем измените частоту звуковой волны.Возможно, вы заметили, что существует задержка между моментом, когда вы меняете настройку, и временем, когда вы слышите, как звук становится ниже или выше по высоте. Почему это?

  1. Потому что интенсивность звуковой волны меняется в зависимости от частоты.
  2. Потому что скорость звуковой волны меняется при изменении частоты.
  3. Потому что громкость звуковой волны требует времени, чтобы отрегулировать ее после изменения частоты.
  4. Потому что для того, чтобы звук достиг слушателя, требуется время, поэтому слушатель воспринимает новую частоту звуковой волны после задержки.

Есть ли разница в величине задержки в зависимости от того, увеличиваете ли вы частоту или уменьшаете ее? Почему?

  1. Да, скорость распространения зависит только от частоты волны.
  2. Да, скорость распространения зависит от длины волны, и длина волны изменяется вместе с изменением частоты.
  3. Нет, скорость распространения зависит только от длины волны.
  4. Нет, скорость распространения постоянна в данной среде; только длина волны изменяется при изменении частоты.

Snap Lab

Голос как звуковая волна

В этой лабораторной работе вы понаблюдаете за эффектами выдувания и речи на листе бумаги, чтобы сравнить и сопоставить различные звуковые волны.

  • лист бумаги
  • лента
  • стол

Инструкции

Процедура

  1. Подвесьте лист бумаги так, чтобы верхний край бумаги был зафиксирован, а нижний край мог свободно двигаться.Вы можете, например, приклеить верхний край бумаги к краю стола.
  2. Осторожно продуйте воздух возле края нижней части листа и обратите внимание на его движение.
  3. Говорите мягко, а затем громче, чтобы звуки доходили до края нижней части бумаги, и отметьте, как движется лист.
  4. Интерпретируйте результаты.

Проверка захвата

Какое свойство звуковой волны усиливается, когда вы говорите громче, чем тихо?

  1. амплитуда волны
  2. частота волны
  3. скорость волны
  4. длина волны

Рабочий пример

Каковы длины волн слышимых звуков?

Рассчитайте длины волн звуков в крайних пределах слышимого диапазона, 20 и 20 000 Гц, в условиях, когда звук распространяется на 348.7 м / с.

Стратегия

Чтобы найти длину волны по частоте, мы можем использовать v = fλv = fλ.

Решение

(1) Определите известные. Приведены значения для v и f .

(2) Найдите взаимосвязь между скоростью, частотой и длиной волны для λλ.

(3) Введите скорость и минимальную частоту для получения максимальной длины волны.

λmax = 348,7 м / с 20 Гц = 17 м≈20 м (1 знаковый рисунок) λmax = 348,7 м / с 20 Гц = 17 м≈20 м (1 сигн.рисунок)

14,3

(4) Введите скорость и максимальную частоту, чтобы получить минимальную длину волны.

λmin = 348,7 м / с 20000 Гц = 0,017 м≈2 см (1 сигн. цифра) λmin = 348,7 м / с 20000 Гц = 0,017 м≈2 см (1 сиг. цифра)

14,4

Обсуждение

Поскольку произведение f на λλ равняется постоянной скорости в неизменных условиях, чем меньше f , тем больше должно быть λλ, и наоборот. Обратите внимание, что вы также можете легко изменить ту же формулу, чтобы найти частоту или скорость.

Практические задачи

1.

Какова скорость звуковой волны с частотой 2000 Гц и длиной волны 0,4 м?

  1. 5 × 103 м / с
  2. 3,2 × 102 м / с
  3. 2 × 10−4м / с
  4. 8 × 102 м / с
2.

Собаки могут слышать частоты до 45 кГц. Какова длина волны звуковой волны этой частоты, распространяющейся в воздухе при 0 ° C?

  1. 2.0 × 107 м
  2. 1,5 × 107 м
  3. 1,4 × 102 м
  4. 7,4 × 10−3м

Ссылки на физику

Эхолокация

Рис. 14.8 Летучая мышь использует звуковое эхо, чтобы ориентироваться и ловить добычу. Время возврата эха прямо пропорционально расстоянию.

Эхолокация — это использование отраженных звуковых волн для обнаружения и идентификации объектов. Он используется такими животными, как летучие мыши, дельфины и киты, а также имитируется людьми в SONAR — Sound Navigation and Ranging — и технологии эхолокации.

Летучие мыши, дельфины и киты используют эхолокацию для навигации и поиска пищи в окружающей среде. Они обнаруживают объект (или препятствие), издавая звук, а затем улавливая отраженные звуковые волны. Поскольку скорость звука в воздухе постоянна, время, которое требуется звуку, чтобы добраться до объекта и обратно, дает животному ощущение расстояния между собой и объектом. Это называется в диапазоне . На рис. 14.8 показана летучая мышь, использующая эхолокацию для определения расстояния.

Эхолокационные животные идентифицируют объект, сравнивая относительную интенсивность звуковых волн, возвращающихся в каждое ухо, чтобы определить угол, под которым звуковые волны отражались.Это дает информацию о направлении, размере и форме объекта. Поскольку между двумя ушами животного существует небольшое расстояние, звук может вернуться в одно из ушей с небольшой задержкой, что также дает информацию о положении объекта. Например, если медведь находится прямо справа от летучей мыши, эхо вернется в левое ухо летучей мыши позже, чем в ее правое ухо. Однако, если медведь идет прямо перед летучей мышью, эхо вернется в оба уха одновременно.Для животного без зрения, такого как летучая мышь, важно знать , где находятся другие животные, а также , где они находятся; от этого зависит их выживание.

Принципы эхолокации были использованы для разработки множества полезных сенсорных технологий. SONAR используется подводными лодками для обнаружения подводных объектов и измерения глубины воды. В отличие от эхолокации животных, которая использует только один передатчик (рот) и два приемника (уши), искусственный SONAR использует множество передатчиков и лучей для получения более точных данных об окружающей среде.Радиолокационные технологии используют эхо радиоволн для определения местоположения облаков и штормовых систем при прогнозировании погоды, а также для определения местоположения самолетов для управления воздушным движением. Некоторые новые автомобили используют технологию эхолокации, чтобы обнаруживать препятствия вокруг машины и предупреждать водителя, который может что-то ударить (или даже автоматически припарковаться параллельно). Технологии эхолокации и системы обучения разрабатываются, чтобы помочь людям с ослабленным зрением ориентироваться в повседневной среде обитания.

Проверка захвата

Если хищник находится слева от летучей мыши, как летучая мышь узнает?

  1. Эхо сначала вернется в левое ухо.
  2. Эхо сначала вернется в правое ухо.

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижения учащихся по целям обучения раздела. Если учащиеся борются с какой-то конкретной целью, эти вопросы помогут определить, какие учащиеся, и направить их к соответствующему содержанию.

3.

Что такое разрежение?

  1. Редкость — это область высокого давления, возникающая в среде при прохождении через нее продольной волны.
  2. Редкость — это область низкого давления, возникающая в среде при прохождении через нее продольной волны.
  3. Редкость — это наивысшая точка амплитуды звуковой волны.
  4. Редкость — это самая низкая точка амплитуды звуковой волны.
4.

Какого рода движение испытывают частицы среды, когда через них проходит звуковая волна?

  1. Простое гармоническое движение
  2. Круговое движение
  3. Случайное движение
  4. Поступательное движение
5.

От чего зависит скорость звука?

  1. Длина волны
  2. Размер средний
  3. Частота волны
  4. Свойства среды
6.

Какое свойство газа влияет на скорость звука, проходящего через него?

  1. Объем газа
  2. Воспламеняемость газа
  3. Масса газа
  4. Сжимаемость газа

Учебное пособие по физике: Волновое уравнение

Как обсуждалось в Уроке 1, волна возникает, когда вибрирующий источник периодически мешает первой частице среды.Это создает волновой узор, который начинает перемещаться по среде от частицы к частице. Частота, с которой вибрирует каждая отдельная частица, равна частоте вибрации источника. Точно так же период колебаний каждой отдельной частицы в среде равен периоду колебаний источника. За один период источник способен переместить первую частицу вверх из состояния покоя, обратно в состояние покоя, вниз из состояния покоя и, наконец, обратно в состояние покоя. Это полное возвратно-поступательное движение составляет один полный волновой цикл.


На диаграммах справа показаны несколько «снимков» образования волны внутри веревки. Изображается движение возмущения по среде через каждую четверть периода. Обратите внимание, что за время, которое проходит от первого до последнего снимка, рука совершила одно полное движение вперед-назад. Срок истек. Обратите внимание, что за это же время передний фронт возмущения переместился на расстояние, равное одной полной длине волны.Таким образом, за время одного периода волна переместилась на расстояние в одну длину волны. Комбинируя эту информацию с уравнением для скорости (скорость = расстояние / время), можно сказать, что скорость волны также является длиной волны / периодом.

Поскольку период является обратной величиной частоты, выражение 1 / f может быть подставлено в приведенное выше уравнение для периода. Преобразование уравнения дает новое уравнение вида:

Скорость = Длина волны • Частота

Приведенное выше уравнение известно как волновое уравнение.Он устанавливает математическое соотношение между скоростью ( v ) волны и ее длиной (λ) и частотой ( f ). Используя символы v , λ и f , уравнение можно переписать как

v = f • λ

В качестве проверки вашего понимания волнового уравнения и его математического использования при анализе волнового движения рассмотрите следующий вопрос из трех частей:

Стэн и Анна проводят хитрый эксперимент.Они изучают возможное влияние нескольких переменных на скорость волны в обтяжке. Их таблица данных приведена ниже. Заполните пропуски в таблице, проанализируйте данные и ответьте на следующие вопросы.

Средний Длина волны Частота Скорость
Цинк,

1 дюйм.диам. катушки

1,75 м 2,0 Гц ______
Цинк,

1 дюйм. диам. катушки

0,90 м 3,9 Гц ______
Медь,

1 дюйм. диам.катушки

1,19 м 2,1 Гц ______
Медь,

1 дюйм. диам. катушки

0,60 м 4,2 Гц ______
Цинк,

3 дюйма диам. катушки

0.95 кв.м. 2,2 Гц ______
Цинк,

3 дюйма диам. катушки

1,82 м 1,2 Гц ______

1. По мере увеличения длины волны в однородной среде ее скорость будет _____.

а. уменьшение

г. увеличить

г. остаются прежними

2. По мере увеличения длины волны в однородной среде ее частота будет _____.

а. уменьшение

г.увеличить

г. остаются прежними

3. Скорость волны зависит от (т. Е. Причинно зависит от) …

а. свойства среды, в которой распространяется волна

г. длина волны.

г. частота волны.

г.как длина волны, так и частота волны.

В приведенном выше примере показано, как использовать волновое уравнение для решения математических задач. Это также иллюстрирует принцип, согласно которому скорость волны зависит от свойств среды и не зависит от свойств волны. Несмотря на то, что скорость волны вычисляется путем умножения длины волны на частоту, изменение длины волны не влияет на скорость волны.Скорее, изменение длины волны влияет на частоту обратным образом. Удвоение длины волны приводит к уменьшению частоты вдвое; пока скорость волны не изменилась.

Проверьте свое понимание

1. Две волны на одинаковых струнах имеют частоты в соотношении 2: 1. Если их волновые скорости одинаковы, то как соотносятся их длины волн?

а.2: 1

г. 1: 2

г. 4: 1

г. 1: 4

2. Мак и Тош стоят на расстоянии 8 метров друг от друга и демонстрируют движение поперечной волны на змейке. Волна e может быть описана как имеющая вертикальное расстояние 32 см от впадины до гребня, частота 2.4 Гц и горизонтальное расстояние 48 см от гребня до ближайшего желоба. Определите амплитуду, период, длину и скорость такой волны.


3. Дон и Арам протянули между собой пояс и начали экспериментировать с волнами. Поскольку частота волн удваивается,

а. длина волны уменьшается вдвое, а скорость остается постоянной

г.длина волны остается постоянной, а скорость удваивается

г. длина волны и скорость уменьшаются вдвое.

г. длина волны и скорость остаются постоянными.

4. Колибри с рубиновым горлом взмахивает крыльями со скоростью около 70 взмахов крыльев в секунду.

а. Какая частота звуковой волны в Герцах?

г.Если предположить, что звуковая волна движется со скоростью 350 м / с, какова длина волны?

5. Во время шторма наблюдается движение океанских волн по поверхности воды. Метеостанция береговой охраны отмечает, что расстояние по вертикали от верхней точки до нижней точки составляет 4,6 метра, а по горизонтали — 8,6 метра между соседними гребнями. Волны падают на станцию ​​раз в 6.2 секунды. Определите частоту и скорость этих волн.


6. Две лодки стоят на якоре на расстоянии 4 метров друг от друга. Они подпрыгивают вверх и вниз, возвращаясь в одно и то же верхнее положение каждые 3 секунды. Когда один наверху, другой внизу. Между лодками никогда не бывает гребней волн. Рассчитайте скорость волн.

Учебник по физике: Скорость звука

Звуковая волна — это возмущение давления, которое распространяется через среду посредством межчастичного взаимодействия.Когда одна частица становится возмущенной, она оказывает силу на следующую соседнюю частицу, таким образом выводя эту частицу из состояния покоя и передавая энергию через среду. Как и любая волна, скорость звуковой волны означает, насколько быстро возмущение передается от частицы к частице. В то время как частота относится к количеству колебаний, которые отдельная частица совершает за единицу времени, скорость относится к расстоянию, которое возмущение проходит за единицу времени. Всегда будьте осторожны, чтобы различать две часто путаемые величины скорости ( насколько быстро… ) и частоты ( как часто … ).

Поскольку скорость волны определяется как расстояние, которое точка на волне (например, сжатие или разрежение) проходит за единицу времени, она часто выражается в метрах в секунду (сокращенно м / с). В форме уравнения это

скорость = расстояние / время

Чем быстрее распространяется звуковая волна, тем большее расстояние она преодолеет за тот же период времени.Если бы звуковая волна прошла расстояние 700 метров за 2 секунды, то скорость волны составила бы 350 м / с. Более медленная волна могла бы преодолеть меньшее расстояние — возможно, 660 метров — за тот же период времени в 2 секунды и, таким образом, иметь скорость 330 м / с. Более быстрые волны преодолевают большее расстояние за тот же период времени.

Факторы, влияющие на скорость волны

Скорость любой волны зависит от свойств среды, в которой она распространяется.Обычно существует два основных типа свойств, которые влияют на скорость волны — инерционные свойства и упругие свойства. Упругие свойства — это те свойства, которые связаны со склонностью материала сохранять свою форму и не деформироваться при приложении к нему силы или напряжения. Такой материал, как сталь, будет испытывать очень небольшую деформацию формы (и размеров) при приложении к нему напряжения. Сталь — жесткий материал с высокой эластичностью. С другой стороны, такой материал, как резинка, очень гибкий; когда к резиновой ленте прилагается сила, она легко деформируется или меняет свою форму.Небольшая нагрузка на резиновую ленту вызывает большую деформацию. Сталь считается жестким или жестким материалом, а резинка — гибким материалом. На уровне частиц жесткий или жесткий материал характеризуется атомами и / или молекулами с сильным притяжением друг к другу. Когда сила прилагается в попытке растянуть или деформировать материал, его сильные взаимодействия с частицами предотвращают эту деформацию и помогают материалу сохранять свою форму. Считается, что твердые материалы, такие как сталь, обладают высокой эластичностью.(Модуль упругости — это технический термин). Фаза вещества оказывает огромное влияние на упругие свойства среды. В общем, твердые тела имеют самое сильное взаимодействие между частицами, за ними следуют жидкости, а затем газы. По этой причине продольные звуковые волны в твердых телах распространяются быстрее, чем в жидкостях, чем в газах. Несмотря на то, что инерционный фактор может благоприятствовать газам, фактор упругости имеет большее влияние на скорость ( v ) волны, что дает общую картину:

v твердые вещества > v жидкости > v газы

Инерционные свойства — это свойства, связанные с тенденцией материала быть вялым при изменении состояния его движения.Плотность среды является примером инерционного свойства . Чем больше инерция (т.е. массовая плотность) отдельных частиц среды, тем меньше они будут реагировать на взаимодействия между соседними частицами и тем медленнее будет волна. Как указывалось выше, звуковые волны в твердых телах распространяются быстрее, чем в жидкостях, чем в газах. Однако в пределах одной фазы материи инерционное свойство плотности имеет тенденцию быть тем свойством, которое оказывает наибольшее влияние на скорость звука.Звуковая волна будет распространяться быстрее в менее плотном материале, чем в более плотном. Таким образом, звуковая волна в гелии распространяется почти в три раза быстрее, чем в воздухе. В основном это связано с меньшей массой частиц гелия по сравнению с частицами воздуха.

Скорость звука в воздухе

Скорость звуковой волны в воздухе зависит от свойств воздуха, в основном от температуры и, в меньшей степени, от влажности.Влажность — это результат присутствия водяного пара в воздухе. Как и любая жидкость, вода имеет свойство испаряться. При этом частицы газообразной воды смешиваются с воздухом. Это дополнительное вещество будет влиять на массовую плотность воздуха (инерционное свойство). Температура влияет на силу взаимодействия частиц (упругое свойство). При нормальном атмосферном давлении температурная зависимость скорости звуковой волны через сухой воздух аппроксимируется следующим уравнением:

v = 331 м / с + (0.6 м / с / C) • T

где T — температура воздуха в градусах Цельсия. Использование этого уравнения для определения скорости звуковой волны в воздухе при температуре 20 градусов Цельсия дает следующее решение.

v = 331 м / с + (0,6 м / с / C) • T

v = 331 м / с + (0,6 м / с / C) • (20 C)

v = 331 м / с + 12 м / с

v = 343 м / с

(Приведенное выше уравнение, связывающее скорость звуковой волны в воздухе с температурой, дает достаточно точные значения скорости для температур от 0 до 100 градусов Цельсия.Само уравнение не имеет теоретической основы; это просто результат проверки данных температура-скорость для этого диапазона температур. Существуют и другие уравнения, основанные на теоретических рассуждениях и обеспечивающие точные данные для всех температур. Тем не менее, приведенного выше уравнения будет достаточно для использования нами в качестве студентов, изучающих физику на начальном этапе.)

Посмотри!

Приведенный ниже виджет «Скорость звука » позволяет узнать скорость распространения звуковых волн в различных материалах.Просто введите название материала. Например, введите воду, гелий, воздух, воздух при температуре 45 ° C (или любой другой материал и условия) в заготовку; затем нажмите кнопку Отправить .

Использование скорости волны для определения расстояний

При нормальном атмосферном давлении и температуре 20 градусов Цельсия звуковая волна будет распространяться со скоростью примерно 343 м / с; это примерно равно 750 милям / час. Хотя эта скорость может показаться высокой по человеческим меркам (самые быстрые люди могут бежать со скоростью примерно 11 м / с, а скорость по шоссе — примерно 30 м / с), скорость звуковой волны меньше по сравнению со скоростью световой волны.Свет распространяется по воздуху со скоростью примерно 300 000 000 м / с; это почти в 900 000 раз больше скорости звука. По этой причине люди могут наблюдать заметную временную задержку между громом и молнией во время шторма. Прибытие световой волны от места удара молнии происходит за столь короткое время, что им можно пренебречь. Однако приход звуковой волны от места удара молнии происходит намного позже. Временная задержка между приходом световой волны (молнии) и приходом звуковой волны (грома) позволяет человеку приблизительно определить его / ее расстояние от места шторма.Например, если гром слышен через 3 секунды после появления молнии, значит звук (скорость которого приблизительно равна 345 м / с) прошел расстояние

расстояние = v • t = 345 м / с • 3 s = 1035 м

Если это значение преобразовать в мили (разделить на 1600 м / 1 милю), то шторм будет на расстоянии 0,65 мили.

Еще одно явление, связанное с восприятием временных задержек между двумя событиями, — это эхо. Человек часто может ощущать временную задержку между воспроизведением звука и появлением отражения этого звука от удаленного барьера.Если вы когда-либо издали крик в каньоне, возможно, вы слышали эхо вашего крика от далекой стены каньона. Временная задержка между криком и эхом соответствует времени прохождения криком расстояния туда и обратно до стены каньона и обратно. Измерение этого времени позволит человеку оценить расстояние до стены каньона в одну сторону. Например, если эхо слышно через 1,40 секунды после крика , то расстояние до стены каньона можно найти следующим образом:

расстояние = v • t = 345 м / с • 0.70 с = 242 м

Стена каньона находится в 242 метрах от отеля. Вы могли заметить, что в уравнении используется время 0,70 секунды. Поскольку временная задержка соответствует времени прохождения орбитальным аппаратом и расстояния туда и обратно до стены каньона и обратно, расстояние в одну сторону до стены каньона соответствует половине временной задержки.

В то время как эхо имеет относительно минимальное значение для людей, эхолокация является важным трюком в торговле с летучими мышами.Поскольку летучие мыши ведут ночной образ жизни, они должны использовать звуковые волны для навигации и охоты. Они производят короткие всплески ультразвуковых звуковых волн, которые отражаются от окружающих предметов и возвращаются обратно. Их обнаружение временной задержки между отправкой и получением импульсов позволяет летучей мыши приблизительно определить расстояние до окружающих объектов. Некоторые летучие мыши, известные как летучие мыши Доплера, способны определять скорость и направление любых движущихся объектов, отслеживая изменения частоты отраженных импульсов.Эти летучие мыши используют физику эффекта Доплера, рассмотренную в предыдущем разделе (и также будут обсуждаться позже в Уроке 3). Этот метод эхолокации позволяет летучей мыши ориентироваться и охотиться.


Новый взгляд на волновое уравнение

Как и любая волна, звуковая волна имеет скорость, которая математически связана с частотой и длиной волны. Как обсуждалось в предыдущем разделе, математическая взаимосвязь между скоростью, частотой и длиной волны определяется следующим уравнением.

Скорость = Длина волны • Частота

Используя символы v , λ и f , уравнение можно переписать как

v = f • λ

Приведенное выше уравнение полезно для решения математических задач, связанных с соотношением скорости, частоты и длины волны. Однако это уравнение может передать одно важное заблуждение. Несмотря на то, что скорость волны рассчитывается с использованием частоты и длины волны, скорость волны составляет , а не в зависимости от этих величин.Изменение длины волны не влияет (т. Е. На изменение) скорости волны. Скорее, изменение длины волны влияет на частоту обратным образом. Удвоение длины волны приводит к уменьшению частоты вдвое; пока скорость волны не изменилась. Скорость звуковой волны зависит от свойств среды, в которой она движется, и единственный способ изменить скорость — это изменить свойства среды.

Проверьте свое понимание

1.Камера с автоматической фокусировкой может фокусироваться на объектах с помощью ультразвуковой звуковой волны. Камера излучает звуковые волны, которые отражаются от удаленных объектов и возвращаются в камеру. Датчик определяет время, необходимое для возвращения волн, а затем определяет расстояние, на котором объект находится от камеры. Если звуковая волна (скорость = 340 м / с) возвращается к камере через 0,150 секунды после выхода из камеры, как далеко находится объект?


2.В жаркий летний день надоедливый маленький комар издал предупреждающий звук возле вашего уха. Звук возникает при взмахе крыльев со скоростью около 600 ударов крыльев в секунду.

а. Какая частота звуковой волны в Герцах?

г. Если предположить, что звуковая волна движется со скоростью 350 м / с, какова длина волны?

3. Удвоение частоты источника волн увеличивает их скорость вдвое.

4. При игре в середине до на клавиатуре фортепиано получается звук с частотой 256 Гц. Предполагая, что скорость звука в воздухе составляет 345 м / с, определите длину волны звука, соответствующую ноте средней C.


5. Большинство людей могут определять частоты до 20 000 Гц.Предполагая, что скорость звука в воздухе составляет 345 м / с, определите длину волны звука, соответствующую этому верхнему диапазону слышимого слуха.

6. Слон издает звуковую волну 10 Гц. Предполагая, что скорость звука в воздухе составляет 345 м / с, определите длину волны этой инфразвуковой звуковой волны.


7.Определите скорость звука в холодный зимний день (T = 3 градуса C).


8. Майлз Туго находится в кемпинге в национальном парке Глейшер. Посреди ледникового каньона он громко кричит. Через 1,22 секунды он слышит эхо. Температура воздуха 20 градусов по Цельсию. Как далеко стены каньона?


9.Две звуковые волны проходят через контейнер с неизвестным газом. Волна А имеет длину 1,2 м. Волна B имеет длину волны 3,6 м. Скорость волны B должна быть __________ скорости волны A.

а. одна девятая

г. одна треть

г. то же, что

г. в три раза больше, чем


10.Две звуковые волны проходят через контейнер с неизвестным газом. Волна А имеет длину 1,2 м. Волна B имеет длину волны 3,6 м. Частота волны B должна быть __________ частоты волны A.

а. одна девятая

г. одна треть

г. то же, что

г. в три раза больше, чем

Длина волны до частоты — Скорость звука

И сжатие, и разрежение — это локальные возмущения, и воздух будет пытаться найти равновесие.Когда движение мембраны увеличивает местное давление, молекулы воздуха прямо перед мембраной будут давить на молекулы, которые находятся немного дальше. Эти молекулы, в свою очередь, будут толкать молекулы еще дальше и так далее.

Точно так же, когда мембрана перемещается обратно в коробку, она снижает местное давление, и молекулы воздуха следуют, заполняя пространство. Следовательно, молекулы, находящиеся дальше, также должны следовать. Сами молекулы лишь немного двигаются вперед и назад.То, что передается от одной молекулы к другой, — это энергия движения.


Скорость звука

Скорость, с которой эта энергия распространяется от источника, является скоростью звука. Как показывает практика, скорость звука в воздухе составляет 340 м / с, но она увеличивается и уменьшается с температурой воздуха:

C воздух = (331 + 0,6 * T) м / с, где T — температура воздуха в ° C.

Это означает, что через одну секунду после того, как мембрана громкоговорителя начала двигаться, слушатель на расстоянии 340 метров от нее начнет что-то слышать.Если в течение этой секунды мембрана говорящего выполняет только один цикл движения наружу, внутрь и обратно, мы говорим, что она колеблется с частотой 1 Гц, что соответствует одному циклу в секунду. В течение этого цикла давление воздуха перед громкоговорителем увеличится до максимума, прежде чем мембрана начнет двигаться обратно в коробку, в результате чего давление снизится до минимума, а затем вернется в нейтральное положение.

Если бы мы могли остановить время через одну секунду и пройти 340 метров от громкоговорителя, мы бы наблюдали распределение давления перед громкоговорителем, отражающее изменение давления, таким образом, формируя одну полную длину волны.

Большинство людей сначала начинают слышать звук с частотой 20 Гц, то есть когда динамик выполняет 20 циклов в секунду. Звук по-прежнему распространяется с той же скоростью от источника, и все еще проходит одна секунда, прежде чем слушатель на расстоянии 340 метров начинает что-то слышать. Однако за это время динамик уже выполнил 20 циклов, и если мы снова остановим время, у нас будет картина в воздухе, где давление колеблется в 20 раз между максимальным и минимальным.

Длина волны определяется как длина этого шаблона для одного цикла, и, поскольку мы можем уместить 20 циклов на расстояние в 340 метров, длина волны для 20 Гц составляет 340 метров, разделенных на 20, что составляет 17 метров.Эквивалентно, для 20 кГц, которая является самой высокой частотой, которую может слышать большинство людей, длина волны будет составлять 340 метров, разделенных на 20000, и это составляет 1,7 см.

Почему важна длина волны?

Важность длины волны в том, что она помогает нам соотносить размеры объектов с частотами звука. Это актуально практически для всех дисциплин в акустике.

Рассмотрим пример …

Модели стоячей волны При проведении акустики помещения очевидно, что звук распространяется в ограниченном пространстве.

Когда звук достигает стены, потолка или пола, он отражается и интерферирует с другими звуковыми волнами от того же или других источников. Если длина волны соответствует одному или нескольким измерениям комнаты, эти волны будут создавать так называемые «модели стоячих волн», складываясь в одних областях (создавая впечатление грохота) и подавляя друг друга в других (звук становится слабым).

Слева : соответствует самой низкой частоте, т. Е. Самой длинной длине волны: очень сильный звук у стен.Слабый звук или его нет в центре комнаты

Справа : соответствует следующей более высокой частоте, где две длины волны подходят для комнаты: сильный звук у стен и снова в середине комнаты, чередующийся с областями слабого звука

Таким образом, знание длин волн для соответствующих частот может быть выгодно использовано для выделения определенных частот (например, размещение сабвуферов у стен или даже в углах) или для предотвращения эффекта, если это необходимо, путем изменения формы и размеров комната.

Размер находящихся в ней предметов не менее важен, чем размер комнаты. Объекты, размер которых значительно меньше длины волны, не будут отражать звук, потому что при большой длине волны разницы в давлении на объекте практически не будет, то есть присутствие объекта не будет иметь значения. Напротив, если длина волны звука сравнительно мала, объект будет действовать как экран и отражатель.

Вот почему движение за колонной сильно снижает высокие частоты (короткие волны), но оставляет почти неизменным низкочастотный звук (длинные волны), делая звук тусклым.

Длина волны звука в воздухе

Длина волны звука в воздухе при 1 Гц: 340 м

A: Эти молекулы уже реагируют на движение мембраны громкоговорителя внутрь, двигаясь к источнику.

B: 170 м = половина длины волны от мембраны: молекулы воздуха находятся в нейтральном положении и начинают двигаться к мембране

C: Волновой фронт достиг этих молекул, перемещая их в направлении от источника

Длина волны звука в воздухе при 20 Гц: 340 м / 20 = 17 м

Движение мембраны


A: мембрана и воздух в нейтральном положении
B: мембрана вне и сжатый воздух
C: мембрана внутри и воздух разреженный

Скорость звука в воздухе

Вы когда-нибудь считали количество секунд, прошедших с момента, когда вы увидели удар молнии, до момента, когда вы услышали гром?

Многие знают, что считать до трех означает, что молния ударила на расстоянии около 1 км.Имея это в виду, вы можете приблизительно рассчитать скорость звука: 1 км / 3 секунды ≈ 340 м / с.

Это потому, что скорость света составляет 300 000 км / с, поэтому мы сразу видим вспышку, даже если она находится на расстоянии нескольких километров. Однако скорость звука составляет всего ок. 340 м / с, поэтому грому потребуется несколько секунд, чтобы преодолеть всего один километр.

Скорость звука при разных температурах

  • Температура замерзания (0 ° C): 331,6 м / с
  • Комнатная температура при 20 ° C: 343.0 м / с
  • Пустыня при 45 ° C: 358,0 м / с

Видео с вопросом: Расчет частоты волны на основе ее скорости и смещения — График расстояний

Стенограмма видео

На диаграмме изображена волна. Какова частота волны, если ее скорость составляет 150 метров в секунду?

Мы видим на этой диаграмме картину волны. Смещение волны в метрах отображается в зависимости от расстояния, пройденного волной по горизонтали, снова в метрах.Основываясь на информации на этом рисунке, а также на том, что нам сказано в постановке задачи, мы хотим определить частоту этой волны.

Для этого мы свяжем частоту волны со скоростью и длиной волны. Мы можем вспомнить математическое уравнение, которое помогает нам в этом. Это уравнение говорит, что скорость волны 𝑣 равна частоте волны 𝑓, умноженной на длину волны. В нашем случае мы хотим вычислить не скорость волны, а частоту волны. Если мы разделим обе части нашего уравнения скорости волны на длину волны, то обнаружим, что частота волны равна скорости волны, деленной на длину волны.

В постановке задачи нам сообщается, что такое 𝑣. 150 метров в секунду. Вот с какой скоростью движется эта волна, но мы еще не знаем ее длину,. Однако мы можем использовать информацию на нашем графике, чтобы найти ее. Прежде всего, давайте вспомним, что такое длина волны в целом. Длина волны — это расстояние вдоль направления движения волны, необходимое для завершения одного полного цикла движения.

Тогда, рассматривая эту волну на нашем графике, мы могли бы начать с впадины волны, самой низкой точки, и один полный цикл будет переходить к следующей впадине.Или, что то же самое, мы могли бы начать с нулевой точки здесь, а затем одна длина волны была бы расстоянием оттуда до другой нулевой точки с аналогичным наклоном. Или еще один способ рассчитать длину волны — начать с гребня, высокой точки, а затем рассчитать расстояние до следующего гребня. Все эти расстояния одинаковы, и все они равны одной длине волны этой волны.

Итак, давайте воспользуемся одним из этих измерений, чтобы вычислить, в частности, длину волны этой волны.Давайте посмотрим, что мы решили вычислить длину волны этой волны, используя здесь это расстояние, расстояние между этими двумя нулевыми точками вдоль волны. Мы видим, что мы начинаем с расстояния двух метров и заканчиваем на расстоянии шести метров. Следовательно, длина волны 𝜆 равна шести метрам минус два метра, или четыре метра.

И в качестве быстрой проверки обратите внимание, что мы получили бы тот же результат, если бы использовали, скажем, расстояние от одной вершины до другой. В этом случае мы должны рассчитать расстояние от одного метра до пяти метров, которое, опять же, составляет четыре метра.Итак, наш расчет длины волны кажется правильным. Четыре метра — это длина волны именно этой волны. Зная это, теперь мы можем заменить 𝜆 на четыре метра в нашем уравнении частоты. И мы можем заменить скорость волны 𝑣 заданной скоростью 150 метров в секунду.

Теперь, прежде чем вычислять эту дробь, обратите внимание, что происходит с единицами измерения в выражении. И в числителе, и в знаменателе у нас есть единицы измерения. Следовательно, эта единица отменяется. В итоге мы получим единицу обратных секунд или единицу сверх секунд.Эта единица, обратная секунда, эквивалентна единице герц, обозначенной символом Гц. Это означает, что ответ на наш вопрос будет дан в этих единицах герц.

И если мы разделим 150 на четыре, то получим 37,5 герц. Исходя из скорости волны и длины волны, каждую секунду времени эта волна проходит 37 с половиной полных циклов. Другими словами, переход от гребня к гребню, от впадины к впадине или где-то посередине, если он проходит через один полный цикл.Это частота волны.

Длина волны, частота и период — MCAT Physical

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту. Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Частота

| Определение, символы и формулы

Частота , в физике, количество волн, которые проходят фиксированную точку за единицу времени; также количество циклов или колебаний, которым подвергается тело в периодическом движении за одну единицу времени.Говорят, что тело, находящееся в периодическом движении, претерпело один цикл или одну вибрацию после прохождения серии событий или положений и возвращения в исходное состояние. См. Также угловую скорость ; простые гармонические колебания.

Подробнее по этой теме

излучение: Диапазон частот

Электромагнитные волны охватывают огромный диапазон частот (количество колебаний в секунду), лишь небольшая часть из которых приходится на…

Если период или временной интервал, необходимый для завершения одного цикла или вибрации, составляет 1 / 2 секунды, частота равна 2 в секунду; если период составляет 1 / 100 часа, частота составляет 100 в час. В общем, частота обратно пропорциональна периоду или временному интервалу; то есть частота = 1 / период = 1 / (временной интервал). Частота обращения Луны вокруг Земли составляет немногим более 12 циклов в год.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *