Κύματα

Ήχος

Τα ηχητικά κύματα ανήκουν στα μηχανικά κύματα και είναι διαμήκη

κύματα, γίνονται αντιληπτά με την ακοή όταν έχουν κατάλληλη

συχνότητα. Μια πηγή ήχου, για παράδειγμα ένα ηχείο μουσικής,

αναγκάζει τα μόρια του αέρα να εκτελούν μια κίνηση γύρω από τη

θέση ισορροπίας τους, δημιουργώντας με τον τρόπο αυτό πυκνώματα

και αραιώματα (δηλ. περιοδικές μεταβολές της πίεσης του αέρα), με

αποτέλεσμα ο ήχος να διαδίδεται στο αέρα με ορισμένη ταχύτητα. Για

να αποδείξουμε ότι ένα ηχητικό κύμα μεταφέρει ενέργεια μπορούμε

μπροστά από ένα ηχείο που εκπέμπει μουσική να τοποθετήσουμε ένα

μικρό μπαλάκι που κρέμεται από ένα λεπτό νήμα, θα δούμε ότι το μπαλάκι αρχίζει να κινείται με

την επίδραση των ηχητικών κυμάτων. βλ. http://www.youtube.com/watch?v=H0-VlJ82stc.

Το κουδούνι στο σχολείο κτυπά για διάλειμμα, Ο ήχος που παράγεται φτάνει στο αυτί σας. Αν

βάλετε το αυτί σας πάνω σε ένα μεγάλο συμπαγή σωλήνα και κάποιος φίλος σας κτυπήσει με μία

πέτρα τη σωλήνα σε ένα σημείο, θα φτάσει στο αυτί σας ο ήχος. Μπορούμε να πούμε ότι ήχος είναι

εκείνο το κύμα που ερεθίζει το αυτί μας. Τα ηχητικά κύματα διαδίδονται στα αέρια, στα υγρά και

στα στερεά. Τα ηχητικά κύματα δεν είναι ορατά όπως τα θαλάσσια κύματα. Αντιλαμβανόμαστε

όμως την ύπαρξη τους με το αυτί μας. Μια πηγή που ταλαντώνεται στον αέρα ωθεί τα μόρια του

αέρα μπρος-πίσω δημιουργώντας περιοχές συμπίεσης και αραίωσης. Για παράδειγμα η χορδή μιας

κιθάρας όταν διεγείρεται ή οι φωνητικές μας χορδές ή ένα διαπασών που πάλλεται κλπ. Αν βάλετε

το χέρι στο λαιμό σας την ώρα που μιλάτε θα διαπιστώσετε πως οι φωνητικές σας χορδές πάλλονται

και δημιουργούν τα ηχητικό κύμα.

Η ελαστική μεμβράνη του μεγαφώνου της

εικόνας 13 ταλαντώνεται. Η μεμβράνη με

τη κίνηση της ασκεί πίεση στον αέρα.

Δηλαδή τα μόρια του αέρα κοντά στην

μεμβράνη «στριμώχνονται». Με τη

μετακίνηση τους συγκρούονται με τα

επόμενα μόρια δημιουργώντας έτσι

περιοδικές μεταβολές της πίεσης (αύξηση

ή ελάττωση). Οι μεταβολές αυτές

αντιστοιχούν σε πυκνώματα και αραιώματα. Αυτή η διαταραχή δηλαδή αυτά τα πυκνώματα και τα

αραιώματα διαδίδονται στον αέρα με τη μορφή ηχητικού κύματος. Η ταχύτητα με την οποία

διαδίδονται ονομάζεται ταχύτητα του ήχου.

Να υπενθυμίσουμε ότι :

1

• τα μόρια του αέρα δεν ταξιδεύουν, απλώς όπως και στα άλλα κύματα ταλαντώνονται.

• Το ηχητικό κύμα ταξιδεύει μακριά από τη πηγή

μεταφέροντας ενέργεια.

• Η διεύθυνση ταλάντωσης των μορίων είναι παράλληλη

με τη διεύθυνση διάδοσης (διάμηκες κύμα).

• Είναι φανερό ότι τα ηχητικά κύματα δεν διαδίδονται στο

κενό, αφού εκεί δεν υπάρχουν μόρια ελαστικού

μέσου.Τα ηχητικά κύματα απλώνονται προς όλες τις

κατευθύνσεις, δηλαδή είναι κύματα χώρου. Διαδίδονται

στον αέρα και φτάνουν στο αυτί μας σαν ήχος.

Όρια ακουστών ήχων

Ένας ήχος που έχει συχνότητα μικρότερη από 20 Hz ονομάζεται υπόηχος, ενώ αν έχει μεγαλύτερη από 20.000 Hz λέγεται υπέρηχος. Οι υπόηχοι και οι υπέρηχοι δεν γίνονται ακουστοί από το ανθρώπινο αυτί. Υπάρχουν όμως πολλά ζώα όπως τα σκυλιά τα οποία ακούν υπέρηχους, δηλαδή συχνότητες υψηλότερες από αυτές ο ακούει ένας άνθρωπος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι νυχτερίδες, οι οποίες είναι τυφλές και για να εντοπίσουν ένα σώμα, π.χ. ένα έντομο, εκπέμπουν υπέρηχους. Οι υπέρηχοι ανακλώνται σε αυτό το σώμα, η νυχτερίδα συλλαμβάνει την ηχώ, δηλαδή τους υπέρηχους από την ανάκλαση και εντοπίζει το σώμα και την απόσταση. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ηχοεντοπισμός.

Εφαρμογές υπερήχων

To sonar (σόναρ) είναι μία διάταξη με την οποία

υπολογίζουμε πόσο απέχει ένα αντικείμενο ή ο βυθός από

ένα πλοίο. To sonar εκπέμπει μία υπερηχητική δέσμη. Η

δέσμη ανακλάται στο αντικείμενο που θέλουμε να

εντοπίσουμε και επιστρέφει στη συσκευή. Το χρονικό

διάστημα που κάνει η δέσμη να πάει και να γυρίσει

υπολογίζεται με ακρίβεια. Από τη σχέση 2S = υδ. Δt υπολογίζουμε την απόσταση S του αντικειμένου

από το πλοίο ή το βάθος της θάλασσας.

Οι υπέρηχοι εξαιτίας του μικρού μήκους κύματος βρίσκουν

πολλές εφαρμογές. Μπορούν να εστιαστούν και να σχηματίσουν

λεπτές δέσμες. Οι υπέρηχοι χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην

Ιατρική για να «βλέπουμε» μέσα στο άνθρωπο σώμα. Άλλωστε οι

υπέρηχοι είναι ασφαλέστεροι από τις ακτίνες-Χ. Υπερηχητικές

δέσμες που εκπέμπονται από την επιφάνεια του ανθρωπίνου

σώματος ανακλώνται σε καθορισμένα όργανα και με κατάλληλες

2

διατάξεις μας δίνουν εικόνες αυτών των οργάνων. Οι υπέρηχοι χρησιμοποιούνται επίσης για να

δούμε τα έμβρυα στην κοιλιά της μητέρας τους. Ένας πομπός-δέκτης υπερήχων περνά πάνω από το

τη κοιλιά της εγκύου ώστε να πάρουμε ένα υπερηχογράφημα. Όταν ένα ηχητικό κύμα ταξιδεύει από

μία ουσία σε μία άλλη (π.χ. δέρμα, μύες, κόκαλα) ένα μέρος του ανακλάται και αποτελεί την ηχώ. Η

συσκευή υπέρηχων χρησιμοποιεί αυτή την ηχώ για να σχηματίσει μία εικόνα σε οθόνη τηλεόρασης.

Για να είναι σαφής η εικόνα το μήκος κύματος του ήχου που θα χρησιμοποιηθεί πρέπει να είναι

πολύ μικρό. Συνήθως χρησιμοποιείται ήχος συχνότητας 1,5 MHz δηλαδή 1500000 Hz. Το μήκος

κύματος σε νερό για αυτή τη συχνότητα είναι 1 mm. Οι υπέρηχοι χρησιμοποιούνται επίσης για το

σπάσιμο λίθων στα νεφρά (λιθοτριψία). Κομματιάζουν τους λίθους σε μικρά κομματάκια τα οποία

στη συνέχεια αποβάλλονται με τα ούρα.

Υποκειμενικά χαρακτηριστικά του ήχου (ύψος – ακουστότητα – χροιά)

Η συχνότητα του ήχου συνδέεται με το υποκειμενικό γνώρισμα του ύψους. Δηλαδή το γνώρισμα με το οποίο ξεχωρίζουμε ένα οξύτερο ή ψηλότερο ήχο (μεγάλη συχνότητα) από ένα βαρύτερο ή χαμηλότερο (μικρή συχνότητα).

Η ακουστότητα μας επιτρέπει να διακρίνουμε ένα ισχυρό ήχο από ένα πιο ασθενή. Ή ένταση του ήχου χαρακτηρίζει την ποσότητα ενέργειας που μεταφέρει ένα ηχητικό κύμα ανά μονάδα χρόνου και εξαρτάται από το πλάτος του κύματος και από τη συχνότητά του. Για τη μέτρηση της ακουστότητας χρησιμοποιείται η κλίμακα των decibel (ντεσιμπέλ), τα 0 db είναι ήχος που μόλις ακούγεται, ένας ψίθυρος. Ενώ τα 120 db είναι ήχος που προκαλεί πόνο στα αυτιά μας.

Η χροιά είναι εκείνο το χαρακτηριστικό γνώρισμα που μας επιτρέπει να διακρίνουμε μεταξύ τους δύο σύνθετους ήχους από διαφορετικές πηγές, για παράδειγμα, ένας ήχος από βιολί και ένας από πιάνο ακούγονται διαφορετικά ακόμη και όταν έχουν το ίδιο ύψος και την ίδια ακουστότητα.

1. Μια μεγάλη έκρηξη γίνεται πάνω στην επιφάνεια της Σελήνης, αν η απόσταση μεταξύ τους είναι

περίπου 340.000 km και η ταχύτητα διάδοσης του ήχου στον αέρα είναι 340 m/s ο ήχος:

α. φτάνει στη Γη σε περίπου σε 1000 s

β. φτάνει σε 0,001 s.

γ. δεν φτάνει ποτέ3

Κυκλώστε τη σωστή απάντηση.

2. Ένα διαπασών εκτελεί ταλάντωση περίοδο Τ = 0,1 s και παράγει

ήχο. Ένας άνθρωπος που βρίσκεται σε απόσταση 2 m από το

διαπασών ακούει έναν ήχο:

α. οξύτερο.

β. βαρύτερο

γ. δεν ακούει ήχο.

Κυκλώστε τη σωστή απάντηση.

3. Ποιος από τους ήχους που ακολουθούν είναι οξύτερος.

α. 100 Hz β. 500 Hz γ. 150 Hz δ. 200 Hz

Κυκλώστε τη σωστή απάντηση.

4. Ποιος από τους ήχους που ακολουθούν είναι βαρύτερος.

α. 100 Hz β. 500 Hz γ. 150 Hz δ. 200 Hz

Κυκλώστε τη σωστή απάντηση.

5. Ποιος ή ποιοι από τους ήχους που ακολουθούν θα προκαλέσει πόνο στο ανθρώπινο αυτί.

α. 100 Hz β. 500 Hz γ. 15 Hz δ. 30.000 Hz

Κυκλώστε τη σωστή απάντηση.

1. Στα πλαίσια των θαλάσσιων ερευνών για πετρέλαιο ένα ειδικό πλοίο στέλνει προς στον

πυθμένα της θάλασσας ηχητικά κύματα τα οποία διαδίδονται με ταχύτητα υδ = 1000 m/s και

επιστρέφουν σε χρονικό διάστημα Δt = 4 s. Να υπολογίσετε το βάθος του πυθμένα.

2. Αν η ταχύτητα διάδοσης στον αέρα είναι περίπου υδ = 340 m/s να υπολογίσετε το ελάχιστο και

μέγιστο μήκος κύματος που μπορεί να έχει ένας ήχος που ακούγεται από το ανθρώπινο αυτί.

4