Ääni Tomi Aaltoliikkeen tyypit (kertausta) 1. Poikittainen aaltoliike – – väliaineen osaset värähtelevät kohtisuorassa aaltoliikkeen etenemissuuntaan nähden. Esiintyy vain kiinteissä aineissa esim. aaltojen tekeminen narulla, valo 2. Pitkittäinen aaltoliike – – väliaineen osaset värähtelevät etenemissuunnassa; nesteille ja kaasuilla puhutaan paineaalloista esim. ääni Ääni • Ääni on mekaanista, pitkittäistä aaltoliikettä, joka taajuus on ihmisen kuuloalueella 16 Hz – 20 kHz • Ääni etenee ilman tiheyden vaihteluna • Aine ei etene, vain värähtely ja siihen liittyvä energia etenevät • Äänen synnyttäjä on yleensä värähtelevä kappale • Äänen korkeuden määrää äänen lähde, tarkemmin sen värähtelytaajuus - mitä korkeampi taajuus f, sitä korkeampi ääni kuullaan. Äänen nopeus • Äänen nopeus ilmassa on 343 m/s • Perusyhtälö:  v   f  T – Taajuus säilyy, mutta aallonpituus muuttuu • Äänennopeuksia eri aineissa: Ilma 0°C Ilma 20°C Vesi Lasi Teräs 331 m/s 343 m/s 1480 m/s 4000 m/s 5100 m/s Ääni - kappaleen värähtelyistä aistimukseksi • Kappaleen värähtely synnyttää ilmaan painevaihteluita, jotka ulkokorvan, tärykalvon ja välikorvan kautta välittyvät nesteen painevaihteluiksi sisäkorvan simpukkaan • Simpukassa erikorkuiset äänet etenevät eri pituisen matkan, jolloin eri kohdassa Cortin elintä olevat kuuloreseptoreina toimivat karvasolut ärsyyntyvät ja stimuloivat kuulohermoa , joka vie tiedon ärsytyksestä aivojen kuuloalueelle Resonanssi • Kun ulkoinen voima vaikuttaa kappaleen ominaistaajuudella, kappale alkaa värähdellä ja värähtelyn amplitudi ja energia kasvavat. • Resonanssiin perustuu: – tärykalvon värähtelyn alkaminen ääniaallon seurauksena – auton tai bussin tärinä esim. liikennevaloissa – vauhdin antaminen keinuvalle lapselle Äänen huojunta s. 259 • ilmiö, joka syntyy kahden melkein samanlaisen ääniaallon interferoidessa. • Huojuntataajuus fhuojunta  f1  f2 • Ääni on voimakkaimmillaan hetkinä, joina ääniaallot ovat tärykalvon kohdalla samassa vaiheessa • Kun hitaampi värähtely on puoli jaksonaikaa jäljessä, ääniaallon ovat vastakkaisessa vaiheessa ja kuultu ääni on heikoimmillaan. Interferenssi - huojunta Intensiteetti • Intensiteetti on aikayksikössä tietyn pinnan läpi kulkeneen energian määrä eli teho pinta-alaa kohti • Pätee äänelle sekä sm-säteilylle P I A P W  yksikkö :  I    2  A m Intensiteetti ja matka • Äänienergia leviää äänilähteestä (esim. opettaja) pallomaisesti joka suuntaan, jolloin energia säilyy ja leviää pallopinnalle A=4πr2. P P I A  4 r 2 • Verrataan kahta intensiteettejä etäisyyksillä r1 ja r2: P 1 I1 4 r r r2  r2     2   1 2 r1 I2 P r1   2 4 r2 r2 2 1 2 1 2 2 eli I1  r2    I 2  r1  2 Äänen intensiteetti • Ääni on mekaanista värähtelyä, joten siihen liittyy energiaa • Ihminen kuulee äänen vielä, kun sen intensiteetti eli teho pinta-alayksikköä kohti on I 0  10 12 W m 2 – tämä intensiteetti on siis kuulokynnysarvo silloin, kun äänen taajuus f=1000 Hz Intensiteetti ja matka (ei lukiotavaraa) • Pitkillä etäisyyksillä on otettava huomioon äänienergian absorpoituminen väliaineeseen eli aineeseen, jossa ääni kulkee. • Absorbtiolaki äänenvaimennuskerroin - riippuu aineesta lopullinen äänen intensiteetti I  I0  e  ax äänen alkuperäinen intensiteetti äänen väliaineessa kulkema matka Intensiteettitaso • Intensiteettitasoa käytetään kuvaamaan äänen voimakkuutta – kuvaa korvan toimintaa paremmin kuin pelkkä äänen energia – äänien intensiteettien vaihtelu valtava äänen desibelimäärä eli intensiteettitaso, yksikkö 1 desibeli eli 1 dB I   10 lg I0 tarkkailtavan äänen intensiteetti kuulokynnyksen intensiteetti I0=10-12 W/m2, kun f=1000 Hz Äänen intensiteettitasojen laskeminen • Logaritmilaskusääntöjen hallitseminen tärkeää: a y  x  log a x  y log( xy )  log x  log y x log  log x  log y y log x r  r  log x Merkitsemistapoja : log10 x  lg x log e x  ln x esimerkkejä : log 3 81  4 eli 34  81 7 log10 (1, 75)  log10  log10 7  log10 4   0,243  4 log10 (4 x)  log10 4  log10 x log10 4 x  x  log10 4 Intensiteetillä laskeminen • äänilähteiden intensiteetit lasketaan yhteen I koko  I1  I 2  I 3  I 4  ... • Intensiteetti ja desibelit  I   10 lg  I  I 0 *1010 I0 Esim. Laske kuinka kovan äänen Kalle kuulee kun hänen kaksi vaimoaan huutavat hänelle 102 dB voimakkuudella Doppler-ilmiö • Ilmiö, jossa kuultavan äänen taajuus ja täten korkeus muuttuu, koska kuulija ja äänilähde liikkuvat toistensa suhteen. • Doppler-ilmiötä käytetään mm. nopeusmittauksessa (poliisin tutkat) ja ultraäänikuvauksessa. v Doppler-ilmiön laskukaavat • Havaittu äänen taajuus muuttuu riippuen äänilähteen ja havainnoijan liikkeestä – Esim. ambulanssin äänen muuttuminen sen ajaessa ohi Äänen nopeus ilmassa f kuulija f lähde (v  vkuulija )  v  vlähde Äänen nopeus ilmassa Esim. • Laske kuinka korkean äänen Kalle kuulee kun hän juoksee nopeudella 5,2 m/s kohti ambulanssia, joka ajaa häntä kohti nopeudella 130 km/h sireenit ulvoen taajuudella 12000 Hz.