Luento 14: Ääniaallot ja kuulo

Samankaltaiset tiedostot
Luento 14: Ääniaallot ja kuulo

Luento 16: Ääniaallot ja kuulo

Luento 16: Ääniaallot ja kuulo

Luento 18: Kertausluento

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

3 Ääni ja kuulo. Ihmiskorva aistii paineen vaihteluita, joten yleensä äänestä puhuttaessa määritellään ääniaalto paineen vaihteluiden kautta.

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

3.1 PITKITTÄISEN AALLON NOPEUS JA ENERGIA

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

16 Ääni ja kuuleminen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

Ihmiskorva havaitsee ääniaallot taajuusvälillä 20 Hz 20 khz.

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

2.1 Ääni aaltoliikkeenä

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

, tulee. Käyttämällä identiteettiä

2 Mekaaninen aalto. Mekaaniset aallot kulkevat jossain materiaalissa, jota kutsutaan tässä yhteydessä väliaineeksi (medium).

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Luento 11: Periodinen liike

Luento 15: Mekaaniset aallot

Luento 10: Työ, energia ja teho

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102


Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Massakeskipiste Kosketusvoimat

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Scanned by CamScanner

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

= 0.175m, 0.525m, 0.875m,...

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

16 ÄÄNI JA KUULEMINEN (Sound and Hearing)

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

FYS03: Aaltoliike. kurssin muistiinpanot. Rami Nuotio

Luento 7: Voima ja Liikemäärä. Superpositio Newtonin lait Tasapainotehtävät Kitkatehtävät Ympyräliike Liikemäärä

Shrödingerin yhtälön johto

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Luento 11: Periodinen liike

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

1 PERUSKÄSITTEITÄ 1.1 AALTOJEN TYYPIT

LUT CS20A0650 Meluntorjunta 1. Tsunamin synty LUT CS20A0650 Meluntorjunta

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

Luento 13: Periodinen liike

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

Luento 5: Voima ja Liikemäärä

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

3 ÄÄNI. Sovelletaan nytkin impulssiteoreemaa. Liikkuvaan nesteosaan vaikuttava A ja sen aiheuttama liikemäärän muutos, on nesteosan massa.

Luento 9: Potentiaalienergia

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

y 1 x l 1 1 Kuva 1: Momentti

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Mekaniikka, osa 2. Perttu Lantto. Luentokalvot

Luento 11: Potentiaalienergia. Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

Luku 7 Työ ja energia. Muuttuvan voiman tekemä työ Liike-energia

Trigonometriset funktiot

Transkriptio:

Luento 14: Ääniaallot ja kuulo Pikajohdanto elastisuusteoriaan Ääniaallot

Luennon sisältö Pikajohdanto elastisuusteoriaan Ääniaallot

Miksi pikajohdanto? Osa ääniaaltojen käsittelystä perustuu elastisuusteoriaan Seuraavat lähinnä taustoittamaan luennon varsinaista asiaa Elastisuusteoriaa tutkitaan tarkemmin käsiteltäessä fluidien mekaniikkaa eli kontinuumimekaniikkaa Tärkeintä tässä vaiheessa ymmärtää käsitteet

Elastisuusteoria Ideaalinen jäykkä kappale on muotoaan muuttamaton Todellisuudessa kaikki kappaleet deformoituvat jonkin verran kun niihin kohdistetaan voimia Elastisuusominaisuuksia laskettaessa voimia kuvataan jännityksellä (stress) = Voima pinta-alayksikköä kohden Kappaleen deformoitumista kuvataan venymällä (strain) Kun jännitys on riittävän pieni, jännitys ja venymä riippuvat lineaarisesti toisistaan Hooken laki (ideaalinen jousi!) Verrannollisuuskerroin on kimmokerroin (elastic modulus)

Hooken laki Kokeellinen havainto joka pätee usean erityyppisen jännityksen yhteydessä Jännitys voidaan jakaa luonteensa puolesta normaali- leikkausja kiertojännityksiin Toisaalta jännitys voidaan jakaa ulottuvuudensa perusteella aksiaaliseen, taso- tai tilavuusjännityksiin Riippuen tapauksesta jännitystä ja Hooken lain mukaista kimmokerrointa kutsutaan eri nimityksillä

Jännitys Jos kappaletta vedetään molemmista päistä samansuuruisella voimalla, kohdistuu sen poikkipinta-alaan aksiaalinen normaalijännitys = venytysjännitys (tensile stress) σ = F A Jännitys on skalaarisuure (yksikkö 1 Pa = 1 N m 2 )

Hooken laki Kappaleen pituuden suhteellinen venymä ɛ = l l 0 l 0 = l l 0 Huomaa, että kappale venyy kaikkialta yhtä paljon Hooken laki saadaan muotoon Y = σ ɛ = σ = Y ɛ missä Y on kimmokerroin (Young s modulus) Kimmokertoimesta käytetään usein myös symbolia E Samat yhtälöt pätevät, jos jännitys puristusjännitystä (compressive stress) Jännityksen ja venymän etumerkit muuttuvat

Suppeumakerroin Kun kappaletta venytetään, niin sen pituus l kasvaa mutta samalla se kapenee sivusuunnassa (leveys w) Muutoksen verrannollisia toisiinsa: w w l = v l v ns. suppeumakerroin tai Poissonin luku (Poisson s ratio)

Paine Väliaineen kanssa kontaktissa olevan kappaleen jokaiseen pinta-alkioon da kohdistuu pintaa vastaan kohtisuora voima df = p da (Pascalin laki) Suuretta p kutsutaan paineeksi (pressure) p = df da Huomaa! Näissä kalvoissa paine merk. p ja liikemäärä merk. p!

Tilavuuskimmokerroin Hydrostaattinen paine Väliaineen paineen aiheuttama jännitys Paineen yksikkö sama kuin jännityksen Hydrostaattisessa paineessa kappaleen tilavuusvenymä ɛ V = V V 0 V 0 eli tilavuuden muutos (bulk strain) Kun Hooken laki on voimassa, pätee = V V 0 p = Bɛ V eli missä B > 0 on ns. tilavuuskimmokerroin (bulk modulus).

Puristuvuuskerroin Miinusmerkki yhtälössä osoittaa, että paineen kasvua vastaa tilavuuden pieneminen Oletetaan B vakioksi kun tarkastellaan pieniä paineen muutoksia Puristuvuuskerroin (compressibility) määritellään tilavuuskimmokertoimen käänteisluvuksi k = 1 B = V /V 0 p = 1 V 0 V p Muita merkintöjä k = K = κ

Luennon sisältö Pikajohdanto elastisuusteoriaan Ääniaallot

Ääniaallot Tähän asti pitkittäisen aallot esitettiin hiukkasten siirtyminä Ääniaallot ilmassa (tai muussa väliaineessa) eteneviä pitkittäisiä aaltoja Ääniaaltoja kätevämpi esittää paineen vaihteluina Infraäänet Alle 20 Hz taajuudet Ultraäänet Yli 20 khz taajuudet Kuuloalue Ihmiskorvan aistima taajuusalue: 20-20 000 Hz Tarkastellaan sinimuotoista ääniaaltoa, joka etenee x-akselin suuntaan. Kuvataan hiukkasen y-suuntaista poikkeamaa aaltofunktiolla y(x, t) = A sin(ωt kx)

Pitkittäinen aalto kiinteässä aineessa Tarkastellaan pientä tangon osaa (pituus dx) Osan liikeyhtälö F(x + dx) F(x) dx = F x = y(x, t) ρa 2 t 2 Kiinteän aineen muodonmuutos l. deformaatio F = σa = YAɛ = YA l l 0 l 0 ( YA ) = ρa 2 y x x t 2 = YA y x = 2 y x = ρ 2 y = 2 Y t 2 v = Y ρ! Pitkittäinen aaltoliike poikkeama x-akselin suuntainen Intensiteetti I = 1 ρy ω 2 A 2 2

Pitkittäinen aalto kaasussa Aallon nopeus riippuu väliaineesta ja sen ympäristöstä Johdetaan väliaineessa etenevän pitkittäisen aaltoliikkeen nopeus Tarkastellaan väliaineella täytettyä sylinteriä Toisessa päässä on liikkuva mäntä Väliaine on levossa (paine p) t = 0: mäntä lähtee liikkumaan nopeudella v y

Pitkittäinen aalto väliaineessa Häiriö etenee väliaineessa vakionopeudella v Mäntä etenee nopeudella v y Piste P kohdassa x = vt ajan hetkellä t: Vasemmalla puolella väliaine liikkuu nopeudella v y Oikealla puolella on levossa Liikkuvan väliaineen massa m = ρavt

Väliaineen liikemäärä Liikkuvaan väliaineosaan vaikuttaa voimat (p + p)a männän puolelta pa levossa olevan väliaineen puolelta Nettovoima pa aiheuttaa ajan hetkeen t mennessä impulssin J y = pa t Väliaineella ei alussa liikemäärää p y = p f p i = p f = mv y = ρavt v y

Paine-ero p Esitetään paine-ero p väliaineen ominaisuuksien avulla Tilavuuskimmokertoimen määritelmästä B = p = V /V 0 p = B V V 0 V 0 = B Av yt Avt = B v y v Impulssi on siis J y = B v y v At

Pitkittäisen aallon nopeus väliaineessa Koska J y = p y (p y liikemäärä!) niin J y = B v y v At = p y = ρavt v y = v 2 = B ρ = v = B ρ

Painefluktuaatiot Johdetaan funktio väliaineen paineen fluktuaatioille Merkitään painevaihtelua p(x, t):llä = paikallisen ja ulkoisen keskiarvopaineen erotus Väliainesylinterin lepopituus dx, poikkipinta-ala S Sylinterin tilavuus muuttuu paikallisesti aallon edetessä dv (x, t) = Sy 2 Sy 1 = S [ y(x + dx, t) y(x, t) ] y 1 ja y 2 sylinterin päiden siirtymät Tilavuuden suhteellinen muutos dv V S [y(x + dx, t) y(x, t)] y(x, t) = = Sdx x

Painefluktuaatiofunktio Tilavuuskimmokertoimen määritelmästä p(x, t) B = dv /V Ratkaistaan painefluktuaatiofunktio p(x, t) p(x, t) = B dv V = B y(x, t) x

Paineamplitudi Sijoitetaan sinimuotoinen aaltofunktio paineen lausekkeeseen y(x, t) p(x, t) = B = BkA cos(ωt kx) x Suurin paineen fluktuaatio paineamplitudi (pressure amplitude) p max = BkA

Ääniaallon intensiteetti Etenevän aallon intensiteetti = aallon kuljettaman energian aikakeskiarvo pinta-ala- ja aikayksikköä kohden W (x, t) P(x, t) I = = = St S F(x, t)vy (x, t) = p(x, t)v y (x, t) S Hiukkasten siirtymänopeus v y (x, t) = y(x,t) t, yhdistetään painefunktioon p(x, t) p(x, t)v y (x, t) = BkωA 2 cos 2 (ωt kx) = I = BkωA 2 cos 2 (ωt kx) = 1 2 BkωA2 koska cos 2 1 2

Intensiteetti ja paineamplitudi Käytetään yhtälöitä v = B/ρ ja ω = vk (ρ tiheys, v aallon nopeus, k aaltovektori) I = 1 2 BkωA2 = 1 2 ω2 ρv 2 v A2 = 1 2 ρvω2 A 2 = 1 ρbω 2 A 2 2 Paineamplitudin p max avulla I = 1 2 BkωA2 = p2 max 2 ρb

Desibeliasteikko Eri taajuisilla äänillä Sama paineamplitudi p max Eri siirtymäamplitudi A Ääniaaltoja kätevämpi kuvata painevaihteluina Äänen intensiteetti Kuvataan desibeliasteikolla β = (10 db) log I I 0 Suhteellinen asteikko, missä I 0 referenssi-intensiteetti I 0 = 10 12 W (= ihmisen kuulokynnys @ 1 khz)

Isotrooppinen äänilähde Pistemäinen, isotrooppinen lähde Emissio samanlainen joka suuntaan Äänen intensiteetti pienenee kääntäen etäisyyden neliöön verrannollisesti I 1/r 2 Lähteen emittoima teho P jakautuu r-säteiselle pallopinnalle I(r) = P 4πr 2

Esimerkki 1 Erään ääniaallon aiheuttamat painevaihtelut ilmassa ovat ±3.0 10 2 Pa. Mikä on kyseisen ääniaallon aiheuttama ilmamolekyylien maksimipoikkeama, jos äänen taajuus on 1 khz ja äänen nopeus 344 m s 1? p max = BkA = A = pmax Bk. Ideaalikaasulle B ad = γp 0, ilmalle γ = 1.4 (γ lämpökapasiteettien suhde = liittyy kaasun termisiin ominaisuuksiin). Toisaalta k = 2π λ = 2πf v = A = vpmax 2πf γp 0 = 1.2 10 8 m.