lauantai 25. lokakuuta 2014

Fysiikka 3: luku 2 Ääni



Fysiikka 3:  luku 2 Ääni


2.1 Ääni aaltoliikkeenä


Ääni on aineen mekaanista aaltoliikettä, joka etenee aineen rakenneosasten värähtelynä ja aiheuttaa kuuloaistimuksen. Kuten kaikki aaltoliikkeet, äänikin kuljettaa energiaa. Ilmassa ääni on pitkittäistä aaltoliikettä. Tiivistymien kohdilla on paikallinen ylipaine ja harventumien kohdalla paikallinen alipaine. Ääni syntyy, kun mekaaninen värähtelijä synnyttää aineeseen paineaaltoja. Ilmassa ääni etenee paineaaltoina, ja ihminen aistii ilmanpaineen vaihtelut äänenä. Ääni voi edetä vain aineessa, ei siis tyhjiössä.

Miehen äänihuulet ovat naisen äänihuulia paksummat ja ne värähtelevät naisen äänihuulia harvempaan. Sen takia miesten puheääni on taajuudeltaan matalampi kuin naisten. Äänellä on kaikki aaltoliikkeen yleiset ominaisuudet.


Äänen nopeus ja huojunta


Tiheät ja kovat aineet johtavat ääntä paremmin kuin pehmeät ja kevyet aineet. Nopeus on suurin kiinteissä aineissa ja pienin kaasuissa. Äänen nopeus kaasussa saadaan yhtälöstä

v1 = v2 √T1/T2

missä äänen nopeus v1 on lämpötilassa T1 ja lämpötila T2 on lämpötila, jossa äänen nopeus v2 tiedetään.

Kahden taajuudeltaan vain hieman toisistaan poikkeavan äänen interferenssi kuullaan äänen voimakkuuden jaksottaisena vaihteluna eli huojuntana. Huojunnan taajuus on äänirautojen taajuuksien erotus. Huojunnan taajuus on

f = |f1-f2|

jossa f1 ja f2 ovat interferoivien aaltojen taajuudet.


Seisova aaltoliike ilmapatsaassa


Puhallinsoittimen toiminta perustuu siihen, että soittimen sisällä olevaan ilmapatsaaseen syntyy seisova aaltoliike, kun soittimen avoimeen päähän tuleva aalto heijastuu osittain takaisin soittimeen. Kuultavan äänen taajuus riippuu ilmapatsaan pituudesta ja värähtelyn etenemisnopeudesta eli äänen nopeudesta ilmassa. Kuultavan äänen korkeuteen voidaan vaikuttaa muuttamalla soittimen ilmatilan pituutta.


2.2 Äänen kuuleminen


Kaiuttimen kalvon värähtely synnyttää ilmaan painevaihteluja. Painevaihtelujen aikaansaamat ilman värähtelyt siirtyvät korvan tärykalvoon ja korvan kuuloluut muuntavat ohuen ja herkkäliikkeisen tärykalvon värähtelyt sähköisiksi impulsseiksi, jotka välittyvät kuulohermoa pitkin aivojen kuulokeskukseen. Ihmisen kuuloaisti havaitsee värähtelyt, joiden taajuus on 16 Hz – 20 000 Hz. Ihmisen kuulemia ääniä matalataajuisempia mekaanisia aaltoja kutsutaan infraääniksi ja kuuloalueen ylärajaa korkeataajuisempia aaltoja ultraääniksi.


Intensiteetti ja intensiteettitaso


Äänen mukana etenee energiaa. Mitä enemmän energiaa siirtyy, sitä voimakkaampi ääni kuullaan, koska siirtyvän energian määrä riippuu painevaihtelujen suuruudesta. Äänen intensiteetti ilmoittaa, kuinka suurella teholla  energiaa siirtyy äänen etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa olevan tietyn suuruisen pinna läpi. Intensiteetti on

I = P / A

jossa P on äänen teho ja A äänen etenemissuuntaan nähden kohtisuora pinta-ala.

Äänen intensiteetti heikkenee etäisyyden kasvaessa, koska ääni jakautuu yhä suuremmalle pinta-alalle. Lisäksi äänen energiaa absorboituu ilmaan ja ääniaallon kohtaamiin esteisiin. Korkeiden äänten absorptio on voimakkaampaa kuin matalien. Siksi korkeat äänet  vaimenevat matalia voimakkaammin.

Heikoin äänen intensiteetti, jonka ihmiskorva kuulee 1000 Hz:n taajuudella, on noin I0 = 10-12 W/m2. Tätä intensiteetin arvoa kutsutaan kuulokynnykseksi. Äänen intensiteettitaso kuvaa kuultavan äänen voimakkuutta. Äänen intensiteettitaso on

L = 10 lg I/I0 dB                                                                                                                           

jossa I on havaittava intensiteetti ja I0  = 10-12 W/m2 kuulokynnyksen intensiteettti. Äänen intensiteettitasojen eron on oltava vähintään 3 dB, jotta ihminen pystyisi erottamaan eri äänenvoimakkuudet toisistaan. Ihmiskorvan kipukynnys on 120-125 dB. Ihmisen korva kuulee huonoiten matalia ääniä.

Erikorkuisten äänien voimakkuuksien vertaamiseksi on laadittu äänekkyystaso, jonka yksikkö on 1 fon (foni). Se on laadittu sen takia, että emme kuule saman intensiteettitason ääniä yhtä voimakkaina, joilla on eri korkeus. Fysiologinen foniasteikko on laadittu ilmaisemaan kuuloaistimuksen voimakkuutta. Kaikilla taajuuksilla kuulokynnys on 0 fon ja kipukynnys noin 120 fon.


Akustiikka


Jälkikaiunta-ajaksi kutsutaan aikaa, jonka kuluessa äänen intensiteetti vähenee miljoonasosaan alkuperäisestä. Siihen vaikuttavat huoneen tilavuus ja pintojen laatu. Jälkikaiunta-aikaa voidaan lyhentää lisäämällä huoneen pintojen äänenimemiskykyä. Huokoiset aineet absorboivat parhaiten korkeita ääniä ja matalat äänet absorboituvat paksuun seinäpinnoitteeseen. Sopiva jälkikaiunta-aika on tärkeä, ettei sali kuulostaisi akustisesti elottomalta ja laimealta.


Melu ja sen torjunta  


Kaikkea häiritsevää, haitallista tai vahingollista ääntä kutsutaan meluksi. Liian voimakas ääni voi aiheuttaa ihmiselle hetkellisen kuulovamman tai pysyvän kuulovaurion. Menetettyä kuuloa ei saa takaisin! Korvakäytävään kulkeutuvat ääniaallot saavat tärykalvon värähtelemään. Kuuloluut välittävät värähtelyn sisäkorvan suulla olevaan kalvoon. Kun kalvo värähtelee, simpukassa olevaan nesteeseen muodostuu aaltoja. Ne ärsyttävät kuuloaistinsoluja, joiden karvat muuttavat mekaanisen liikkeen aivoihin kulkeutuvaksi sähköärsykkeeksi.





Korvat alkavat tinnittää eli soida, jos melualtistus on ollut niin voimakas, että aistinkarvasolut ylivilkastuvat ja lähettävät jatkuvasti signaaleja aivoihin. Korvassa alkaa tuntua kipua, jos melu ylitää 125 dB:n arvon. Välittömän kuulovaurion raja on 140 dB. Työturvallisuussäännösten mukaan työntekijä ei saa olla jatkuvasti melussa, joka ylittää 85 dB:n arvon. Jos äänen intensiteettitaso ylittää tämän rajan, on käytettävä kuulosuojaimia.

Infraääni on hermostollisten vaikutusten takia terveydelle vaarallista ainakin taajuusalueella 5-10 Hz. Infraäänet alentavat työtehoa ja huonontavat työturvallisuutta. Infraääntä voi esiintyä esim tuuletusjärjestelmissä. Sitä esiintyy myös luonnossa, jossa sitä tuottavat mm. myrskyt ja tuulet.


Dopplerin ilmiö


Aaltoliikkeen ja havaitsijan liike toistensa suhteen aiheuttaa sen, että esim liikkuvan ääniraudan änen taajuus havaitaan erilaiseksi kuin levossa olevan ääniraudan taajuus. Tätä taajuuden muuttumista kutsutaan Dopplerin ilmiöksi.


2.3 Ultraääni                      


Ihmisen kuulotaajuuden ylärajan ylittävää ääntä kutsutaan ultraääneksi. Ultraäänen taajuuden yläraja on 1000 MHz. Ultraääntä voidaan synnyttää esim pietsosähköisen kiteen avulla. Pienitaajuista ultraääntä voidaan synnyttää samoin menetelmin kuin kuultavaakin ääntä: ääniraudalla, pillillä ja värähtelevillä kielillä.

Mitä pienempi ultraäänen aallonpituus on, sitä pienempiä kohteita sen avulla pystytään havaitsemaan. Koska ultraääni heijastuu ja taittuu aaltoliikkeen tavoin, sillä voidaan tutkia kappaleiden rakenteita ja niissä mahdollisesti olevia vikoja.

Lääketieteessä ultaääntä käytetään hyödyksi monin eri tavoin tutkittaessa esim ihmisen sisäelimiä. Ultraäänitutkimuksessa voidaan tarkastella esim sisäelimen muotoa tai kokoa. Siköitä voidaan tutkia ultraäänen avulla turvallisesti. Ultraääntä voidaan käyttää myös nivelvaurioiden hoitoon, koska ultraäänen heijastuminen nivelkalvosta nostaa kalvojen lämpötilaa. Ultraääntä käytetään myös sappikivien pilkkomiseen.

Ultraääni aiheuttaa suuria paineenvaihteluja, jotka tuhoavat nesteessä olevat pieneliöt. Sen vuoksi ultraääntä voidaan käyttää desinfiointiin. Ultraääni myös irrottaa esineistä likaa, joten sitä voidaankin käyttää hammaskiven poistoon. Kellosepät käyttävät sitä kellon osien ja korujen puhdistamiseen.



Ei kommentteja:

Lähetä kommentti