Was hindert Schall daran, nur Wind zu sein?

Ihr Punkt 1 ist richtig und die Antwort basiert darauf. Ja, am Anfang gibt es eine Schwelle. Ton beginnt nicht, ohne dass etwas vibriert. Es muss eine Schwingungsquelle wie die Membran einer Trommel geben. Es vibriert und versetzt wiederum die umgebende Luft in Schwingung. Zum zweiten Zweifel haben Sie selbst gesagt, dass Schall auf Schwingungen zurückzuführen ist. Die Moleküle schwingen um ihre Ausgangsposition. Wenn sie von den benachbarten getroffen werden, gehen sie in die eine Richtung und kehren aufgrund von Trägheit sowie Elastizität (zwischenmolekularen Kräften) in die andere Richtung in ihre Ausgangsposition zurück. In einem Medium ohne Trägheit oder Elastizität (Vakuum) kann kein Schall erzeugt werden. Schall (Welle) ist also kein Wind, weil es nie eine Nettoverschiebung von Materie gibt, nur eine Schwingung.

Wir sehen Schallwellen in Regionen, in denen es vernünftig ist, die Luft als elastisches Medium zu behandeln. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Medium ist definiert durch$\sqrt{\frac{K_s}{\rho}}$, Wo$\rho$ist die Dichte und$K_s$ist der Steifigkeitskoeffizient. Bei Gasen ist dieser Koeffizient der Kompressionsmodul , der das Verhältnis der infinitesimalen Druckänderung aufgrund einer relativen Volumenabnahme ist ($K_s=-V\frac{dP}{dV}$).

Solange sich Luft elastisch verhält, können wir mit diesen und anderen Gleichungen das Verhalten schwingender Wellen in der Luft ableiten. Dieses Modell fällt jedoch auseinander, wenn wir den Bereich verlassen, in dem es sich elastisch verhält. Dies tritt auf, wenn Sie beginnen, schnell genug zu reisen (natürlich liegt die Schwelle bei etwa der Schallgeschwindigkeit).

Denken wir an unseren Lautsprecher. Die Oberfläche des Lautsprechers bewegt sich nicht wirklich mit Schallgeschwindigkeit. Es bewegt sich mit einer geringeren Geschwindigkeit, die durch die Amplitude und Frequenz des Schalls definiert ist. Die Position des Sprechers ist$x=A\cos\omega t$, also ist die Geschwindigkeit$v=A\omega\sin\omega t$, das heißt die maximale Geschwindigkeit des Lautsprechers ist$A\omega$. Dies ist auch die maximale Geschwindigkeit jedes Luftteilchens, das von der Welle verdrängt wird. Die Welle selbst bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit, die einzelnen Teilchen bewegen sich jedoch maximal$A\omega$.

So lange wie$A\omega$klein ist, ist es sehr sinnvoll, Luft als elastisches Medium zu modellieren, sodass wir eine normale Wellenausbreitung sehen. Wenn jedoch Ihre Amplitude oder Frequenz (oder das Produkt der beiden) zunimmt, steigt auch die Geschwindigkeit des Lautsprechers und die Geschwindigkeit der Luft, aus der die Schallwelle besteht. Als$A\omega$Schallgeschwindigkeit erreicht, ist es nicht mehr sinnvoll anzunehmen, dass Luft elastisch ist.$-V\frac{dP}{dV}$hört auf, eine Konstante zu sein, und wir beginnen, nichtlineare Effekte zu sehen. Diese nichtlinearen Effekte werden umgangssprachlich als „Schallmauer“ bezeichnet. Dies ist die Schwelle, die Sie intuitiv erahnen, und sie hängt eindeutig sowohl von der Amplitude als auch von der Geschwindigkeit ab.

Unterhalb dieses Effekts ist es jetzt sicher, die elastischen Gleichungen zur Beschreibung von Transversalwellen zu verwenden. Jetzt können wir Ihre Frage beantworten, was Schallwellen von Wind unterscheidet. Beides sind sicherlich Druckeffekte, aber Schallwellen sind ein Sonderfall, bei dem die Quelle des Drucks gut als zyklische Quelle modelliert wird. Impulsgeräusche wie ein Schuss überspannen diese Linie. Sie können entweder als Breitspektrum-Schallwelle oder als sehr scharfer Druckwind gesehen werden. Wir verwenden das erstere Bild, wenn wir über das sprechen, was wir hören, und das erstere, um zu zeigen, was es tut, um die Kugel nach vorne zu schieben.

Wir können auch Ihre Frage beantworten, warum die Luft nicht rückwärts eingefüllt wird. Wenn wir ein elastisches Medium annehmen können, wissen wir, dass die Position und Geschwindigkeit jeglicher Teilchenbewegung eine Funktion von Cosinus bzw. Sinus sind. Damit können wir sehen, dass der Grund, warum die Luft nur von einer Seite einströmt, darin besteht, dass die Luft auf der anderen Seite gerade dabei ist, sich zu diesem Zeitpunkt von diesem Vakuum wegzubewegen . Tatsächlich wird diese Luft durch dieses Vakuum bis zum Stillstand abgebremst, und das formt den nächsten Zyklus der Welle!

Ihre Frage ist mir nicht ganz klar, insbesondere was Sie mit "nur Wind" meinen. Schall ist eine Druckwelle und Ihre Punkte 1, 2 und 3 stimmen miteinander überein und sind alle wahr.

Wichtig zu beachten ist, dass Schall mit dem Bezug dessen beschrieben wird, was Menschen wahrnehmen und interpretieren können, und somit die Grenzen in Amplitude und Frequenz (dh was "Ultra"- oder "Infra"-Schall bedeuten) willkürlich sind.

In Bezug auf den von Ihnen erwähnten Schwellenwert sind einige verschiedene Aspekte zu berücksichtigen, einer hängt mit der Viskosität des Mediums zusammen. Was die Ausbreitung sehr kleiner Amplituden verhindert, ist eine sehr schnelle Dämpfung der Welle. Dies wird (für die meisten praktischen Frequenzen) durch das Stokessche Gesetz der Schalldämpfung beschrieben:

Wo$A(d)$ist die Amplitude in der Entfernung$d$Und$\alpha$ist definiert als:

Wo$\eta$ist der dynamische Viskositätskoeffizient der Flüssigkeit,$\omega$ist die Frequenz (oder Pulsation) des Tons,$\rho$ist die Flüssigkeitsdichte, und$V$ist die Schallgeschwindigkeit im Medium. So verschwinden Geräusche mit sehr kleiner Amplitude sehr schnell.

Was Ihren zweiten Punkt betrifft, müssen Sie entweder eine zweidimensionale Vereinfachung oder eine ideale planare Welle in Betracht ziehen, bei der es keine anderen Moleküle gibt, die die Lücke füllen, außer denen, die ursprünglich verschoben wurden. Oder Sie können eine sphärische Welle betrachten, bei der wiederum, wenn der Druck in einem sphärischen Bereich gleichmäßig ansteigt, die gleichen Moleküle die Lücke füllen, die durch das Zurückziehen der Membran entsteht.

zu Option 1 zu gehen, ist richtig. und ja, die Schwelle wird dem Anfang auferlegt. und wie bei wellen eher schall oder auch bei wärmeleitung in metall, bewegt sich nicht das molekül vorwärts, sondern die schwingung der moleküle in ihrer ausgangslage und die schwingung bewegt sich vorwärts.