Ääniaalto on eräänlainen paineaalto, joka aiheutuu esineen tärinästä johtavassa väliaineessa, kuten ilmassa. Kun kohde värisee, se lähettää sarjan aaltoja, jotka voidaan tulkita ääniksi. Esimerkiksi jos joku osuu rumpuun, se saa rummun kalvon värähtelemään ja värähtely välittyy ilman läpi, missä se voi saavuttaa kuulijan korvan. Tärinä kulkee eri nopeuksilla eri väliaineiden läpi, mutta ei voi kulkea tyhjiön läpi. Sen lisäksi, että ääniaaltoja käytetään viestintään, niitä käytetään tarjoamaan kuvia esteettömistä esineistä ja rakenteista, valtameren tutkimuksissa sekä geologiassa ja seismologiassa.
Aallon tyypit
Ääni kulkee kaasujen, nesteiden ja kiintoaineiden läpi pitkittäisaaltoina. Tämä tarkoittaa, että väliaineen puristus on samaan suuntaan kuin ääni, johon ääni kulkee. Kiintoaineissa ja nesteiden pinnoilla tärinä voi kulkea myös poikittaisina aaltoina. Näissä puristus on suorassa kulmassa liikesuuntaan nähden.
Äänen nopeus
Äänen nopeus riippuu väliaineen tiheydestä, jonka läpi se kulkee. Se kulkee nopeammin tiheämpien aineiden läpi ja on siten nopeampi kiinteissä aineissa kuin nesteissä ja nopeampi nesteissä kuin kaasuissa. Tuttuissa, maallisissa olosuhteissa äänen nopeus on aina huomattavasti pienempi kuin valon, mutta neutronitähden erittäin tiheässä materiaalissa se voi olla melko lähellä valon nopeutta. Ero nopeuksissa ilmassa osoittaa salaman välähdyksen ja ukkosen äänen viivästymisen kaukaiselle tarkkailijalle: valo saapuu melkein heti, mutta ääni kestää huomattavan paljon aikaa.
Äänen nopeus ilmassa vaihtelee paineen ja lämpötilan mukaan, korkeammat paineet ja lämpötilat antavat suurempia nopeuksia. Esimerkiksi 68 ° C: n lämpötilassa ja tavanomaisessa merenpinnan paineessa se on 20 metriä sekunnissa. Vedessä nopeus riippuu jälleen lämpötilasta; 1,126 ° C: n lämpötilassa se on 343.3 jalkaa/s (68 m/s). Kiinteiden aineiden nopeus on hyvin vaihteleva, mutta jotkut tyypilliset arvot ovat 20 m/s (4,859 m/s) tiilissä, 1,481 ft/s (13,700 m/s) teräksessä ja 4,176 ft/s (20,000 m/s) timantissa.
Aallonpituus, taajuus ja amplitudi
Ääntä voidaan kuvata aallonpituudella, taajuudella ja amplitudilla. Aallonpituus määritellään etäisyydeksi, joka kuluu koko syklin suorittamiseen. Koko sykli siirtyy huipusta huipulle tai kourusta kouruun.
Taajuus on termi, jota käytetään kuvaamaan kokonaisten syklien määrää tietyn ajan kuluessa, joten lyhyemmillä aallonpituuksilla on korkeammat taajuudet. Se mitataan hertseinä (Hz), yksi hertsi on yksi sykli sekunnissa ja kilohertsi (kHz), kun yksi kHz on 1,000 Hz. Ihminen voi kuulla ääniä, jotka vaihtelevat 20 Hz: stä noin 20 kHz: iin, mutta värähtelyillä voi olla paljon pienempiä tai korkeampia taajuuksia. Monien eläinten kuulo ulottuu ihmisen kantaman ulkopuolelle. Ihmisen kuuloalueen alapuolella olevia värähtelyjä kutsutaan infraääneksi, kun taas tämän alueen yläpuolella olevia kutsutaan ultraääneksi.
Äänen voimakkuus riippuu taajuudesta, korkeammilla taajuuksilla. Amplitudi on aaltojen korkeus ja kuvaa kuljetetun energian määrää. Suuret amplitudit ovat suurempia.
Aaltoilmiöt
Ääniaallot ovat alttiina monille valoaalloihin liittyville ilmiöille. Ne voivat esimerkiksi heijastua pinnoilta, ne voivat diffraktoitua esteiden ympärille ja he voivat taitella, kun ne kulkevat kahden eri väliaineen, kuten ilman ja veden, välillä samalla tavalla kuin valo. Toinen yhteinen ilmiö on häiriö. Kun kahden eri lähteen ääni -aallot kohtaavat, ne voivat vahvistaa toisiaan huippujen ja kourujen yhtymäkohdassa ja peruuttaa toisensa, kun huippu kohtaa aallon, luoden häiriökuvion, jossa on kovia ja hiljaisia alueita. Jos värähtelyillä on eri taajuudet, tämä voi luoda pulssitehosteen tai “lyönnin” yhdistettyyn ääneen.
Sovellukset
Ääniaalloilla on monia sovelluksia tieteessä ja lääketieteessä. Ultraäänikuvantamisella voidaan tutkia lääketieteellisiä ongelmia ja suorittaa tärkeitä tarkastuksia. Yksi tunnettu sovellus on ultraäänitutkimus, jota käytetään syntymättömän lapsen kuvan tuottamiseen sen terveyden tarkistamiseksi, jos röntgen ei ole turvallinen. Äänipulsseja, joita kutsutaan luotaimiksi, voidaan käyttää merenpohjan kartoittamiseen mittaamalla tarkasti kaiun vastaanottamiseen kuluva aika.
Seismologiassa maapallon sisäistä rakennetta voidaan tutkia tarkkailemalla ääniaaltojen etenemistä. Koska poikittaiset aallot eivät voi kulkea nesteiden läpi, tätä tekniikkaa voidaan käyttää pinnan alla olevan sulan kiven alueiden kartoittamiseen. Tyypillisesti ääni syntyy räjähdyksestä, ja värähtelyt kerätään eri etäisyyksistä, kun ne ovat kulkeneet maan läpi. Tarkastelemalla poikittaisten aaltojen-tässä yhteydessä “aaltoja”-ja pitkittäisten aaltojen-“p-aaltojen” tunnuksia, voidaan rakentaa tarkka kolmiulotteinen kartta, joka näyttää kiinteän ja sulan kiven jakautumisen .