Zvočni val je valovni proces, ki se pojavlja v plinastih, tekočih in trdnih medijih, ki jih, ko dosežejo človeške slušne organe, zaznajo kot zvok. Frekvenca teh valov je v območju od 20 do 20.000 nihanj na sekundo. Podali smo formule za zvočni val in podrobneje preučili njegove lastnosti.
Zakaj je zvočni val?
Mnogi se sprašujejo, kaj je zvočni val. Narava zvoka je v pojavu motenj v elastičnem mediju. Na primer, ko se v določeni prostornini zraka pojavi motnja tlaka v obliki stiskanja, se to območje nagiba k širjenju v prostoru. Ta proces vodi do stiskanja zraka v območjih, ki mejijo na vir, ki se prav tako nagibajo k širjenju. Ta proces zajema vedno več prostora, dokler ne doseže nekega sprejemnika, na primer do človeškega ušesa.
Splošne značilnosti zvočnih valov
Premislimo, kaj je zvočni val in kako ga zaznava človeško uho. Zvočni valje vzdolžna, ko vstopi v ušesno školjko, povzroči tresljaje bobniča z določeno frekvenco in amplitudo. Ta nihanja lahko predstavite tudi kot periodične spremembe tlaka v mikrovolumnu zraka, ki meji na membrano. Najprej se poveča glede na normalni atmosferski tlak, nato pa se zmanjša, pri čemer upošteva matematične zakone harmoničnega gibanja. Amplituda sprememb kompresije zraka, to je razlika med največjim ali minimalnim tlakom, ki ga ustvari zvočni val, z atmosferskim tlakom je sorazmerna z amplitudo samega zvočnega vala.
Številni fizični poskusi so pokazali, da je največji pritisk, ki ga človeško uho lahko zazna, ne da bi mu poškodoval, 2800 µN/cm2. Za primerjavo, recimo, da je atmosferski tlak blizu zemeljske površine 10 milijonov µN/cm2. Glede na sorazmernost tlaka in amplitude nihanja lahko rečemo, da je slednja vrednost tudi pri najmočnejših valovih nepomembna. Če govorimo o dolžini zvočnega vala, bo to za frekvenco 1000 tresljajev na sekundo tisočinka centimetra.
Najšibkejši zvoki ustvarjajo nihanja tlaka reda 0,001 µN/cm2, ustrezna amplituda valovanja za frekvenco 1000 Hz je 10- 9cm, medtem ko je povprečni premer molekul zraka 10-8 cm, torej je človeško uho izjemno občutljiv organ.
Koncept intenzivnosti zvočnih valov
Z geometrijskoZ vidika zvočnega vala je vibracija določene oblike, s fizičnega vidika je glavna lastnost zvočnih valov njihova sposobnost prenosa energije. Najpomembnejši primer prenosa energije valovanja je sonce, katerega sevani elektromagnetni valovi zagotavljajo energijo celotnemu planetu.
Intenzivnost zvočnega vala v fiziki je opredeljena kot količina energije, ki jo val prenaša skozi enoto površine, ki je pravokotna na širjenje vala, in na enoto časa. Skratka, intenzivnost vala je njegova moč, prenesena skozi enoto površine.
Moč zvočnih valov se običajno meri v decibelih, ki temeljijo na logaritemski lestvici, ki je priročna za praktično analizo rezultatov.
Intenzivnost različnih zvokov
Naslednja decibelska lestvica daje predstavo o pomenu različnih jakosti zvoka in občutkov, ki jih povzroča:
- prag za neprijetne in neprijetne občutke se začne pri 120 decibelih (dB);
- kovičevo kladivo ustvarja 95 dB hrupa;
- visokohitrostni vlak - 90 dB;
- prometna ulica - 70 dB;
- glasnost običajnega pogovora med ljudmi je 65 dB;
- Sodoben avto, ki se giblje z zmerno hitrostjo, ustvarja 50 dB hrupa;
- povprečna glasnost radia - 40 dB;
- tihi pogovor - 20 dB;
- šum drevesnega listja - 10 dB;
- Minimalni prag človeške zvočne občutljivosti je blizu 0 dB.
Občutljivost človeškega ušesa je odvisna odfrekvenca zvoka in je največja vrednost za zvočne valove s frekvenco 2000-3000 Hz. Za zvok v tem frekvenčnem območju je spodnji prag človeške občutljivosti 10-5 dB. Višje in nižje frekvence od določenega intervala vodijo v zvišanje nižjega praga občutljivosti tako, da človek sliši frekvence blizu 20 Hz in 20.000 Hz le pri njihovi intenzivnosti nekaj deset dB.
Glede na zgornji prag intenzivnosti, po katerem zvok začne povzročati nevšečnosti za osebo in celo bolečino, je treba reči, da praktično ni odvisen od frekvence in leži v območju 110-130 dB.
Geometrijske značilnosti zvočnega vala
Pravi zvočni val je kompleksen oscilatorni paket vzdolžnih valov, ki jih je mogoče razstaviti na preproste harmonične vibracije. Vsako takšno nihanje je z geometrijskega vidika opisano z naslednjimi značilnostmi:
- Amplituda - največje odstopanje vsakega odseka vala od ravnotežja. Za to vrednost je oznaka A.
- Odobje. To je čas, ki je potreben, da preprost val dokonča svoje popolno nihanje. Po tem času začne vsaka točka vala ponavljati svoj nihajni proces. Obdobje je običajno označeno s črko T in se meri v sekundah v sistemu SI.
- Pogostost. To je fizična količina, ki kaže, koliko nihanj naredi dani val na sekundo. To pomeni, da je po svojem pomenu vrednost, inverzna obdobju. Označena je z latinsko črko f. Formula za določitev frekvence zvočnega vala skozi obdobje je naslednja: f=1/T.
- Dolžina vala je razdalja, ki jo prepotuje v enem obdobju nihanja. Geometrijsko je valovna dolžina razdalja med dvema najbližjima maksimumoma ali dvema najbližjima minimumoma na sinusni krivulji. Dolžina nihanja zvočnega vala je razdalja med najbližjimi območji stiskanja zraka ali najbližjimi kraji njegovega redčenja v prostoru, kjer se val giblje. Običajno je označen z grško črko λ.
- Hitrost širjenja zvočnega valovanja je razdalja, na kateri se območje stiskanja ali območje redčenja valovanja širi na enoto časa. Ta vrednost je označena s črko v. Za hitrost zvočnega vala je formula: v=λf.
Geometrija čistega zvočnega vala, to je val stalne čistosti, je podrejena sinusnemu zakonu. V splošnem primeru je formula zvočnega vala: y=Asin(ωt), kjer je y vrednost koordinate dane točke vala, t je čas, ω=2pif je ciklična frekvenca nihanja.
Aperiodični zvok
Številne vire zvoka lahko štejemo za periodične, na primer zvok glasbenih inštrumentov, kot so kitara, klavir, flavta, vendar je v naravi tudi veliko število zvokov, ki so aperiodični, torej se zvočne vibracije spreminjajo njihova frekvenca in oblika v prostoru. Tehnično se ta vrsta zvoka imenuje šum. svetloprimeri aperiodičnih zvokov so urbani hrup, zvok morja, zvoki tolkal, kot je boben, in drugi.
medij za širjenje zvoka
Za razliko od elektromagnetnega sevanja, katerega fotoni za svoje širjenje ne potrebujejo nobenega materialnega medija, je narava zvoka taka, da je za njegovo širjenje potreben določen medij, torej po zakonih fizike zvočni valovi ne morejo razmnoževati v vakuumu.
Zvok lahko potuje skozi pline, tekočine in trdne snovi. Glavne značilnosti zvočnega vala, ki se širi v mediju, so naslednje:
- val se širi linearno;
- enakomerno se širi v vse smeri v homogenem mediju, to pomeni, da zvok odstopa od vira in tvori popolno sferično površino.
- ne glede na amplitudo in frekvenco zvoka se njegovi valovi širijo z enako hitrostjo v danem mediju.
Hitrost zvočnih valov v različnih medijih
Hitrost širjenja zvoka je odvisna od dveh glavnih dejavnikov: medija, v katerem se val premika, in temperature. Na splošno velja naslednje pravilo: gostejši kot je medij in višja kot je njegova temperatura, hitreje se zvok v njem premika.
Na primer, hitrost širjenja zvočnega vala v zraku blizu zemeljske površine pri temperaturi 20 ℃ in vlažnosti 50 % je 1235 km/h ali 343 m/s. V vodi pri določeni temperaturi potem zvok potuje 4,5-krat hitrejetam je približno 5735 km/h ali 1600 m/s. Kar zadeva odvisnost hitrosti zvoka od temperature v zraku, se ta poveča za 0,6 m/s z zvišanjem temperature za vsako stopinjo Celzija.
Tembre in ton
Če je struna ali kovinska plošča dovoljena, da prosto vibrira, bo oddajala zvoke različnih frekvenc. Zelo redko je najti telo, ki bi oddajalo zvok ene določene frekvence, običajno ima zvok predmeta nabor frekvenc v določenem intervalu.
Tembr zvoka je določen s številom harmonik, ki so prisotne v njem, in njihovimi ustreznimi intenzivnostmi. Glasba je subjektivna vrednost, torej je zaznavanje zvenečega predmeta s strani določene osebe. Za zvok so običajno značilni naslednji pridevniki: visok, briljanten, zvočen, melodičen itd.
Ton je zvočni občutek, ki omogoča, da ga razvrstimo kot visok ali nizek. Ta vrednost je tudi subjektivna in je ni mogoče izmeriti z nobenim instrumentom. Ton je povezan z objektivno količino – frekvenco zvočnega vala, vendar med njimi ni nedvoumnega razmerja. Na primer, za enofrekvenčni zvok stalne jakosti se ton dvigne, ko se frekvenca poveča. Če frekvenca zvoka ostane konstantna, vendar se njegova intenzivnost poveča, potem ton postane nižji.
Oblika zvočnih virov
Glede na obliko telesa, ki mehansko vibrira in s tem ustvarja zvok, obstajajo tri glavne vrste virov zvočnih valov:
- Točkovni vir. Proizvaja zvočne valove, ki so sferične oblike in hitro upadajo z oddaljenostjo od vira (približno 6 dB, če se razdalja od vira podvoji).
- Vir vrstice. Ustvarja valjaste valove, katerih intenzivnost pada počasneje kot iz točkovnega vira (za vsako podvojitev razdalje od vira se intenzivnost zmanjša za 3 dB).
- Ploski ali dvodimenzionalni vir. Ustvarja valove le v določeni smeri. Primer takega vira bi bil bat, ki se giblje v cilindru.
elektronski viri zvoka
Za ustvarjanje zvočnega vala elektronski viri uporabljajo posebno membrano (zvočnik), ki izvaja mehanske vibracije zaradi pojava elektromagnetne indukcije. Ti viri vključujejo naslednje:
- predvajalniki za različne diske (CD, DVD in drugo);
- kasetofon;
- radio;
- TV in nekateri drugi.
