Zvuk je všude kolem nás. Svůj smysl pro zvuk používáme k navigaci v našem prostředí, ke komunikaci a poslechu hudby. Ale co je to zvuk? Jak se vyrábí a jak se přenáší z jednoho místa na druhé?
Co jsou zvukové vlny?
Zvuk je druh mechanické vlny nebo oscilace hmoty. Vlna je porucha, která se v médiu šíří z jednoho místa na druhé. Klíčem je, že body v médiu oscilují na místě, zatímco rušení samo cestuje.
Zvažte například vlnu provedenou davem při míčové hře. Jako vlnové médium slouží ventilátory na jejich sedadlech. Jednotlivci se postaví, zvednou ruce a pak se posadí - oscilují na místě. Porucha však prochází celou stadionu.
Oscilace v médiu obvykle přicházejí v jedné ze dvou variant: Příčné vlny kmitají v pravém úhlu ke směru cestování (jako u publika na stadionu nebo vlna na provázku) a podélné vlny oscilují rovnoběžně se směrem cestovat.
Zvukové vlny jsou podélné vlny. Když se zvuková vlna šíří médiem, jako je vzduch, činí to vibracemi molekul vzduchu, což způsobuje změny v tlak vzduchu, což má za následek stlačení (oblasti vysokého tlaku) a vzácné poruchy (oblasti nízkého tlaku) ve vzduchu jako vlna cestuje.
Přemýšlejte o pružině hračky, jako by se Slinky natáhly přes stůl s jednou osobou, která držela oba konce. Pokud jedna osoba vytrhne Slinky k sobě, pošle to podélnou vlnu dolů po Slinkách. Uvidíte oblasti Slinkyho cívek, které jsou těsněji rozmístěny (komprese) a volněji rozmístěny (vzácné funkce). Jakýkoli daný bod v Slinky osciluje tam a zpět na místě, jak se rušení pohybuje z jednoho konce na druhý.
Opět platí, že to je přesně to, co se děje se zvukovými vlnami ve vzduchu nebo jiném médiu.
Jak se vytvářejí zvukové vlny?
Stejně jako u jakékoli jiné vlny jsou zvukové vlny vytvářeny počátečním rušením nebo vibracemi. Například udeřená ladička vibruje na konkrétní frekvenci. Jak se pohybuje, naráží do molekul vzduchu kolem sebe a pravidelně je stlačuje.
Stlačené oblasti přenášejí tuto energii také na své sousední molekuly vzduchu a porucha se pohybuje vzduchem, dokud nedosáhne vaše ucho, kdy přenáší energii do ušního bubínku, který bude vibrovat na stejné frekvenci - a bude interpretován vaším mozkem jako zvuk.
Když mluvíte, vibrujete hrtan (malá dutá trubice v horní části průduchu), což zase vibruje vzduch kolem něj, který pak šíří zvukovou energii k posluchači. Stahováním a rozšiřováním tkáně v hrtanu a manipulací s artikulátory v ústech (vaše rty, jazyk a další struktury úst) můžete vytvářet různé zvuky.
Všechny objekty mohou být zdroji zvuku, které vytvářejí zvuk stejným způsobem - vibracemi a přenosem těchto vibrací na sousední médium, jako je vzduch.
Rychlost zvuku
V suchém vzduchu se zvuk šíří rychlostí
v = 331,4 + 0,6 T_c
kdeTCje teplota ve stupních Celsia. Ve standardní den 20 stupňů Celsia (68 stupňů Fahrenheita) se zvuk pohybuje rychlostí přibližně 343,4 m / s. To je asi 768 mil za hodinu!
Rychlost zvuku se u různých médií liší. Například rychlost, kterou se zvuková vlna pohybuje ve vodě, může být vyšší než 1437 m / s; ve dřevě je to 3 850 m / s; a v hliníku, více než 6 320 m / s!
Obecně platí, že zvuk se šíří rychleji v materiálech, kde jsou molekuly blíže k sobě. Nejrychleji se pohybuje v pevných látkách, druhá nejrychlejší v kapalinách a nejpomalejší v plynech.
Experiment: Měření rychlosti zvuku
Můžete provést jednoduchý experiment k měření rychlosti zvuku. K tomu budete potřebovat zdroj vyzařující zvuk (kterým může být ladička, ruční tleskání nebo váš vlastní hlas) a odrazný vynořte známou vzdálenost od zdroje (například pevnou stěnu útesu několik metrů před vámi nebo uzavřený konec jednoduché trubka).
Pokud máte vybavení (a / nebo reflexy dostatečně rychlé), které dokáže měřit časovou prodlevu mezi vydáním zvuku a vrací se do zdrojového umístění prostřednictvím odrazu od odrazné plochy, budete mít dostatek informací k určení Rychlost.
Jednoduše vezměte dvojnásobnou vzdálenost od zdroje k odraznému povrchu (protože zvuk se šíří z zdroj na povrch a pak zase zpět) a vydělte jej časem mezi emisemi zvuku a echo.
Předpokládejme například, že zakřičíte do kaňonu hlubokého 200 metrů a za 1,14 sekundy obdržíte ozvěnu. Rychlost zvuku by byla 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Překročení rychlosti zvuku
Možná znáte fenomén prolomení zvukové bariéry některými letadly. To znamená, že letadlo letí rychleji než rychlost zvuku. V tuto chvíli překročí tuto rychlost a vytvoří zvukový boom.
Letadlo cestující vMach 1cestuje rychlostí zvuku. Mach 2 je dvojnásobná rychlost zvuku a tak dále. Nejrychlejším letounem na světě byl severoamerický X-15, který 3. října 1967 dosáhl rychlosti 6,7 Mach.
Na souši byla rychlost zvuku narušena 15. října 1997 Andy Greenem, který v tryskovém autě ThrustSSC v poušti Black Rock v Nevadě letěl rychlostí 763 035 mil za hodinu.
Frekvence a vlnová délka
Frekvence vlny je počet oscilací, ke kterým dochází v daném bodě média za sekundu. Měří se v jednotkách hertzů (Hz), kde 1 Hz = 1 / s. Vlnová délka zvukové vlny je vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími oblastmi maximální komprese. Obvykle se měří v jednotkách metrů (m).
Rychlost zvukové vlny,proti,přímo souvisí s frekvencíFvlnová délka lambda přesv = λf.
Rychlost zvuku v konkrétním médiu nezávisí na frekvenci nebo vlnové délce, ale je konstantou daného média. Frekvence zvukové vlny bude vždy odpovídat frekvenci zdroje zvuku, takže nezávisí na médiu nebo rychlosti vlny.
Proto ve dvou různých médiích budou frekvence stejné, zatímco rychlosti budou specifické pro média a vlnové délky se budou lišit podle toho. (Vysoká frekvence odpovídá malým vlnovým délkám a naopak.)
Frekvenční rozsahy, které jsou typicky detekovatelné lidským uchem, se pohybují od 64 Hz do 23 kHz, ačkoli lidé mají tendenci ztrácet schopnost slyšet vyšší frekvence, jak stárnou. Naproti tomu psi mohou slyšet až do 45 kHz (což je důvod, proč reagují na píšťalky psů) které jsou pro lidi neslyšitelné), kočky mohou slyšet až 64 kHz a sviňuchy až 150 kHz!
"Ve vesmíru tě nikdo neslyší křičet"
Nepochybně jste narazili na tento citát z filmu z roku 1979Mimozemšťan, a je pravda: zvuk se nepohybuje ve vakuu. Je to proto, že potřebuje médium. Aby se zvuk mohl šířit, musí být mezi zdrojem zvuku a vámi nějaký materiál.
Takže všechny ty scény vesmírných bitev, které vidíte ve filmech s hlasitými výbuchy? Úplně falešné! Nebyl by slyšet žádný zvuk, protože neexistuje žádné médium, kterým by mohl cestovat.
Intenzita zvuku a zvuková energie
Intenzita zvuku,Já, je akustický výkon na jednotku plochy. Jednotka SI pro intenzitu zvuku je watt / m2 kdeJá0 = 10-12 W / m2 je považován za prahovou hodnotu pro lidský sluch. Hovorově řečeno, intenzita zvuku je to, co považujeme za „hlasitost“ zvuku.
Běžným způsobem prezentace vnímané hlasitosti zvuku je použití stupnice decibelů (dB), kde je intenzita zvuku v decibelech:
Tato stupnice je užitečná, protože lidé nevnímají hlasitost lineárně. To znamená, že zvuk s dvojnásobnou intenzitou se může zdát více než dvakrát tak hlasitý, když začal potichu, a méně než dvakrát tak hlasitý, pokud již začal trochu hlasitě. Decibelová stupnice poskytuje čísla, která jsou více v souladu s naším vnímáním.
Zvuk lehkých dýchacích frekvencí je přibližně 10 dB, zatímco konverzace v restauraci je přibližně 60 dB. Přelet tryskem na 1000 ft je asi 100 dB. Hraniční bolestivý bouřkový zvuk je 120 dB a vaše ušní bubny prasknou na 150 dB.
Energie ve zvukové vlně přímo souvisí s intenzitou. Jednotky intenzity, W / m2, jsou stejné jako J / (sm2) nebo energie v joulech za sekundu na metr čtvereční.
Hudební nástroje
Připomeňme, že rychlost zvuku závisela pouze na médiu, a ne na frekvenci vlny. To je dobrá věc, protože jinak by poslech koncertu byl strašný zážitek, protože různé hudební noty vás dostanou mimo provoz.
Různé frekvence zvuku odpovídají různým výškám nebo notám. Když zpěvák zpívá, produkuje různé frekvence změnou velikosti a tvaru hrtanu. Hudební nástroje jsou navrženy tak, aby vytvářely zvuk čistých tónů, obvykle vytvářením stojatých vln, ať už v trubici nebo trubce, nebo podél struny.
Zvažte strunný nástroj, jako je kytara. Frekvence, při které trhaná struna vibruje, závisí na její hustotě hmoty (kolik hmoty na jednotku délky), napětí ve struně (jak pevně se drží) a její délce. Když se podíváte na kytaru, uvidíte, že každá struna má jinou tloušťku. Ladicí knoflíky na konci rukojeti umožňují nastavit napětí strun a pražce vám dávají místa, kde můžete dát prsty, abyste při hraní změnili délku strun, což vám umožní vytvářet mnoho různých poznámky.
Naproti tomu dřevěné dechové nástroje se skládají z dutých trubek, kde mohou být ve stojatých vlnách vytvářeny stojaté vlny (stejně jako ve vašem hrtanu). Různé tónové díry na takovém nástroji umožňují měnit typy stojatých vln, které se mohou tvořit, a tím měnit noty, které lze hrát.
U nástroje, jako je pozoun, můžete také upravit délku zkumavky pohybem diapozitivu tam a zpět, což umožňuje různé frekvence stojatých vln, a tedy i různé noty.
Perkusní nástroje, jako jsou bubny, se spoléhají na vibrace membrány (například hlavy bubnu). Stejně jako trhání strun kytary, když udeříte do hlavy bubnu na různých místech, vytvoří se na membráně stojaté vlny, které vytvářejí zvuk. Frekvence a kvalita zvuku závisí na velikosti membrány, její tloušťce a napětí.