Zvuk je svuda oko nas. Osjećaj zvuka koristimo za navigaciju okolinom, komunikaciju i uživanje u glazbi. Ali što je zvuk? Kako se izrađuje i kako se prenosi s jednog mjesta na drugo?
Što su zvučni valovi?
Zvuk je vrsta mehaničkog vala ili titranje materije. Val je poremećaj koji putuje s jednog mjesta na drugo u mediju. Ovdje je ključno da točke u mediju osciliraju na mjestu dok smetnja sama putuje.
Na primjer, uzmite u obzir val koji je gomila izvela u igri s loptom. Navijači na svojim sjedalima služe kao valni medij. Pojedinačno se ustanu, podignu ruke, a zatim ponovno sjednu - osciliraju u mjestu. Poremećaj, međutim, putuje cijelim stadionom.
Oscilacije u mediju imaju tendenciju da se pojave u jednoj od dvije varijante: Poprečni valovi osciliraju pod pravim kutom u smjeru putovanje (kao kod publike na stadionu ili val na žici) i uzdužni valovi osciliraju paralelno sa smjerom putovati.
Zvučni valovi su uzdužni valovi. Kada se zvučni val širi kroz medij, poput zraka, to čini uzrokujući titranje molekula zraka, što uzrokuje promjene u zračni tlak, što rezultira kompresijama (područja visokog tlaka) i razrjeđenjima (područja niskog tlaka) u zraku kao val putovanja.
Zamislite oprugu igračke poput Slinkyja ispruženog preko stola s jednom osobom koja drži oba kraja. Ako jedna osoba iščupa Slinkyja prema sebi, to će poslati uzdužni val niz Slinky. Vidjet ćete područja Slinky zavojnica koja su bliže (kompresije) i labavije (rijetkosti). Svaka zadana točka u Slinkyju oscilira naprijed-natrag u mjestu dok se smetnja pomiče s jednog kraja na drugi.
Opet, upravo se to događa sa zvučnim valovima u zraku ili bilo kojem drugom mediju.
Kako nastaju zvučni valovi?
Kao i kod bilo kojeg drugog vala, zvučni valovi nastaju početnim smetnjama ili vibracijama. Udarna vilica, na primjer, vibrira na određenoj frekvenciji. Kako se kreće, naleti na molekule zraka oko sebe, povremeno ih sabijajući.
Komprimirana područja prenose tu energiju i na susjedne molekule zraka, a smetnja se kreće zrakom dok ne dosegne uho, u tom trenutku on prenosi energiju na vaš bubnjić, koji će vibrirati istom frekvencijom - i vaš će vas mozak protumačiti kao zvuk.
Kad govorite, vibrirate grkljan (mala šuplja cijev na vrhu dušnika), koji zauzvrat vibrira zrak oko sebe, koji zatim širi zvučnu energiju do slušatelja. Ugovaranjem i širenjem tkiva u grkljanu, kao i manipulacijom artikulatorima u ustima (usnama, jezikom i ostalim ustima), možete stvoriti različite zvukove.
Svi objekti mogu biti izvori zvuka koji stvaraju zvuk na isti način - vibrirajući i prenoseći te vibracije na susjedni medij, poput zraka.
Brzina zvuka
Na suhom zraku zvuk putuje brzinom od
v = 331,4 + 0,6T_c
gdjeTcje temperatura u Celzijusu. Standardnog dana od 20 Celzijevih stupnjeva (68 stupnjeva Fahrenheita) zvuk putuje oko 343,4 m / s. To je oko 768 milja na sat!
Brzina zvuka je različita u različitim medijima. Na primjer, brzina kojom zvučni val putuje u vodi može biti veća od 1.437 m / s; u drvu iznosi 3.850 m / s; a u aluminiju više od 6.320 m / s!
Općenito je da zvuk brže putuje u materijalima gdje su molekule bliže jedna drugoj. Putuje najbrže u krutim tvarima, drugo najbrže u tekućinama i najsporije u plinovima.
Pokus: Mjerenje brzine zvuka
Možete izvesti jednostavan eksperiment za mjerenje brzine zvuka. Da biste to učinili, trebat će vam izvor koji emitira zvuk (što bi mogla biti vilica za podešavanje, pljeskanje rukama ili vaš vlastiti glas) i reflektirajući površinu na poznatoj udaljenosti od izvora (kao što je čvrsti zid litice nekoliko metara ispred vas ili zatvoreni kraj jednostavnog cijev).
Pod uvjetom da imate opremu (i / ili reflekse dovoljno brzo) koja može mjeriti vremenski interval između trenutka kad se emitira zvuk i kada vrati se na izvorno mjesto putem odjeka reflektirajuće površine, imat ćete dovoljno podataka za određivanje ubrzati.
Jednostavno uzmite dvostruku udaljenost od izvora do reflektirajuće površine (budući da zvuk putuje od izvor na površinu, a zatim opet natrag) i podijelite ga vremenom između emisije zvuka i jeka.
Kao primjer, pretpostavimo da viknete u kanjon dubok 200 m i primite odjek za 1,14 sekunde. Brzina zvuka bila bi 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Prekoračenje brzine zvuka
Možda vam je poznat fenomen određenih zrakoplova koji probijaju zvučnu barijeru. To znači da zrakoplov leti brže od brzine zvuka. U trenutku kada premaši ovu brzinu, stvara zvučni bum.
Zrakoplov koji putuje uMach 1putuje brzinom zvuka. Mach 2 dvostruko je brži od zvuka i tako dalje. Najbrži zrakoplov na svijetu bio je sjevernoamerički X-15, koji je 3. listopada 1967. postigao brzinu od 6,7 Macha.
Na kopnu je brzinu zvuka 15. listopada 1997. slomio Andy Green koji je prešao 763.035 milja na sat u mlaznom automobilu ThrustSSC u pustinji Black Rock u Nevadi.
Učestalost i valna duljina
Frekvencija vala je broj oscilacija koje se javljaju u određenoj točki medija u sekundi. Mjeri se u jedinicama herca (Hz) gdje je 1 Hz = 1 / s. Valna duljina zvučnog vala udaljenost je između dva uzastopna područja maksimalne kompresije. Tipično se mjeri u jedinicama metara (m).
Brzina zvučnog vala,v,je izravno povezan s frekvencijomfvalna duljina lambda prekov = λf.
Brzina zvuka u određenom mediju ne ovisi o frekvenciji ili valnoj duljini, već je umjesto toga konstanta određenog medija. Frekvencija zvučnog vala uvijek će se podudarati s frekvencijom izvora zvuka, tako da ne ovisi o mediju ili brzini vala.
Stoga će u dva različita medija frekvencije biti jednake, dok će brzine biti specifične za medije i valne duljine će se u skladu s tim mijenjati. (Visoka frekvencija odgovara malim valnim duljinama i obrnuto.)
Rasponi frekvencija koje je obično uočljivo od strane ljudskog uha kreću se od 64 Hz do 23 kHz, premda ljudi starenjem gube sposobnost čuvanja viših frekvencija. Suprotno tome, psi mogu čuti sve do oko 45 kHz (zbog čega reagiraju na pseće zvižduke koji su nečujni za ljude), mačke mogu čuti do 64 kHz, a pliskavice čuju sve do 150 kHz!
"U svemiru vas nitko ne može čuti vrisak"
Nesumnjivo ste naišli na ovaj citat iz filma iz 1979. godineStranac, i istina je: zvuk ne putuje u vakuumu. To je zato što mu treba medij. Između izvora zvuka i vas mora biti nešto materijala kako bi se zvuk širio.
Dakle, sve one svemirske borbene scene koje vidite u filmovima s glasnim eksplozijama? Potpuno lažno! Ne bi bilo zvuka jer nema medija kroz koji bi mogao putovati.
Intenzitet zvuka i zvučna energija
Intenzitet zvuka,Ja, je snaga zvuka po jedinici površine. SI jedinica za intenzitet zvuka je vati / m2 gdjeJa0 = 10-12 Š / m2 smatra se pragom ljudskog sluha. U razgovoru, intenzitet zvuka je ono što smatramo "glasnoćom" zvuka.
Uobičajeni način prikazivanja opažene glasnoće zvuka je pomoću skale decibela (dB), gdje je intenzitet zvuka u decibelima:
Ova je skala korisna jer ljudi ne percipiraju glasnoću linearno. Odnosno, zvuk dvostruke jačine može se činiti više nego dvostruko glasnijim kad je počeo tiho, a manje nego dvostruko glasniji ako je već počeo nešto glasnije. Ljestvica decibela daje brojeve koji su u skladu s našim shvaćanjima.
Zvuk laganog disanja brzinom je oko 10 dB, dok je razgovor u restoranu oko 60 dB. Prelet mlaza na 1.000 ft iznosi oko 100 dB. Granična bolna grmljavina iznosi 120 dB, a bubanj vam pukne na 150 dB.
Energija u zvučnom valu je izravno povezana s intenzitetom. Jedinice intenziteta, W / m2, jednaki su J / (sm2) ili energije u džulima u sekundi po kvadratnom metru.
Glazbeni instrumenti
Sjetimo se da je brzina zvuka ovisila samo o mediju, a ne i o frekvenciji vala. To je dobra stvar, jer bi u suprotnom slušanje koncerta bilo užasno iskustvo, a različite glazbene note dopirale bi vas van reda.
Različite frekvencije zvuka odgovaraju različitim tonovima ili glazbenim notama. Kad pjevač pjeva, proizvode različite frekvencije mijenjajući veličinu i oblik grkljana. Glazbeni instrumenti dizajnirani su za stvaranje zvuka čistih tonova, obično stvaranjem stojećih valova, bilo u cijevi ili cijevi, bilo duž žice.
Razmislite o žičanom instrumentu kao što je gitara. Učestalost vibracije iščupane žice ovisi o gustoći mase (kolika je masa po jedinici duljine), napetosti u žici (koliko je čvrsto zategnuta) i njezinoj duljini. Ako pogledate gitaru, vidjet ćete da svaka žica ima različitu debljinu. Gumbi za podešavanje na kraju ručke omogućuju vam podešavanje napetosti žica, a prasci vam daju mjesta za stavljanje prstiju kako biste promijenili duljinu žica dok svirate, što vam omogućuje stvaranje mnogo različitih bilješke.
Za razliku od toga, drveni vjetrovi sastoje se od šupljih cijevi u kojima se u zračnim stupovima mogu stvoriti stojeći valovi (baš kao u vašem grkljanu). Različite tonske rupe na takvom instrumentu omogućuju vam promjenu vrsta stojećih valova koji se mogu stvoriti, a time i note koje se mogu svirati.
Za instrument kao što je trombon, također možete prilagoditi duljinu cijevi pomicanjem klizača naprijed-natrag, omogućavajući različite frekvencije stojećih valova, a time i različite note.
Udarni instrumenti, poput bubnjeva, oslanjaju se na vibracije membrane (poput glave bubnja). Slično poput čupanja žica gitare, kada udarate glavom bubnja na različita mjesta, na membrani se stvaraju stojeći valovi koji stvaraju zvuk. Frekvencija i kvaliteta zvuka ovise o veličini membrane, njenoj debljini i napetosti.