Zvuk je všade okolo nás. Náš zmysel pre zvuk používame na navigáciu v našom prostredí, na komunikáciu a na počúvanie hudby. Čo je to však zvuk? Ako sa vyrába a ako sa prenáša z jedného miesta na druhé?
Čo sú zvukové vlny?
Zvuk je druh mechanickej vlny alebo kmitania hmoty. Vlna je porucha, ktorá sa v médiu šíri z jedného miesta na druhé. Kľúčom je, že body v médiu kmitajú na mieste, zatiaľ čo samotné rušenie postupuje.
Zvážte napríklad vlnu davu pri loptovej hre. Ventilátory na ich sedadlách slúžia ako vlnové médium. Jednotlivo sa postavia, zdvihnú ruky a potom sa posadia späť - kmitajú na danom mieste. Narušenie však prechádza okolo štadióna.
Oscilácie v médiu majú zvyčajne jednu z dvoch odrôd: Priečne vlny kmitajú v pravom uhle k smeru cestovanie (ako s publikom na štadióne alebo vlna na šnúrke) a pozdĺžne vlny kmitajú rovnobežne so smerom cestovanie.
Zvukové vlny sú pozdĺžne vlny. Keď sa zvuková vlna šíri cez médium, napríklad vzduch, robí to tak, že spôsobuje vibrácie molekúl vzduchu, čo spôsobuje zmeny v tlak vzduchu, ktorého výsledkom sú tlaky (oblasti vysokého tlaku) a zriedkavé poruchy (oblasti nízkeho tlaku) vo vzduchu ako vlna cestuje.
Pomysli na pružinu hračky ako Slinky natiahnuté cez stôl s jednou osobou, ktorá drží oba konce. Ak jedna osoba vytrhne Slinky smerom k sebe, pošle to pozdĺžnu vlnu dole po Slinkách. Uvidíte oblasti Slinkyho cievok, ktoré sú bližšie (kompresie) a voľnejšie (zriedka). Akýkoľvek daný bod v Slinkách osciluje tam a späť na mieste, keď sa porucha pohybuje z jedného konca na druhý.
Opäť platí, že to je presne to, čo sa stane so zvukovými vlnami vo vzduchu alebo na akomkoľvek inom médiu.
Ako sa vytvárajú zvukové vlny?
Rovnako ako pri každej inej vlne, aj zvukové vlny sú vytvárané počiatočným rušením alebo vibráciami. Napríklad úderová vidlica vibruje na konkrétnej frekvencii. Pri pohybe naráža na molekuly vzduchu okolo seba a pravidelne ich stláča.
Stlačené oblasti prenášajú túto energiu aj na svoje susedné molekuly vzduchu a porucha sa pohybuje vzduchom, kým nedosiahne vaše ucho, v tom okamihu prenáša energiu do vášho bubienka, ktorý bude vibrovať na rovnakej frekvencii - a váš mozog to bude interpretovať ako zvuk.
Keď hovoríte, rozvibrujete hrtan (malá dutá trubica v hornej časti priedušnice), ktorá následne rozvibruje vzduch okolo a potom šíri zvukovú energiu k poslucháčovi. Zmršťovaním a rozširovaním tkaniva v hrtane, ako aj manipuláciou s artikulátormi v ústach (vaše pery, jazyk a ďalšie štruktúry úst), môžete vytvárať rôzne zvuky.
Všetky objekty môžu byť zdrojmi zvuku, ktoré vytvárajú zvuk rovnakým spôsobom - vibrovaním a prenosom týchto vibrácií do susedného média, napríklad do vzduchu.
Rýchlosť zvuku
Na suchom vzduchu sa zvuk šíri rýchlosťou
v = 331,4 + 0,6 T_c
kdeTcje teplota v stupňoch Celzia. V štandardný deň s teplotou 20 stupňov Celzia sa zvuk šíri rýchlosťou asi 343,4 m / s. To je asi 768 míľ za hodinu!
Rýchlosť zvuku je v rôznych médiách iná. Napríklad rýchlosť, akou sa zvuková vlna pohybuje vo vode, môže byť vyššia ako 1 437 m / s; v dreve je to 3 850 m / s; a v hliníku, viac ako 6 320 m / s!
Všeobecne platí, že zvuk sa šíri rýchlejšie v materiáloch, kde sú molekuly bližšie pri sebe. Najrýchlejšie cestuje v tuhých látkach, druhý najrýchlejšie v tekutinách a najpomalšie v plynoch.
Experiment: Meranie rýchlosti zvuku
Môžete vykonať jednoduchý experiment a zmerať rýchlosť zvuku. Potrebujete na to zdroj zvuku (ktorý môže byť ladička, tlesknutie rukou alebo vlastný hlas) a odrazný zdroj povrch známy vzdialenosť od zdroja (napríklad pevná skalná stena niekoľko metrov pred vami alebo uzavretý koniec jednoduchého trubica).
Za predpokladu, že máte zariadenie (a / alebo reflexy dostatočne rýchle), ktoré dokáže merať časový interval medzi vydaním zvuku a vráti sa do zdrojového umiestnenia prostredníctvom odrazu od odrážajúcej plochy, budete mať dostatok informácií na určenie rýchlosť.
Jednoducho urobte dvojnásobnú vzdialenosť od zdroja po odrazný povrch (pretože zvuk sa šíri od bodu zdroj na povrch a potom späť) a vydelte ho časom medzi emisiou zvuku a ozvena.
Napríklad predpokladajme, že zakričíte do 200 m hlbokého kaňonu a za 1,14 sekundy dostanete ozvenu. Rýchlosť zvuku by bola 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Prekračuje rýchlosť zvuku
Možno poznáte jav, keď určité lietadlo porušuje zvukovú bariéru. To znamená, že lietadlo letí rýchlejšie ako rýchlosť zvuku. V okamihu, keď prekročí túto rýchlosť, vytvorí zvukový boom.
Lietadlo cestujúce priMach 1cestuje rýchlosťou zvuku. Mach 2 je dvojnásobná rýchlosť zvuku a tak ďalej. Najrýchlejším lietadlom na svete bol severoamerický X-15, ktorý 3. októbra 1967 dosiahol rýchlosť 6,7 Mach.
Na pevnine rýchlosť zvuku prelomil 15. októbra 1997 Andy Green, ktorý v tryskovom automobile ThrustSSC v púšti Black Rock v Nevade prešiel rýchlosťou 763 035 míľ za hodinu.
Frekvencia a vlnová dĺžka
Frekvencia vlny je počet oscilácií, ktoré sa vyskytujú v danom bode média za sekundu. Meria sa v jednotkách hertzu (Hz), kde 1 Hz = 1 / s. Vlnová dĺžka zvukovej vlny je vzdialenosť medzi dvoma po sebe nasledujúcimi oblasťami maximálnej kompresie. Spravidla sa meria v jednotkách metrov (m).
Rýchlosť zvukovej vlny,v,priamo súvisí s frekvencioufvlnová dĺžka lambda cezv = λf.
Rýchlosť zvuku v konkrétnom médiu nezávisí od frekvencie alebo vlnovej dĺžky, ale je konštantou daného média. Frekvencia zvukovej vlny sa bude vždy zhodovať s frekvenciou zdroja zvuku, takže nezávisí od média ani od rýchlosti vlny.
Preto budú v dvoch rôznych médiách frekvencie rovnaké, zatiaľ čo rýchlosti budú špecifické pre jednotlivé médiá a vlnové dĺžky sa budú líšiť podľa toho. (Vysoká frekvencia zodpovedá malým vlnovým dĺžkam a naopak.)
Frekvenčné rozsahy, ktoré sú zvyčajne zistiteľné ľudským uchom, sa pohybujú od 64 Hz do 23 kHz, aj keď ľudia majú tendenciu strácať schopnosť počuť vyššie frekvencie, keď starnú. Naproti tomu psy môžu počuť až do asi 45 kHz (a preto reagujú na píšťalky pre psov) ktoré sú pre ľudí nepočuteľné), mačky počujú až do 64 kHz a sviňuchy až do 150 kHz!
"Vo vesmíre ťa nikto nemôže počuť kričať"
Nepochybne ste narazili na tento citát z filmu z roku 1979Votrelec, a je pravda: zvuk necestuje vo vákuu. Je to preto, lebo potrebuje médium. Aby sa zvuk mohol šíriť, musí byť medzi zdrojom zvuku a vami nejaký materiál.
Takže všetky tie scény vesmírnych bitiek, ktoré vidíte vo filmoch s hlasnými výbuchmi? Úplne falošné! Nebol by počuť žiadny zvuk, pretože neexistuje žiadne médium, cez ktoré by mohol cestovať.
Intenzita zvuku a zvuková energia
Intenzita zvuku,Ja, je akustický výkon na jednotku plochy. Jednotka SI pre intenzitu zvuku je watts / m2 kdeJa0 = 10-12 W / m2 sa považuje za hranicu pre ľudský sluch. Hovorovo sa hovorí, že intenzita zvuku je to, čo považujeme za „hlasitosť“ zvuku.
Bežným spôsobom prezentácie vnímanej hlasitosti zvuku je použitie stupnice decibelov (dB), kde je intenzita zvuku v decibeloch:
Táto stupnica je užitočná, pretože ľudia nevnímajú hlasitosť lineárne. To znamená, že zvuk s dvojnásobnou intenzitou sa môže javiť ako viac ako dvakrát tak hlasný, keď začal ticho, a menej ako dvakrát tak hlasný, ak už začínal trochu nahlas. Decibelová škála poskytuje čísla, ktoré viac zodpovedajú nášmu vnímaniu.
Zvuk zľahka dýcha okolo 10 dB, zatiaľ čo konverzácia v reštaurácii je okolo 60 dB. Prelet nad tryskou vo výške 1000 ft je asi 100 dB. Hraničná bolestivá klepotavka je 120 dB a vaše ušné bubny prasknú pri 150 dB.
Energia vo zvukovej vlne priamo súvisí s intenzitou. Jednotky intenzity, W / m2, sú rovnaké ako J / (sm2) alebo energia v jouloch za sekundu na meter štvorcový.
Hudobné nástroje
Pripomeňme, že rýchlosť zvuku závisela iba od média, a nie od frekvencie vlny. To je dobrá vec, pretože inak by bol počúvanie koncertu strašným zážitkom, keď by vás rôzne hudobné noty dostali mimo poriadku.
Rôzne frekvencie zvuku zodpovedajú rôznym výškam alebo notám. Keď spevák spieva, produkujú rôzne frekvencie zmenou veľkosti a tvaru hrtana. Hudobné nástroje sú navrhnuté tak, aby vytvárali zvuk čistých tónov typicky vytváraním stojatých vĺn, či už v trubici alebo trubici alebo pozdĺž struny.
Zvážte strunový nástroj, napríklad gitaru. Frekvencia vibrovania strunovej struny závisí od jej hmotnostnej hustoty (koľko hmoty na jednotku dĺžky), napätia v reťazci (ako pevne sa drží) a jej dĺžky. Ak sa pozriete na gitaru, uvidíte, že každá struna má inú hrúbku. Ladiace gombíky na konci rukoväte vám umožňujú nastaviť napätie strún a pražce vám dajú miesta, kde môžete vložiť prsty, aby ste pri hraní zmenili dĺžku strún, čo vám umožní vytvárať veľa rôznych poznámky.
Drevené dychy sa naopak skladajú z dutých rúrok, kde môžu byť v stĺpcoch vzduchu vytvárané stojace vlny (rovnako ako vo vašom hrtane). Rôzne tónové otvory na takomto nástroji vám umožňujú meniť typy stojatých vĺn, ktoré sa môžu vytvárať, a teda meniť noty, ktoré je možné hrať.
U nástroja ako trombón môžete tiež upraviť dĺžku elektrónky posunutím posúvača tam a späť, čo umožňuje stojace vlny s odlišnou frekvenciou, a tým aj hranie rôznych tónov.
Perkusívne nástroje, ako napríklad bubny, sa spoliehajú na vibrácie membrány (napríklad hlavy bubna). Rovnako ako trhanie strún gitary, keď narazíte na hlavu bubna na rôznych miestach, vytvárajú sa na membráne stojace vlny, ktoré vytvárajú zvuk. Frekvencia a kvalita zvuku závisí od veľkosti membrány, jej hrúbky a napätia.