Звук: Дефиниција, врсте, карактеристике и фреквенције

Звук је свуда око нас. Свој осећај за звук користимо за навигацију кроз околину, за комуникацију и уживање у музици. Али шта је звук? Како је направљен и како се преноси са једне локације на другу?

Звук је врста механичког таласа или осцилација материје. Талас је поремећај који у медијуму путује са једне локације на другу. Овде је кључно да тачке у медијуму осцилирају на месту док сам поремећај путује.

На пример, узмимо у обзир талас који гужва ради на утакмици са лоптом. Вентилатори на својим седиштима служе као таласни медијум. Појединачно се устану, подигну руке, а затим седну уназад - осцилирају у месту. Поремећај, међутим, путује читавим стадионом.

Осцилације у медијуму имају тенденцију да се појаве у једној од две варијанте: Попречни таласи осцилирају под правим углом у правцу путовања (као код публике на стадиону или таласа на жици) и уздужни таласи осцилирају паралелно са правцем путовати.

Звучни таласи су уздужни таласи. Када се звучни талас шири кроз медијум, као што је ваздух, то чини тако што узрокује вибрације молекула ваздуха, што узрокује промене у ваздушни притисак, што резултира компресијама (подручја високог притиска) и разређењима (подручја ниског притиска) у ваздуху као талас путује.

Замислите опругу играчке попут Слинкија испруженог преко стола са једном особом која држи оба краја. Ако једна особа повуче Слинки према себи, то ће послати уздужни талас низ Слинки. Видећете регионе Слинки завојница који су ближе размакнути (компресије) и растреситије (реткости). Свака дата тачка у Слинкију осцилира напред-назад у месту док се сметња помера с једног краја на други.

Опет, управо се то дешава са звучним таласима у ваздуху или било ком другом медијуму.

Као и код било ког другог таласа, звучни таласи настају почетним сметњама или вибрацијама. Ударна виљушка, на пример, вибрира на одређеној фреквенцији. Док се креће, налети на молекуле ваздуха око себе, повремено их сабијајући.

Компримовани предели преносе ову енергију и на суседне молекуле ваздуха и поремећај се креће ваздухом док не достигне ухо, у том тренутку преноси енергију на бубну опну која ће вибрирати истом фреквенцијом - а ваш мозак ће то протумачити као звук.

Када говорите, вибрирате гркљан (мала шупља цев на врху душника), који заузврат вибрира ваздух око себе, а затим шири звучну енергију до слушаоца. Уговарањем и ширењем ткива у ларинксу, као и манипулисањем артикулаторима у устима (усне, језик и друге структуре уста), можете створити различите звукове.

Сви објекти могу бити извори звука који стварају звук на исти начин - вибрирајући и преносећи те вибрације на суседни медијум, као што је ваздух.

На сувом ваздуху звук путује брзином од

гдеТ._цје температура у Целзијусу. Стандардног дана од 20 степени Целзијуса (68 степени Фахренхеита), звук путује око 343,4 м / с. То је око 768 миља на сат!

Брзина звука је различита у различитим медијима. На пример, брзина којом звучни талас путује у води може бити већа од 1.437 м / с; у дрвету је 3.850 м / с; а у алуминијуму преко 6.320 м / с!

Опште правило је да звук брже путује у материјалима где су молекули ближе један другом. Најбрже путује у чврстим телима, друго најбрже у течности и најспорије у гасовима.

Можете извести једноставан експеримент за мерење брзине звука. Да бисте то урадили, требат ће вам извор који емитује звук (што би могла бити виљушка, ручна пљеска или ваш властити глас) и рефлектујући испливати на познато растојање од извора (као што је чврст зид литице неколико метара испред вас или затворени крај једноставног цев).

Под условом да имате опрему (и / или рефлексе довољно брзо) која може мерити временски интервал између тренутка када се емитује звук и када врати се на изворну локацију путем одјека рефлектујуће површине, имаћете довољно информација да бисте утврдили брзина.

Једноставно узмите двоструку удаљеност од извора до рефлектујуће површине (пошто звук путује од извор на површину, а затим поново назад) и поделите га временом између емисије звука и одјек.

Као пример, претпоставимо да викнете у кањон дубок 200 м и примите ехо за 1,14 секунде. Брзина звука била би 2 × 200 / 1,14 = 351 м / с.

Можда вам је познат феномен одређених авиона који пробијају звучну баријеру. То значи да летелица лети брже од брзине звука. У тренутку када премаши ову брзину, ствара звучни бум.

Авион који путује уМацх 1путује брзином звука. Мах 2 је двострука брзина звука и тако даље. Најбржа летелица на свету била је северноамеричка Кс-15, која је 3. октобра 1967. достигла брзину од 6,7 Маха.

На копну је брзину звука 15. октобра 1997. прекинуо Анди Греен који је прешао 763.035 миља на сат у млазном аутомобилу ТхрустССЦ у пустињи Блацк Роцк у Невади.

Фреквенција таласа је број осцилација које се јављају у датој тачки у медијуму у секунди. Мери се у јединицама херца (Хз) где је 1 Хз = 1 / с. Таласна дужина звучног таласа је растојање између два узастопна подручја максималне компресије. Типично се мери у јединицама метара (м).

Брзина звучног таласа,в,је директно повезан са фреквенцијомфталасна дужина ламбда преков = λф​.

Брзина звука у одређеном медијуму не зависи од фреквенције или таласне дужине, већ је константа тог одређеног медија. Фреквенција звучног таласа увек ће се подударати са фреквенцијом извора звука, тако да не зависи од медија или брзине таласа.

Дакле, у два различита медија фреквенције ће бити исте, док ће брзине бити специфичне за медијуме, а таласне дужине ће се у складу с тим мењати. (Висока фреквенција одговара малим таласним дужинама и обрнуто.)

Распони фреквенција које је обично уочљиво од људског уха крећу се од 64 Хз до 23 кХз, мада људи старењем губе способност да чују више фреквенције. Супротно томе, пси могу чути све до око 45 кХз (због чега реагују на звиждуке паса који су нечујни за људе), мачке могу да чују до 64 кХз, а плискавице све до 150 кХз!

Несумњиво сте наишли на овај цитат из филма из 1979. годинеАлиен, и тачно је: звук не путује у вакууму. То је зато што му је потребан медијум. Између извора звука и вас мора да постоји неки материјал да би се звук ширио.

Дакле, све оне свемирске борбене сцене које видите у филмовима са гласним експлозијама? Потпуно лажно! Не би било звука јер нема медија кроз који би могао путовати.

Интензитет звука,Ја, је снага звука по јединици површине. СИ јединица за интензитет звука је вати / м² гдеЈа₀​ = 10^-12 В / м² сматра се прагом људског слуха. У колоквијалном смислу, интензитет звука је оно што сматрамо „гласноћом“ звука.

Уобичајени начин представљања опажене јачине звука је коришћење скале децибела (дБ), где је интензитет звука у децибелима:

Ова скала је корисна јер људи не перципирају гласноћу линеарно. Односно, звук двоструког интензитета може изгледати више него двоструко гласнији када је почео тихо и мање од двоструко гласнији ако је већ почео нешто гласније. Скала децибела пружа бројеве који су у складу са нашим перцепцијама.

Звук лаганог дисања креће се око 10 дБ, док је разговор у ресторану око 60 дБ. Прелет млаза на 1.000 фт је око 100 дБ. Гранична болна грмљавина је 120 дБ, а бубњеви вам пуцају на 150 дБ.

Енергија у звучном таласу директно је повезана са интензитетом. Јединице интензитета, В / м², су исти као Ј / (см²) или енергије у џулима по секунди по квадратном метру.

Подсетимо се да је брзина звука зависила само од медија, а не од фреквенције таласа. То је добра ствар, јер би у супротном слушање концерта било ужасно искуство, а различите музичке ноте допирале би вас ван реда.

Различите фреквенције звука одговарају различитим висинама тона или музичким нотама. Када певач пева, производе различите фреквенције променом величине и облика гркљана. Музички инструменти су дизајнирани да створе звук чистих тонова, обично стварањем таласа који стоје, било у цеви или цеви или дуж жице.

Размотрите жичани инструмент као што је гитара. Учесталост вибрације ишчупане жице зависи од њене густине масе (колика је маса по јединици дужине), напетости у жици (колико је чврсто затегнута) и њене дужине. Ако погледате гитару, видећете да свака жица има различиту дебљину. Ручице за подешавање на крају дршке омогућавају вам да подесите напетост жице, а пречке вам дају места за стављање прстију како бисте мењали дужину жица док свирате, омогућавајући вам да креирате много различитих белешке.

За разлику од њих, дрвени дуваци се састоје од шупљих цеви где се у ваздушним ступовима могу створити стојећи таласи (баш као у вашем гркљану). Различите рупе за тон на таквом инструменту омогућавају вам да промените врсте стојећих таласа који се могу формирати, а тиме и ноте које се могу свирати.

За инструмент као што је тромбон, такође можете подесити дужину цеви померајући клизач напред-назад, омогућавајући различите фреквенције стојећих таласа, а тиме и различите ноте.

Ударни инструменти, попут бубњева, ослањају се на вибрације мембране (као што је глава бубња). Слично попут чупања жица гитаре, када ударате главом бубња на различите локације, на мембрани се стварају стојећи таласи који стварају звук. Фреквенција и квалитет звука зависе од величине мембране, њене дебљине и напетости.