Zvučni val je valni proces koji se događa u plinovitim, tekućim i čvrstim medijima, koji, kada dospije do ljudskih organa sluha, oni percipiraju kao zvuk. Frekvencija ovih valova je u rasponu od 20 do 20 000 oscilacija u sekundi. Dajemo formule za zvučni val i detaljnije razmatramo njegova svojstva.
Zašto postoji zvučni val?
Mnogi se ljudi pitaju što je to zvučni val. Priroda zvuka leži u pojavi perturbacije u elastičnom mediju. Na primjer, kada se u određenom volumenu zraka pojavi poremećaj tlaka u obliku kompresije, ovo područje ima tendenciju širenja u prostoru. Ovaj proces dovodi do kompresije zraka u područjima uz izvor, koji također imaju tendenciju širenja. Ovaj proces pokriva sve više i više prostora dok ne dođe do nekog prijemnika, na primjer, do ljudskog uha.
Opće karakteristike zvučnih valova
Razmotrimo što je zvučni val i kako ga percipira ljudsko uho. Zvučni valje uzdužna, ona, kada uđe u ušnu školjku, uzrokuje vibracije bubnjića određenom frekvencijom i amplitudom. Ove fluktuacije također možete predstaviti kao periodične promjene tlaka u mikrovolumu zraka uz membranu. Prvo se povećava u odnosu na normalni atmosferski tlak, a zatim se smanjuje, poštujući matematičke zakone harmonijskog gibanja. Amplituda promjene kompresije zraka, odnosno razlika između maksimalnog ili minimalnog tlaka koji stvara zvučni val, s atmosferskim tlakom proporcionalna je amplitudi samog zvučnog vala.
Mnogi fizički eksperimenti su pokazali da je maksimalni pritisak koji ljudsko uho može percipirati bez oštećenja iznosi 2800 µN/cm2. Za usporedbu, recimo da je atmosferski tlak blizu zemljine površine 10 milijuna µN/cm2. S obzirom na proporcionalnost tlaka i amplitude titranja, možemo reći da je potonja vrijednost beznačajna čak i za najjače valove. Ako govorimo o duljini zvučnog vala, tada će za frekvenciju od 1000 vibracija u sekundi to biti tisućiti dio centimetra.
Najslabiji zvukovi stvaraju fluktuacije tlaka reda 0,001µN/cm2, odgovarajuća amplituda valnih oscilacija za frekvenciju od 1000 Hz je 10- 9cm, dok je prosječni promjer molekula zraka 10-8 cm, odnosno ljudsko uho je izuzetno osjetljiv organ.
Koncept intenziteta zvučnih valova
S geometrijskimSa stajališta zvučnog vala, to je vibracija određenog oblika, s fizičke točke gledišta, glavno svojstvo zvučnih valova je njihova sposobnost prijenosa energije. Najvažniji primjer prijenosa energije valova je sunce, čiji zračeni elektromagnetski valovi osiguravaju energiju cijelom našem planetu.
Intenzitet zvučnog vala u fizici je definiran kao količina energije koju val nosi kroz jediničnu površinu, koja je okomita na širenje vala, i po jedinici vremena. Ukratko, intenzitet vala je njegova snaga prenesena kroz jediničnu površinu.
Jačina zvučnih valova obično se mjeri u decibelima, koji se temelje na logaritamskoj skali, pogodnoj za praktičnu analizu rezultata.
Intenzitet različitih zvukova
Sljedeća decibelska skala daje ideju o značenju različitih intenziteta zvuka i osjeta koje uzrokuje:
- prag za neugodne i neugodne osjete počinje od 120 decibela (dB);
- čekić za zakivanje stvara buku od 95 dB;
- brzi vlak - 90 dB;
- prometna ulica - 70 dB;
- glasnoća normalnog razgovora među ljudima je 65 dB;
- Moderni automobil koji se kreće umjerenim brzinama stvara buku od 50 dB;
- prosječna glasnoća radija - 40 dB;
- tihi razgovor - 20 dB;
- šum lišća drveća - 10 dB;
- Minimalni prag ljudske zvučne osjetljivosti blizu je 0 dB.
Osjetljivost ljudskog uha ovisi ofrekvencija zvuka i najveća je vrijednost za zvučne valove frekvencije 2000-3000 Hz. Za zvuk u ovom frekvencijskom rasponu, donji prag ljudske osjetljivosti je 10-5 dB. Više i niže frekvencije od navedenog intervala dovode do povećanja donjeg praga osjetljivosti na način da osoba čuje frekvencije blizu 20 Hz i 20 000 Hz samo pri njihovom intenzitetu od nekoliko desetaka dB.
Što se tiče gornjeg praga intenziteta, nakon kojeg zvuk počinje stvarati neugodnosti za osobu, pa čak i bol, treba reći da praktički ne ovisi o frekvenciji i leži u rasponu od 110-130 dB.
Geometrijske karakteristike zvučnog vala
Pravi zvučni val je složen oscilatorni paket uzdužnih valova, koji se može razložiti na jednostavne harmonijske vibracije. Svaka takva oscilacija je opisana s geometrijske točke gledišta sljedećim karakteristikama:
- Amplituda - maksimalno odstupanje svakog dijela vala od ravnoteže. Za ovu vrijednost, oznaka A.
- Razdoblje. Ovo je vrijeme potrebno jednostavnom valu da dovrši svoju potpunu oscilaciju. Nakon tog vremena, svaka točka vala počinje ponavljati svoj oscilatorni proces. Razdoblje se obično označava slovom T i mjeri u sekundama u SI sustavu.
- Učestalost. Ovo je fizička veličina koja pokazuje koliko oscilacija pravi val u sekundi. To jest, po svom značenju, to je vrijednost inverzna razdoblju. Označava se latiničnim slovom f. Za frekvenciju zvučnog vala, formula za njegovo određivanje kroz period je sljedeća: f=1/T.
- Duljina vala je udaljenost koju prijeđe u jednom periodu titranja. Geometrijski gledano, valna duljina je udaljenost između dva najbliža maksimuma ili dva najbliža minimuma na sinusnoj krivulji. Duljina titranja zvučnog vala je udaljenost između najbližih područja kompresije zraka ili najbližih mjesta njegovog razrjeđivanja u prostoru u kojem se val kreće. Obično se označava grčkim slovom λ.
- Brzina širenja zvučnog vala je udaljenost na kojoj se širi područje kompresije ili područje razrjeđivanja vala u jedinici vremena. Ova vrijednost je označena slovom v. Za brzinu zvučnog vala, formula je: v=λf.
Geometrija čistog zvučnog vala, to jest vala stalne čistoće, poštuje sinusni zakon. U općem slučaju, formula zvučnog vala je: y=Asin(ωt), gdje je y vrijednost koordinate dane točke vala, t je vrijeme, ω=2pif je frekvencija cikličke oscilacije.
Aperiodični zvuk
Mnogi izvori zvuka mogu se smatrati periodičnim, na primjer, zvuk iz glazbenih instrumenata poput gitare, klavira, flaute, ali u prirodi postoji i veliki broj zvukova koji su aperiodični, odnosno mijenjaju se zvučne vibracije njihovu frekvenciju i oblik u prostoru. Tehnički, ova vrsta zvuka se naziva buka. svijetaoprimjeri aperiodskog zvuka su urbana buka, šum mora, zvuci udaraljki, kao što je bubanj, i drugi.
Mediji za širenje zvuka
Za razliku od elektromagnetskog zračenja, čiji fotoni ne trebaju nikakav materijalni medij za svoje širenje, priroda zvuka je takva da je za njegovo širenje potreban određeni medij, odnosno prema zakonima fizike zvučni valovi ne mogu širiti u vakuumu.
Zvuk može putovati kroz plinove, tekućine i krute tvari. Glavne karakteristike zvučnog vala koji se širi u mediju su sljedeće:
- val se širi linearno;
- ravnomjerno se širi u svim smjerovima u homogenom mediju, odnosno zvuk se odvaja od izvora, formirajući savršenu sfernu površinu.
- bez obzira na amplitudu i frekvenciju zvuka, njegovi valovi se šire istom brzinom u danom mediju.
Brzina zvučnih valova u raznim medijima
Brzina širenja zvuka ovisi o dva glavna čimbenika: mediju u kojem se val kreće i temperaturi. Općenito, vrijedi sljedeće pravilo: što je medij gušći i što je njegova temperatura viša, to se zvuk u njemu brže kreće.
Na primjer, brzina širenja zvučnog vala u zraku blizu zemljine površine pri temperaturi od 20 ℃ i vlažnosti od 50% je 1235 km/h ili 343 m/s. U vodi na danoj temperaturi zvuk tada putuje 4,5 puta bržeima oko 5735 km/h ili 1600 m/s. Što se tiče ovisnosti brzine zvuka o temperaturi u zraku, ona se povećava za 0,6 m/s s porastom temperature za svaki stupanj Celzija.
Timbar i ton
Ako je žica ili metalna ploča dopuštena da slobodno vibriraju, proizvodit će zvukove različitih frekvencija. Vrlo je rijetko pronaći tijelo koje bi emitiralo zvuk jedne određene frekvencije, obično zvuk objekta ima skup frekvencija u određenom intervalu.
Timbar zvuka određen je brojem prisutnih harmonika u njemu i njihovim odgovarajućim intenzitetima. Timbar je subjektivna vrijednost, odnosno percepcija zvučnog objekta od strane određene osobe. Timbar se obično karakterizira sljedećim pridjevima: visok, briljantan, zvučan, melodičan i tako dalje.
Ton je zvučni osjećaj koji omogućuje da se klasificira kao visok ili nizak. Ova vrijednost je također subjektivna i ne može se mjeriti nikakvim instrumentom. Ton je povezan s objektivnom veličinom – frekvencijom zvučnog vala, ali između njih nema jednoznačne veze. Na primjer, za jednofrekventni zvuk konstantnog intenziteta, ton raste kako se frekvencija povećava. Ako frekvencija zvuka ostane konstantna, ali se njegov intenzitet povećava, tada ton postaje niži.
Oblik izvora zvuka
Prema obliku tijela koje mehanički vibrira i time stvara zvuk, postoje tri glavne vrste izvora zvučnih valova:
- Izvor točke. Proizvodi zvučne valove koji su sfernog oblika i brzo opadaju s udaljenosti od izvora (približno 6dB ako se udaljenost od izvora udvostruči).
- Izvor linije. Stvara cilindrične valove čiji se intenzitet smanjuje sporije nego iz točkastog izvora (za svako udvostručenje udaljenosti od izvora, intenzitet se smanjuje za 3 dB).
- Ravan ili dvodimenzionalni izvor. Stvara valove samo u određenom smjeru. Primjer takvog izvora bio bi klip koji se kreće u cilindru.
Elektronski izvori zvuka
Za stvaranje zvučnog vala, elektronski izvori koriste posebnu membranu (zvučnik), koja izvodi mehaničke vibracije zbog fenomena elektromagnetske indukcije. Ovi izvori uključuju sljedeće:
- playeri za razne diskove (CD, DVD i drugi);
- kasetofoni;
- radio;
- TV i neki drugi.
