Zvuková vlna je vlnový proces vyskytujúci sa v plynných, kvapalných a pevných médiách, ktoré keď sa dostanú do ľudských sluchových orgánov, vnímajú ich ako zvuk. Frekvencia týchto vĺn leží v rozsahu od 20 do 20 000 kmitov za sekundu. Poskytujeme vzorce pre zvukovú vlnu a podrobnejšie zvažujeme jej vlastnosti.
Prečo vzniká zvuková vlna?
Mnoho ľudí sa pýta, čo je to zvuková vlna. Povaha zvuku spočíva vo výskyte porúch v elastickom prostredí. Napríklad, keď v určitom objeme vzduchu dôjde k poruche tlaku vo forme kompresie, táto oblasť má tendenciu sa šíriť v priestore. Tento proces vedie k stlačeniu vzduchu v oblastiach susediacich so zdrojom, ktoré majú tiež tendenciu expandovať. Tento proces pokrýva stále väčšiu časť priestoru, kým nedosiahne nejaký prijímač, napríklad ľudské ucho.
Všeobecné charakteristiky zvukových vĺn
Pozrime sa, čo je to zvuková vlna a ako ju vníma ľudské ucho. Zvuková vlnaje pozdĺžny, keď vstúpi do ušnej mušle, spôsobuje vibrácie bubienka s určitou frekvenciou a amplitúdou. Tieto výkyvy môžete tiež znázorniť ako periodické zmeny tlaku v mikroobjeme vzduchu susediaceho s membránou. Najprv sa zvyšuje v porovnaní s normálnym atmosférickým tlakom a potom klesá, pričom sa riadi matematickými zákonmi harmonického pohybu. Amplitúda zmien v kompresii vzduchu, to znamená rozdiel medzi maximálnym alebo minimálnym tlakom vytvoreným zvukovou vlnou, s atmosférickým tlakom je úmerná amplitúde samotnej zvukovej vlny.
Mnohé fyzikálne experimenty ukázali, že maximálny tlak, ktorý ľudské ucho dokáže vnímať bez toho, aby mu ublížilo, je 2800 µN/cm2. Pre porovnanie povedzme, že atmosférický tlak v blízkosti zemského povrchu je 10 miliónov µN/cm2. Ak vezmeme do úvahy úmernosť tlaku a amplitúdy kmitov, môžeme povedať, že táto hodnota je nevýznamná aj pre najsilnejšie vlny. Ak hovoríme o dĺžke zvukovej vlny, potom pri frekvencii 1000 vibrácií za sekundu to bude tisícina centimetra.
Najslabšie zvuky vytvárajú kolísanie tlaku rádovo 0,001µN/cm2, zodpovedajúca amplitúda oscilácie vlny pre frekvenciu 1000 Hz je 10- 9cm, pričom priemerný priemer molekúl vzduchu je 10-8 cm, to znamená, že ľudské ucho je mimoriadne citlivý orgán.
Koncept intenzity zvukových vĺn
S geometrickýmZ hľadiska zvukovej vlny ide o vibráciu určitej formy, z fyzikálneho hľadiska je hlavnou vlastnosťou zvukových vĺn ich schopnosť prenášať energiu. Najdôležitejším príkladom prenosu energie vĺn je slnko, ktorého vyžarované elektromagnetické vlny dodávajú energiu celej našej planéte.
Intenzita zvukovej vlny vo fyzike je definovaná ako množstvo energie prenášanej vlnou cez jednotkový povrch, ktorý je kolmý na šírenie vlny, a za jednotku času. Stručne povedané, intenzita vlny je jej výkon prenášaný cez jednotku plochy.
Sila zvukových vĺn sa zvyčajne meria v decibeloch, ktoré sú založené na logaritmickej stupnici, vhodnej na praktickú analýzu výsledkov.
Intenzita rôznych zvukov
Nasledujúca decibelová stupnica dáva predstavu o význame rôznych intenzít zvuku a vnemoch, ktoré spôsobuje:
- prah pre nepríjemné a nepríjemné pocity začína na 120 decibeloch (dB);
- nitovacie kladivo generuje hluk 95 dB;
- vysokorýchlostný vlak – 90 dB;
- premávka - 70 dB;
- hlasitosť bežnej konverzácie medzi ľuďmi je 65 dB;
- Moderné auto pohybujúce sa miernou rýchlosťou vytvára 50 dB hluk;
- priemerná hlasitosť rádia – 40 dB;
- tichá konverzácia – 20 dB;
- hluk listov stromov - 10 dB;
- Minimálny prah citlivosti ľudského zvuku je blízko 0 dB.
Citlivosť ľudského ucha závisí odfrekvencia zvuku a je maximálnou hodnotou pre zvukové vlny s frekvenciou 2000-3000 Hz. Pre zvuk v tomto frekvenčnom rozsahu je spodná hranica ľudskej citlivosti 10-5 dB. Vyššie a nižšie frekvencie ako stanovený interval vedú k zvýšeniu spodnej hranice citlivosti tak, že človek počuje frekvencie blízke 20 Hz a 20 000 Hz len pri ich intenzite niekoľkých desiatok dB.
Pokiaľ ide o hornú hranicu intenzity, po ktorej prekročení začína zvuk človeku spôsobovať nepríjemnosti až bolesť, treba povedať, že prakticky nezávisí od frekvencie a pohybuje sa v rozmedzí 110-130 dB.
Geometrické charakteristiky zvukovej vlny
Skutočná zvuková vlna je komplexný oscilačný balík pozdĺžnych vĺn, ktorý možno rozložiť na jednoduché harmonické vibrácie. Každá takáto oscilácia je opísaná z geometrického hľadiska nasledujúcimi charakteristikami:
- Amplitúda - maximálna odchýlka každého úseku vlny od rovnováhy. Pre túto hodnotu je označenie A.
- Obdobie. Toto je čas, ktorý potrebuje jednoduchá vlna na dokončenie svojej úplnej oscilácie. Po tomto čase začne každý bod vlny opakovať svoj oscilačný proces. Obdobie sa zvyčajne označuje písmenom T a meria sa v sekundách v sústave SI.
- Frekvencia. Ide o fyzikálnu veličinu, ktorá ukazuje, koľko kmitov daná vlna urobí za sekundu. To znamená, že vo svojom význame ide o hodnotu inverznú k obdobiu. Označuje sa latinským písmenom f. Pre frekvenciu zvukovej vlny je vzorec na jej určenie cez periódu nasledujúci: f=1/T.
- Dĺžka vlny je vzdialenosť, ktorú prekoná za jednu periódu oscilácie. Geometricky je vlnová dĺžka vzdialenosť medzi dvoma najbližšími maximami alebo dvoma najbližšími minimami na sínusovej krivke. Dĺžka kmitania zvukovej vlny je vzdialenosť medzi najbližšími oblasťami kompresie vzduchu alebo najbližšími miestami jeho zriedenia v priestore, kde sa vlna pohybuje. Zvyčajne sa označuje gréckym písmenom λ.
- Rýchlosť šírenia zvukových vĺn je vzdialenosť, cez ktorú sa šíri oblasť kompresie alebo oblasť zriedkavosti vlny za jednotku času. Táto hodnota je označená písmenom v. Pre rýchlosť zvukovej vlny je vzorec: v=λf.
Geometria čistej zvukovej vlny, teda vlny konštantnej čistoty, sa riadi sínusovým zákonom. Vo všeobecnom prípade je vzorec zvukovej vlny: y=Asin(ωt), kde y je hodnota súradnice daného bodu vlny, t je čas, ω=2pif je frekvencia cyklických oscilácií.
Aperiodický zvuk
Mnohé zdroje zvuku možno považovať za periodické, napríklad zvuk hudobných nástrojov ako gitara, klavír, flauta, ale v prírode existuje aj veľké množstvo zvukov, ktoré sú aperiodické, to znamená, že zvukové vibrácie sa menia ich frekvenciu a tvar v priestore. Odborne sa tento druh zvuku nazýva hluk. svetlýpríkladmi aperiodického zvuku sú mestský hluk, zvuk mora, zvuky bicích nástrojov, ako je bubon a iné.
Médium šírenia zvuku
Na rozdiel od elektromagnetického žiarenia, ktorého fotóny nepotrebujú na svoje šírenie žiadne hmotné médium, charakter zvuku je taký, že na jeho šírenie je potrebné určité médium, teda podľa fyzikálnych zákonov zvukové vlny nemôžu šíriť vo vákuu.
Zvuk sa môže šíriť cez plyny, kvapaliny a pevné látky. Hlavné charakteristiky zvukovej vlny šíriacej sa v médiu sú nasledovné:
- vlna sa šíri lineárne;
- šíri sa rovnako vo všetkých smeroch v homogénnom médiu, to znamená, že zvuk sa odchyľuje od zdroja a vytvára dokonalý sférický povrch.
- bez ohľadu na amplitúdu a frekvenciu zvuku sa jeho vlny v danom médiu šíria rovnakou rýchlosťou.
Rýchlosť zvukových vĺn v rôznych médiách
Rýchlosť šírenia zvuku závisí od dvoch hlavných faktorov: od média, v ktorom sa vlna pohybuje, a od teploty. Vo všeobecnosti platí nasledovné pravidlo: čím je médium hustejšie a čím je jeho teplota vyššia, tým rýchlejšie sa v ňom zvuk pohybuje.
Napríklad rýchlosť šírenia zvukovej vlny vo vzduchu v blízkosti zemského povrchu pri teplote 20 ℃ a vlhkosti 50 % je 1235 km/h alebo 343 m/s. Vo vode pri danej teplote sa zvuk šíri 4,5-krát rýchlejšieje tam asi 5735 km/h alebo 1600 m/s. Čo sa týka závislosti rýchlosti zvuku od teploty vo vzduchu, tá sa zvyšuje o 0,6 m/s s nárastom teploty o každý stupeň Celzia.
Timbre a tón
Ak necháte strunu alebo kovovú platňu voľne vibrovať, budú produkovať zvuky rôznych frekvencií. Je veľmi zriedkavé nájsť teleso, ktoré by vydávalo zvuk jednej konkrétnej frekvencie, zvyčajne má zvuk objektu súbor frekvencií v určitom intervale.
Timbr zvuku je určený počtom harmonických v ňom prítomných a ich príslušnými intenzitami. Timbre je subjektívna hodnota, to znamená, že ide o vnímanie znejúceho objektu konkrétnou osobou. Zafarbenie je zvyčajne charakterizované týmito prídavnými menami: vysoký, brilantný, zvučný, melodický atď.
Tón je zvukový vnem, ktorý umožňuje klasifikovať ho ako vysoký alebo nízky. Táto hodnota je tiež subjektívna a nedá sa zmerať žiadnym prístrojom. Tón je spojený s objektívnou veličinou - frekvenciou zvukovej vlny, ale nie je medzi nimi jednoznačný vzťah. Napríklad pri jednofrekvenčnom zvuku konštantnej intenzity tón stúpa so zvyšujúcou sa frekvenciou. Ak frekvencia zvuku zostane konštantná, ale jeho intenzita sa zvýši, tón sa zníži.
Tvar zdrojov zvuku
Podľa tvaru tela, ktoré mechanicky vibruje a tým vytvára zvuk, existujú tri hlavné typy zdrojov zvukových vĺn:
- Bodový zdroj. Produkuje zvukové vlny, ktoré majú guľový tvar a rýchlo sa rozpadajú so vzdialenosťou od zdroja (približne 6 dB, ak sa vzdialenosť od zdroja zdvojnásobí).
- Riadkový zdroj. Vytvára valcovité vlny, ktorých intenzita klesá pomalšie ako z bodového zdroja (pri každom zdvojnásobení vzdialenosti od zdroja sa intenzita znižuje o 3 dB).
- Plochý alebo dvojrozmerný zdroj. Vytvára vlny len v určitom smere. Príkladom takéhoto zdroja môže byť piest pohybujúci sa vo valci.
Elektronické zdroje zvuku
Na vytvorenie zvukovej vlny využívajú elektronické zdroje špeciálnu membránu (reproduktor), ktorá vytvára mechanické vibrácie v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie. Medzi tieto zdroje patria:
- prehrávače rôznych diskov (CD, DVD a iné);
- kazetové magnetofóny;
- rádiá;
- Televízory a niektoré ďalšie.
