Bilo da zvučni valovi. Zašto se pojavljuje zvučni val? Zvučno sondiranje dubina
Zvuk su zvučni valovi koji uzrokuju vibracije sitnih čestica zraka, drugih plinova te tekućih i krutih medija. Zvuk može nastati samo tamo gdje postoji tvar, bez obzira u kojem je agregatnom stanju. U uvjetima vakuuma, gdje nema medija, zvuk se ne širi, jer nema čestica koje djeluju kao distributeri zvučnih valova. Na primjer, u svemiru. Zvuk se može modificirati, mijenjati, pretvarajući se u druge oblike energije. Tako se zvuk pretvoren u radiovalove ili električnu energiju može prenositi na udaljenosti i snimati na informacijske medije.
Zvučni val
Kretanje objekata i tijela gotovo uvijek uzrokuje fluktuacije u okolini. Nije važno je li voda ili zrak. Tijekom tog procesa počinju titrati i čestice medija na koje se prenose titraji tijela. Nastaju zvučni valovi. Štoviše, pokreti se izvode u smjeru naprijed i natrag, postupno zamjenjujući jedni druge. Stoga je zvučni val longitudinalan. U njemu nikada nema bočnog pomicanja gore-dolje.
Karakteristike zvučnih valova
Kao i svaki fizikalni fenomen, oni imaju svoje veličine, uz pomoć kojih se mogu opisati svojstva. Glavne karakteristike zvučnog vala su njegova frekvencija i amplituda. Prva vrijednost pokazuje koliko se valova formira u sekundi. Drugi određuje snagu vala. Niskofrekventni zvukovi imaju niske frekvencijske vrijednosti i obrnuto. Frekvencija zvuka se mjeri u hercima, a ako prelazi 20 000 Hz, tada se javlja ultrazvuk. Brojni su primjeri niskofrekventnih i visokofrekventnih zvukova u prirodi i svijetu oko nas. Cvrkut slavuja, tutnjava grmljavine, huk planinske rijeke i drugi, sve su to različite zvučne frekvencije. Amplituda vala izravno ovisi o tome koliko je glasan zvuk. Glasnoća se pak smanjuje s udaljenošću od izvora zvuka. Prema tome, što je val dalje od epicentra, to je manja amplituda. Drugim riječima, amplituda zvučnog vala opada s udaljenošću od izvora zvuka.
Brzina zvuka
Ovaj pokazatelj zvučnog vala izravno ovisi o prirodi medija u kojem se širi. I vlažnost i temperatura zraka ovdje igraju značajnu ulogu. U prosječnim vremenskim uvjetima brzina zvuka je otprilike 340 metara u sekundi. U fizici postoji nešto poput nadzvučne brzine, koja je uvijek veća od brzine zvuka. Ovo je brzina kojom zvučni valovi putuju kada se zrakoplov kreće. Avion se kreće nadzvučnom brzinom i čak nadmašuje zvučne valove koje stvara. Zbog postupnog povećanja tlaka iza zrakoplova nastaje udarni val zvuka. Mjerna jedinica za ovu brzinu je zanimljiva i malo ljudi je zna. Zove se Mach. Mach 1 jednak je brzini zvuka. Ako val putuje brzinom od 2 Macha, tada putuje dvostruko brže od brzine zvuka.
Zvukovi
U ljudskom svakodnevnom životu prisutna je stalna buka. Razina buke mjeri se u decibelima. Kretanje automobila, vjetar, šuštanje lišća, preplitanje ljudskih glasova i drugi zvučni šumovi naši su svakodnevni pratioci. Ali ljudski slušni analizator ima sposobnost naviknuti se na takvu buku. No, postoje i fenomeni s kojima se čak ni adaptivne sposobnosti ljudskog uha ne mogu nositi. Na primjer, buka koja prelazi 120 dB može izazvati bol. Najglasnija životinja je plavi kit. Kada proizvodi zvukove, čuje se i više od 800 kilometara.
Jeka
Kako nastaje jeka? Ovdje je sve vrlo jednostavno. Zvučni val ima sposobnost odbijanja od različitih površina: od vode, od kamena, od zidova u praznoj prostoriji. Ovaj val se vraća nama, pa čujemo sekundarni zvuk. Nije tako jasan kao izvorni jer se dio energije u zvučnom valu rasprši dok putuje prema prepreci.
Eholokacija
Refleksija zvuka koristi se u razne praktične svrhe. Na primjer, eholokacija. Temelji se na činjenici da je uz pomoć ultrazvučnih valova moguće odrediti udaljenost do objekta od kojeg se ti valovi reflektiraju. Izračuni se rade mjerenjem vremena potrebnog ultrazvuku da putuje do mjesta i vrati se. Mnoge životinje imaju sposobnost eholokacije. Na primjer, šišmiši i dupini ga koriste za traženje hrane. Eholokacija je pronašla još jednu primjenu u medicini. Tijekom ultrazvučnih pregleda formira se slika unutarnjih organa osobe. Osnova ove metode je da se ultrazvuk, ulazeći u medij koji nije zrak, vraća natrag, stvarajući tako sliku.
Zvučni valovi u glazbi
Zašto glazbeni instrumenti proizvode određene zvukove? Drndanje gitare, klavir, niski tonovi bubnjeva i truba, šarmantan tanki glas flaute. Svi ti i mnogi drugi zvukovi nastaju zbog vibracija zraka ili, drugim riječima, zbog pojave zvučnih valova. Ali zašto je zvuk glazbenih instrumenata tako raznolik? Ispostavilo se da to ovisi o nekoliko čimbenika. Prvi je oblik alata, drugi je materijal od kojeg je napravljen.
Pogledajmo ovo na primjeru gudačkih instrumenata. One postaju izvor zvuka kada se dotaknu žice. Zbog toga počinju vibrirati i slati različite zvukove u okolinu. Nizak zvuk bilo kojeg žičanog instrumenta posljedica je veće debljine i duljine žice, kao i slabosti njezine napetosti. I obrnuto, što je žica čvršće nategnuta, što je tanja i kraća, to je zvuk koji se dobiva kao rezultat sviranja viši.
Radnja mikrofona
Temelji se na pretvaranju energije zvučnog vala u električnu energiju. U ovom slučaju, trenutna snaga i priroda zvuka izravno ovise. Unutar svakog mikrofona nalazi se tanka metalna ploča. Kada je izložen zvuku, počinje izvoditi oscilatorna kretanja. Spirala na koju je spojena ploča također vibrira, što rezultira električnom strujom. Zašto se on pojavljuje? To je zato što mikrofon također ima ugrađene magnete. Kada spirala oscilira između svojih polova, stvara se električna struja koja ide duž spirale, a zatim do zvučnog stupa (razglas) ili do opreme za snimanje na informacijski medij (kazeta, disk, računalo). Usput, mikrofon u telefonu ima sličnu strukturu. Ali kako mikrofoni rade na fiksnim i mobilnim telefonima? Početna faza im je ista - zvuk ljudskog glasa prenosi svoje vibracije na ploču mikrofona, zatim sve ide prema gore opisanom scenariju: spirala, koja pri kretanju zatvara dva pola, stvara se struja. Što je sljedeće? S fiksnim telefonom sve je više-manje jasno - baš kao u mikrofonu, zvuk, pretvoren u električnu struju, prolazi kroz žice. Ali što je s mobitelom ili, na primjer, walkie-talkiejem? U tim slučajevima zvuk se pretvara u energiju radiovalova i udara u satelit. To je sve.
Fenomen rezonancije
Ponekad se stvaraju uvjeti kada se amplituda vibracija fizičkog tijela naglo povećava. To se događa zbog konvergencije vrijednosti frekvencije prisilnih oscilacija i prirodne frekvencije oscilacija objekta (tijela). Rezonancija može biti i korisna i štetna. Na primjer, da bi se automobil izvukao iz rupe, on se pokreće i gura naprijed-natrag kako bi se izazvala rezonancija i dala automobilu inerciju. Ali bilo je i slučajeva negativnih posljedica rezonancije. Na primjer, u Sankt Peterburgu, prije stotinjak godina, srušio se most pod vojnicima koji su marširali u slogi.
Ova lekcija pokriva temu "Zvučni valovi". U ovoj lekciji nastavit ćemo proučavati akustiku. Najprije ponovimo definiciju zvučnih valova, zatim razmotrimo njihova frekvencijska područja i upoznajmo se s pojmom ultrazvučnih i infrazvučnih valova. Također ćemo razgovarati o svojstvima zvučnih valova u različitim medijima i naučiti koja su njihova svojstva. .
Zvučni valovi - to su mehaničke vibracije koje, šireći se i djelujući na organ sluha, percipira osoba (slika 1).
Riža. 1. Zvučni val
Grana fizike koja se bavi tim valovima naziva se akustika. Zanimanje ljudi koji se popularno nazivaju “slušatelji” su akustičari. Zvučni val je val koji se širi u elastičnom mediju, on je longitudinalni val, a kada se širi u elastičnom mediju izmjenjuju se kompresija i pražnjenje. Prenosi se tijekom vremena na daljinu (slika 2).
Riža. 2. Širenje zvučnog vala
Zvučni valovi uključuju vibracije koje se javljaju frekvencijom od 20 do 20 000 Hz. Za ove frekvencije odgovarajuće valne duljine su 17 m (za 20 Hz) i 17 mm (za 20 000 Hz). Ovaj raspon će se zvati zvučni zvuk. Ove su valne duljine dane za zrak, čija je brzina zvuka jednaka .
Postoje i rasponi kojima se bave akustičari - infrazvučni i ultrazvučni. Infrazvučni su oni koji imaju frekvenciju manju od 20 Hz. A ultrazvučni su oni koji imaju frekvenciju veću od 20 000 Hz (slika 3).
Riža. 3. Rasponi zvučnih valova
Svaka educirana osoba trebala bi poznavati frekvencijski raspon zvučnih valova i znati da će, ako ode na ultrazvuk, slika na ekranu računala biti izgrađena s frekvencijom većom od 20 000 Hz.
Ultrazvuk – To su mehanički valovi slični zvučnim valovima, ali s frekvencijom od 20 kHz do milijardu herca.
Valovi s frekvencijom većom od milijardu herca nazivaju se hiperzvuk.
Ultrazvuk se koristi za otkrivanje nedostataka u lijevanim dijelovima. Mlaz kratkih ultrazvučnih signala usmjerava se na dio koji se ispituje. Na onim mjestima gdje nema nedostataka, signali prolaze kroz dio bez da ih prijamnik registrira.
Ako u dijelu postoji pukotina, zračna šupljina ili druga nehomogenost, tada se ultrazvučni signal odbija od njega i, vraćajući se, ulazi u prijemnik. Ova metoda se zove ultrazvučna detekcija grešaka.
Ostali primjeri primjene ultrazvuka su ultrazvučni strojevi, ultrazvučni strojevi, ultrazvučna terapija.
Infrazvuk – mehanički valovi slični zvučnim valovima, ali imaju frekvenciju manju od 20 Hz. Ne percipiraju ih ljudsko uho.
Prirodni izvori infrazvučnih valova su oluje, tsunamiji, potresi, uragani, vulkanske erupcije i grmljavinske oluje.
Infrazvuk je također važan val koji se koristi za vibriranje površine (na primjer, za uništavanje nekih velikih objekata). Puštamo infrazvuk u tlo - i tlo se raspada. Gdje se ovo koristi? Na primjer, u rudnicima dijamanata, gdje uzimaju rudu koja sadrži dijamantne komponente i drobe je u male čestice kako bi pronašli te dijamantne inkluzije (slika 4).
Riža. 4. Primjena infrazvuka
Brzina zvuka ovisi o uvjetima okoline i temperaturi (slika 5).
Riža. 5. Brzina širenja zvučnog vala u različitim medijima
Napomena: u zraku je brzina zvuka na jednaka , a na , brzina se povećava za . Ako ste istraživač, onda bi vam ovo znanje moglo biti od koristi. Možda čak smislite neku vrstu temperaturnog senzora koji će bilježiti temperaturne razlike mijenjajući brzinu zvuka u mediju. Već znamo da što je medij gušći, to je ozbiljnija interakcija među česticama medija, to se val brže širi. U prošlom odlomku raspravljali smo o tome na primjeru suhog i vlažnog zraka. Za vodu je brzina širenja zvuka . Ako stvorite zvučni val (kucnite viljuškom za ugađanje), tada će brzina njegovog širenja u vodi biti 4 puta veća nego u zraku. Vodom će informacije stizati 4 puta brže nego zrakom. A u čeliku je još brži: 
(slika 6).
Riža. 6. Brzina širenja zvučnog vala
Znate iz epova da je Ilya Muromets (i svi heroji i obični ruski ljudi i dječaci iz Gajdarovog RVS-a) koristio vrlo zanimljivu metodu otkrivanja objekta koji se približava, ali je još uvijek daleko. Zvuk koji proizvodi kada se kreće još se ne čuje. Ilya Muromets, s uhom do zemlje, može je čuti. Zašto? Budući da se zvuk preko čvrstog tla prenosi većom brzinom, što znači da će brže doći do uha Ilje Muromca i on će se moći pripremiti za susret s neprijateljem.
Najzanimljiviji zvučni valovi su glazbeni zvukovi i šumovi. Koji predmeti mogu stvarati zvučne valove? Ako uzmemo izvor vala i elastični medij, ako izvor zvuka natjeramo da skladno titra, tada ćemo imati prekrasan zvučni val, koji ćemo zvati glazbeni zvuk. Ti izvori zvučnih valova mogu biti, na primjer, žice gitare ili glasovira. To može biti zvučni val koji se stvara u zračnom rasporu cijevi (orgulja ili cijevi). Iz glazbene nastave znate note: do, re, mi, fa, sol, la, si. U akustici se nazivaju tonovima (slika 7).
Riža. 7. Glazbeni tonovi
Svi objekti koji mogu proizvesti tonove imat će značajke. Po čemu se razlikuju? Razlikuju se po valnoj duljini i frekvenciji. Ako te zvučne valove ne stvaraju harmonično zvučna tijela ili nisu povezani u neku zajedničku orkestralnu skladbu, tada će se takva količina zvukova nazvati bukom.
Buka– slučajne oscilacije različite fizičke prirode, karakterizirane složenošću svoje vremenske i spektralne strukture. Pojam buke je i kućanski i fizički, vrlo su slični, stoga ga uvodimo kao poseban važan predmet razmatranja.
Prijeđimo na kvantitativne procjene zvučnih valova. Koje su karakteristike glazbenih zvučnih valova? Ove se karakteristike odnose isključivo na harmonijske zvučne vibracije. Tako, jačina zvuka. Kako se određuje glasnoća zvuka? Razmotrimo širenje zvučnog vala u vremenu ili oscilacije izvora zvučnog vala (slika 8).
Riža. 8. Glasnoća zvuka
U isto vrijeme, ako nismo dodali puno zvuka u sustav (tiho smo pritisnuli klavirsku tipku, na primjer), tada će biti tih zvuk. Ako glasno podignemo ruku uvis, taj zvuk izazivamo udarcem tipke, dobivamo glasan zvuk. O čemu ovo ovisi? Tihi zvuk ima manju amplitudu vibracije od glasnog zvuka.
Sljedeća važna karakteristika glazbenog zvuka i bilo kojeg drugog zvuka je visina. O čemu ovisi visina zvuka? Visina ovisi o frekvenciji. Možemo učiniti da izvor oscilira često ili ga možemo učiniti da ne oscilira vrlo brzo (to jest, izvoditi manje oscilacija u jedinici vremena). Razmotrimo vremensko kretanje visokog i niskog zvuka iste amplitude (slika 9).
Riža. 9. Visina
Može se izvući zanimljiv zaključak. Ako osoba pjeva bas glasom, onda njen izvor zvuka (glasnice) vibrira nekoliko puta sporije nego kod osobe koja pjeva sopran. U drugom slučaju, glasnice vibriraju češće, pa stoga češće uzrokuju džepove kompresije i pražnjenja u širenju vala.
Postoji još jedna zanimljiva karakteristika zvučnih valova koju fizičari ne proučavaju. Ovaj timbar. Znate i lako razlikujete isto glazbeno djelo koje se izvodi na balalajci ili violončelu. Po čemu se ti zvukovi ili ova izvedba razlikuju? Na početku eksperimenta tražili smo od ljudi koji proizvode zvukove da ih naprave približno iste amplitude, kako bi glasnoća zvuka bila ista. To je kao u slučaju orkestra: ako nema potrebe istaknuti neki instrument, svi sviraju otprilike isto, istom snagom. Dakle, zvuk balalajke i violončela je drugačiji. Kad bismo nacrtali zvuk koji proizvodi jedan instrument s drugog pomoću dijagrama, oni bi bili isti. Ali te instrumente možete lako razlikovati po zvuku.
Još jedan primjer važnosti boje zvuka. Zamislite dva pjevača koji su diplomirali na istom glazbenom fakultetu kod istih profesora. Učili su jednako dobro, s peticama. Jedan iz nekog razloga postaje izvanredan izvođač, a drugi je cijeli život nezadovoljan svojom karijerom. Zapravo, to je određeno isključivo njihovim instrumentom koji uzrokuje vokalne vibracije u okolini, odnosno glasovi im se razlikuju u boji.
Bibliografija
- Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: priručnik s primjerima rješavanja problema. - 2. predjel izdanja. - X.: Vesta: izdavačka kuća "Ranok", 2005. - 464 str.
- Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizika. 9. razred: udžbenik za općeobraz. ustanove/A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. - 14. izd., stereotip. - M.: Bustard, 2009. - 300 str.
- Internet portal “eduspb.com” ()
- Internet portal “msk.edu.ua” ()
- Internet portal “class-fizika.narod.ru” ()
Domaća zadaća
- Kako putuje zvuk? Što bi mogao biti izvor zvuka?
- Može li zvuk putovati svemirom?
- Je li svaki val koji dopre do organa sluha osobe opažen od strane osobe?
18. veljače 2016
Svijet kućne zabave prilično je raznolik i može uključivati: gledanje filmova na dobrom sustavu kućnog kina; uzbudljivo i uzbudljivo igranje ili slušanje glazbe. U pravilu svatko pronađe nešto svoje u ovom području ili kombinira sve odjednom. Ali kakvi god ciljevi osobe u organizaciji slobodnog vremena bili iu koju god krajnost išli, sve ove veze čvrsto su povezane jednom jednostavnom i razumljivom riječju - "zvuk". Doista, u svim navedenim slučajevima zvuk će nas voditi za ruku. Ali ovo pitanje nije tako jednostavno i trivijalno, pogotovo u slučajevima kada postoji želja za postizanjem visokokvalitetnog zvuka u sobi ili bilo kojim drugim uvjetima. Za to nije uvijek potrebno kupovati skupe hi-fi ili hi-end komponente (iako će biti vrlo korisne), već je dovoljno dobro poznavanje fizikalne teorije koja može eliminirati većinu problema koji se javljaju svakome koji namjerava postići visokokvalitetnu glasovnu glumu.
Zatim ćemo razmotriti teoriju zvuka i akustiku sa stajališta fizike. U ovom slučaju, pokušat ću ovo učiniti što je moguće dostupnijim razumijevanju bilo koje osobe koja je možda daleko od poznavanja fizikalnih zakona ili formula, ali ipak strastveno sanja o ostvarenju sna o stvaranju savršenog akustičnog sustava. Ne usuđujem se reći da za postizanje dobrih rezultata u ovom području kod kuće (ili u automobilu, na primjer), morate temeljito poznavati ove teorije, ali razumijevanje osnova omogućit će vam da izbjegnete mnoge glupe i apsurdne pogreške , a također će vam omogućiti da postignete maksimalan zvučni učinak iz sustava bilo koje razine.
Opća teorija zvuka i glazbena terminologija
Što je zvuk? To je osjećaj koji percipira slušni organ "uho"(sam fenomen postoji bez sudjelovanja "uha" u procesu, ali to je lakše razumjeti), što se događa kada je bubnjić pobuđen zvučnim valom. Uho u ovom slučaju djeluje kao "prijemnik" zvučnih valova različitih frekvencija. 
Zvučni val to je u biti sekvencijalni niz zbijanja i ispuštanja medija (najčešće zračnog medija u normalnim uvjetima) različitih učestalosti. Priroda zvučnih valova je oscilatorna, uzrokovana i proizvedena vibracijom bilo kojeg tijela. Nastanak i širenje klasičnog zvučnog vala moguće je u tri elastična medija: plinovitom, tekućem i krutom. Kada se zvučni val pojavi u jednoj od ovih vrsta prostora, neizbježno se događaju neke promjene u samom mediju, na primjer, promjena gustoće ili tlaka zraka, kretanje čestica zračne mase itd.
Budući da zvučni val ima oscilatornu prirodu, ima takvu karakteristiku kao što je frekvencija. Frekvencija mjereno u hercima (u čast njemačkog fizičara Heinricha Rudolfa Hertza), a označava broj oscilacija u vremenskom razdoblju jednakom jednoj sekundi. Oni. na primjer, frekvencija od 20 Hz označava ciklus od 20 oscilacija u jednoj sekundi. Subjektivni pojam njegove visine također ovisi o frekvenciji zvuka. Što se više zvučnih vibracija pojavi u sekundi, to se zvuk čini "višim". Zvučni val ima još jednu važnu karakteristiku, koja ima ime - valna duljina. Valna duljina Uobičajeno je uzeti u obzir udaljenost koju zvuk određene frekvencije prijeđe u razdoblju jednakom jednoj sekundi. Na primjer, valna duljina najnižeg zvuka u rasponu koji čovjek može čuti pri 20 Hz je 16,5 metara, a valna duljina najvišeg zvuka pri 20 000 Hz je 1,7 centimetara.
Ljudsko uho konstruirano je na način da je sposobno percipirati valove samo u ograničenom rasponu, otprilike 20 Hz - 20 000 Hz (ovisno o karakteristikama pojedine osobe, netko čuje malo više, netko manje) . Dakle, to ne znači da zvukovi ispod ili iznad ovih frekvencija ne postoje, jednostavno ih ljudsko uho ne percipira, izlazeći izvan čujnog raspona. Zvuk iznad čujnog raspona naziva se ultrazvuk, zove se zvuk ispod čujnog raspona infrazvuk. Neke životinje mogu percipirati ultra i infra zvukove, neke čak koriste ovaj raspon za orijentaciju u prostoru (šišmiši, dupini). Ako zvuk prolazi kroz medij koji nije u izravnom kontaktu s ljudskim slušnim organom, tada se takav zvuk možda neće čuti ili može biti naknadno znatno oslabljen.
U glazbenoj terminologiji zvuka postoje tako važne oznake kao što su oktava, ton i prizvuk zvuka. Oktava označava interval u kojem je omjer frekvencija između zvukova 1 prema 2. Oktava se obično dobro razlikuje sluhom, dok zvukovi unutar tog intervala mogu biti vrlo slični jedni drugima. Oktavom se također može nazvati zvuk koji vibrira dvostruko jače od drugog zvuka u istom vremenskom razdoblju. Na primjer, frekvencija od 800 Hz nije ništa drugo do viša oktava od 400 Hz, a frekvencija od 400 Hz pak je sljedeća oktava zvuka s frekvencijom od 200 Hz. Oktava se pak sastoji od tonova i prizvuka. Promjenjive vibracije u harmoničnom zvučnom valu iste frekvencije ljudsko uho percipira kao glazbeni ton. Visokofrekventne vibracije mogu se protumačiti kao visoki zvukovi, dok se niske frekvencije mogu protumačiti kao niski zvukovi. Ljudsko uho je sposobno jasno razlikovati zvukove s razlikom od jednog tona (u rasponu do 4000 Hz). Unatoč tome, glazba koristi izuzetno mali broj tonova. To se objašnjava iz razmatranja principa harmonijske konsonancije; sve se temelji na principu oktava.
Razmotrimo teoriju glazbenih tonova na primjeru na određeni način rastegnute žice. Takva žica, ovisno o sili napetosti, bit će "ugođena" na jednu određenu frekvenciju. Kada je ova žica izložena nečemu s jednom specifičnom silom, što uzrokuje njezino vibriranje, jedan određeni ton zvuka će se dosljedno promatrati, a mi ćemo čuti željenu frekvenciju ugađanja. Ovaj zvuk se naziva osnovni ton. Frekvencija note "A" prve oktave službeno je prihvaćena kao osnovni ton u glazbenom polju, jednaka 440 Hz. Međutim, većina glazbenih instrumenata nikada ne reproducira same čiste temeljne tonove; neizbježno ih prate prizvuci tzv. prizvuci. Ovdje je prikladno podsjetiti na važnu definiciju glazbene akustike, na pojam zvučne boje. Timbar- ovo je značajka glazbenih zvukova koja glazbalima i glasovima daje jedinstvenu, prepoznatljivu specifičnost zvuka, čak i kada se uspoređuju zvukovi iste visine i glasnoće. Boja zvuka svakog glazbenog instrumenta ovisi o raspodjeli zvučne energije među tonovima u trenutku kada se zvuk pojavi.
Prizvuci čine specifičnu obojenost osnovnog tona, po kojoj možemo lako identificirati i prepoznati određeno glazbalo, kao i jasno razlikovati njegov zvuk od drugog glazbala. Postoje dvije vrste prizvuka: harmonijski i neharmonijski. Harmonijski prizvuci po definiciji su višekratnici osnovne frekvencije. Naprotiv, ako prizvuci nisu višestruki i primjetno odstupaju od vrijednosti, tada se nazivaju neharmonijski. U glazbi je operiranje s više prizvuka praktički isključeno, pa se pojam svodi na pojam "preglasa", što znači harmonijski. Kod nekih instrumenata, kao što je klavir, osnovni ton nema vremena niti se formirati; u kratkom vremenskom razdoblju zvučna energija prizvuka raste, a zatim jednako brzo opada. Mnogi instrumenti stvaraju ono što se naziva efektom "prijelaznog tona", gdje je energija određenih prizvuka najveća u određenom trenutku, obično na samom početku, ali se zatim naglo mijenja i prelazi na druge prizvuke. Frekvencijski raspon svakog instrumenta može se razmatrati zasebno i obično je ograničen na osnovne frekvencije koje taj instrument može proizvesti.
U teoriji zvuka postoji i takav koncept kao što je BUKA. Buka- ovo je bilo koji zvuk koji je nastao kombinacijom izvora koji nisu u skladu jedan s drugim. Svima je poznat zvuk lišća drveća koje vjetar njiše itd.
Što određuje glasnoću zvuka? Očito, takav fenomen izravno ovisi o količini energije koju prenosi zvučni val. Za određivanje kvantitativnih pokazatelja glasnoće postoji koncept - intenzitet zvuka. Intenzitet zvuka definira se kao protok energije koji prolazi kroz neko područje prostora (na primjer, cm2) po jedinici vremena (na primjer, po sekundi). Tijekom normalnog razgovora, intenzitet je otprilike 9 ili 10 W/cm2. Ljudsko uho je sposobno percipirati zvukove u prilično širokom rasponu osjetljivosti, dok je osjetljivost frekvencija heterogena unutar zvučnog spektra. Na taj način se najbolje percipira frekvencijski raspon 1000 Hz - 4000 Hz koji najviše pokriva ljudski govor.
Budući da zvukovi jako variraju u intenzitetu, prikladnije je o tome razmišljati kao o logaritamskoj veličini i mjeriti je u decibelima (prema škotskom znanstveniku Alexanderu Grahamu Bellu). Donji prag osjetljivosti sluha ljudskog uha je 0 dB, a gornji 120 dB, koji se naziva i "prag boli". Gornju granicu osjetljivosti također percipira ljudsko uho ne na isti način, već ovisi o specifičnoj frekvenciji. Niskofrekventni zvukovi moraju imati puno veći intenzitet od visokofrekventnih zvukova da bi pokrenuli prag boli. Na primjer, prag boli na niskoj frekvenciji od 31,5 Hz javlja se pri razini intenziteta zvuka od 135 dB, kada će se na frekvenciji od 2000 Hz osjet boli pojaviti na 112 dB. Tu je i pojam zvučnog tlaka, koji zapravo proširuje uobičajeno objašnjenje širenja zvučnog vala u zraku. Tlak zvuka- ovo je promjenjivi višak tlaka koji nastaje u elastičnom mediju kao rezultat prolaska zvučnog vala kroz njega.
Valna priroda zvuka
Kako bismo bolje razumjeli sustav generiranja zvučnih valova, zamislimo klasični zvučnik smješten u cijevi ispunjenoj zrakom. Ako zvučnik napravi nagli pokret prema naprijed, zrak u neposrednoj blizini difuzora trenutno se sabija. Zrak će se zatim proširiti, gurajući tako područje komprimiranog zraka duž cijevi. 
Ovo valno kretanje će kasnije postati zvuk kada dođe do slušnog organa i "pobudi" bubnjić. Kada se u plinu pojavi zvučni val, stvaraju se višak tlaka i višak gustoće i čestice se kreću konstantnom brzinom. Što se tiče zvučnih valova, važno je zapamtiti činjenicu da se tvar ne kreće zajedno sa zvučnim valovima, već dolazi samo do privremenog poremećaja zračnih masa.
Ako zamislimo klip koji visi u slobodnom prostoru na opruzi i ponavlja pokrete "naprijed-natrag", tada ćemo takve oscilacije nazvati harmonijskim ili sinusoidnim (ako zamislimo val kao grafikon, tada ćemo u ovom slučaju dobiti čistu sinusoida s opetovanim padovima i porastima). Ako zamislimo zvučnik u cijevi (kao u gore opisanom primjeru) koji izvodi harmonijske oscilacije, tada se u trenutku kretanja zvučnika “naprijed” dobiva dobro poznati efekt kompresije zraka, a kada se zvučnik kreće “natrag” javlja se suprotan učinak razrjeđivanja. U tom će se slučaju kroz cijev širiti val naizmjenične kompresije i razrjeđivanja. Pozvat će se udaljenost duž cijevi između susjednih maksimuma ili minimuma (faza). valna duljina. Ako čestice titraju paralelno sa smjerom širenja vala, tada se val naziva uzdužni. Ako titraju okomito na smjer širenja, tada se val zove poprečni. Tipično, zvučni valovi u plinovima i tekućinama su longitudinalni, ali u čvrstim tijelima mogu se pojaviti oba tipa valova. Transverzalni valovi u čvrstim tijelima nastaju zbog otpora na promjenu oblika. Glavna razlika između ove dvije vrste valova je u tome što transverzalni val ima svojstvo polarizacije (oscilacije se javljaju u određenoj ravnini), dok longitudinalni val nema.
Brzina zvuka
Brzina zvuka izravno ovisi o karakteristikama medija u kojem se širi. Određen je (ovisno) o dva svojstva medija: elastičnost i gustoća materijala. Brzina zvuka u čvrstim tijelima izravno ovisi o vrsti materijala i njegovim svojstvima. Brzina u plinovitim medijima ovisi samo o jednoj vrsti deformacije medija: kompresiji-razrjeđivanju. Promjena tlaka u zvučnom valu događa se bez izmjene topline s okolnim česticama i naziva se adijabatska. 
Brzina zvuka u plinu uglavnom ovisi o temperaturi - raste s porastom temperature i smanjuje se s padom temperature. Također, brzina zvuka u plinovitom mediju ovisi o veličini i masi samih molekula plina - što je manja masa i veličina čestica, veća je "vodljivost" vala i, sukladno tome, veća je brzina.
U tekućim i krutim medijima, princip širenja i brzina zvuka slični su širenju vala u zraku: kompresijom-pražnjenjem. Ali u tim sredinama, osim iste ovisnosti o temperaturi, gustoća medija i njegov sastav/struktura su vrlo važni. Što je manja gustoća tvari, veća je brzina zvuka i obrnuto. Ovisnost o sastavu medija je složenija i određuje se u svakom konkretnom slučaju, uzimajući u obzir položaj i interakciju molekula/atoma.
Brzina zvuka u zraku pri t, °C 20: 343 m/s
Brzina zvuka u destiliranoj vodi pri t, °C 20: 1481 m/s
Brzina zvuka u čeliku pri t, °C 20: 5000 m/s
Stojni valovi i interferencija
Kada zvučnik stvara zvučne valove u ograničenom prostoru, neizbježno dolazi do efekta odbijanja valova od granica. Kao rezultat toga, to se najčešće događa učinak smetnje- kada se dva ili više zvučnih valova preklapaju. Posebni slučajevi pojava interferencije su nastanak: 1) udarnih valova ili 2) stojnih valova. Otkucaji valova- ovo je slučaj kada se zbrajaju valovi sličnih frekvencija i amplituda. Slika nastanka otkucaja: kada se dva vala sličnih frekvencija preklapaju. U nekom vremenskom trenutku, s takvim preklapanjem, vrhovi amplitude mogu se podudarati "u fazi", a opadanja se također mogu podudarati u "protufazi". Tako se karakteriziraju otkucaji zvuka. Važno je zapamtiti da se, za razliku od stojnih valova, fazne podudarnosti vrhova ne događaju stalno, već u određenim vremenskim intervalima. Za uho se ovaj uzorak otkucaja prilično jasno razlikuje i čuje se kao periodično povećanje odnosno smanjenje glasnoće. Mehanizam nastanka ovog efekta je krajnje jednostavan: kada se vrhovi poklope, volumen se povećava, a kada se doline poklope, volumen se smanjuje.
Stojeći valovi nastaju u slučaju superpozicije dvaju valova iste amplitude, faze i frekvencije, kada se pri "susretu" takvih valova jedan kreće u smjeru naprijed, a drugi u suprotnom smjeru. U području prostora (gdje je nastao stojni val) pojavljuje se slika superpozicije dviju amplituda frekvencija, s izmjeničnim maksimumima (tzv. antinodi) i minimumima (tzv. čvorovi). Pri pojavi ove pojave iznimno su važni frekvencija, faza i koeficijent slabljenja vala na mjestu refleksije. Za razliku od putujućih valova, kod stojnog vala nema prijenosa energije zbog činjenice da valovi naprijed i natrag koji tvore ovaj val prenose energiju u jednakim količinama i u smjeru naprijed iu suprotnom smjeru. Da bismo jasno razumjeli pojavu stojnog vala, zamislimo primjer iz kućne akustike. Recimo da imamo samostojeće sustave zvučnika u nekom ograničenom prostoru (sobi). Neka sviraju nešto s puno basa, pokušajmo promijeniti mjesto slušatelja u prostoriji. Tako će slušatelj koji se nađe u zoni minimuma (oduzimanja) stojnog vala osjetiti efekt da ima jako malo basa, a ako se nađe u zoni maksimuma (dodavanja) frekvencija, onda će suprotno postiže se učinak značajnog povećanja bas područja. U ovom slučaju, učinak se opaža u svim oktavama osnovne frekvencije. Na primjer, ako je osnovna frekvencija 440 Hz, tada će se fenomen "zbrajanja" ili "oduzimanja" također primijetiti na frekvencijama od 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz itd.
Fenomen rezonancije
Većina čvrstih tijela ima prirodnu rezonantnu frekvenciju. Vrlo je lako razumjeti ovaj efekt na primjeru obične cijevi, otvorene samo na jednom kraju. Zamislimo situaciju da je na drugi kraj cijevi spojen zvučnik koji može svirati jednu konstantnu frekvenciju, koja se kasnije može i mijenjati. Dakle, cijev ima vlastitu frekvenciju rezonancije, jednostavnim rječnikom rečeno - to je frekvencija na kojoj cijev "rezonira" ili proizvodi vlastiti zvuk. Ako se frekvencija zvučnika (kao rezultat podešavanja) podudara s frekvencijom rezonancije cijevi, tada će se pojaviti učinak povećanja glasnoće nekoliko puta. To se događa zato što zvučnik pobuđuje vibracije zračnog stupca u cijevi sa značajnom amplitudom sve dok se ne pronađe ista "rezonantna frekvencija" i pojavi se adicijski efekt. Rezultirajući fenomen može se opisati na sljedeći način: lula u ovom primjeru "pomaže" zvučniku tako što rezonira na određenoj frekvenciji, njihovi napori se zbrajaju i "rezultiraju" zvučnim glasnim efektom. Na primjeru glazbenih instrumenata ovaj se fenomen može lako uočiti, budući da dizajn većine instrumenata sadrži elemente koji se nazivaju rezonatori. 
Nije teško pogoditi što služi za pojačavanje određene frekvencije ili glazbenog tona. Na primjer: tijelo gitare s rezonatorom u obliku rupe koja se spaja s volumenom; Dizajn cijevi flaute (i svih cijevi općenito); Cilindrični oblik tijela bubnja, koji je sam rezonator određene frekvencije.
Frekvencijski spektar zvuka i frekvencijski odziv
Budući da u praksi praktički ne postoje valovi iste frekvencije, potrebno je razložiti cijeli zvučni spektar čujnog raspona na prizvuke ili harmonike. U tu svrhu postoje grafikoni koji prikazuju ovisnost relativne energije zvučnih vibracija o frekvenciji. Ovaj graf se naziva graf zvučnog frekvencijskog spektra. Frekvencijski spektar zvuka Postoje dvije vrste: diskretna i kontinuirana. Diskretni dijagram spektra prikazuje pojedinačne frekvencije odvojene prazninama. Kontinuirani spektar sadrži sve zvučne frekvencije odjednom. 
U slučaju glazbe ili akustike, najčešće se koristi uobičajeni grafikon Amplitudno-frekvencijske karakteristike(skraćeno kao "AFC"). Ovaj grafikon prikazuje ovisnost amplitude zvučnih vibracija o frekvenciji kroz cijeli frekvencijski spektar (20 Hz - 20 kHz). Gledajući takav grafikon, lako je razumjeti, na primjer, prednosti ili slabosti određenog zvučnika ili akustičnog sustava u cjelini, najjača područja izlazne energije, padove i poraste frekvencije, prigušenje, a također i pratiti strminu od opadanja.
Prostiranje zvučnih valova, faza i protufaza
Proces širenja zvučnih valova odvija se u svim smjerovima od izvora. Najjednostavniji primjer za razumijevanje ovog fenomena je kamenčić bačen u vodu. 
Od mjesta gdje je kamen pao, valovi se počinju širiti površinom vode u svim smjerovima. Međutim, zamislimo situaciju u kojoj se koristi zvučnik određene glasnoće, recimo zatvorena kutija, koja je spojena na pojačalo i pušta neku vrstu glazbenog signala. Lako je primijetiti (pogotovo ako primijenite snažan niskofrekventni signal, na primjer bas bubanj) da zvučnik čini brzi pokret "naprijed", a zatim isti brzi pokret "natrag". Ono što ostaje za razumjeti je da kada se zvučnik pomakne naprijed, emitira zvučni val koji kasnije čujemo. Ali što se događa kada se zvučnik pomakne unatrag? I paradoksalno, događa se ista stvar, zvučnik daje isti zvuk, samo što se u našem primjeru širi u potpunosti unutar volumena kutije, ne izlazeći izvan njezinih granica (kutija je zatvorena). Općenito, u gornjem primjeru može se uočiti dosta zanimljivih fizikalnih pojava, od kojih je najznačajniji koncept faze.
Zvučni val koji zvučnik, budući da je u glasnoći, emitira u smjeru slušatelja je "u fazi". Reverzni val, koji ide u volumen kutije, bit će odgovarajuće protufazan. Ostaje samo razumjeti što ti pojmovi znače? Faza signala– ovo je razina zvučnog tlaka u trenutnom trenutku u nekoj točki u prostoru. Fazu je najlakše razumjeti na primjeru reprodukcije glazbenog materijala konvencionalnim podnim stereo parom kućnih zvučnika. Zamislimo da su dva takva samostojeća zvučnika instalirana u određenoj prostoriji i sviraju. U tom slučaju oba akustična sustava reproduciraju sinkroni signal promjenjivog zvučnog tlaka, a zvučni tlak jednog zvučnika pribraja se zvučnom tlaku drugog zvučnika. Sličan učinak javlja se zbog sinkroniciteta reprodukcije signala iz lijevog i desnog zvučnika, odnosno, drugim riječima, vrhovi i najniže vrijednosti valova koje emitiraju lijevi i desni zvučnik se podudaraju.
Sada zamislimo da se zvučni tlakovi i dalje mijenjaju na isti način (nisu pretrpjeli promjene), ali samo sada su suprotni jedan drugome. To se može dogoditi ako spojite jedan sustav zvučnika od dva u obrnutom polaritetu ("+" kabel od pojačala do "-" priključka sustava zvučnika i "-" kabel od pojačala do "+" priključka zvučnika sustav zvučnika). U ovom slučaju, suprotni signal će uzrokovati razliku tlaka, koja se može predstaviti brojevima na sljedeći način: lijevi zvučnik će stvoriti tlak od "1 Pa", a desni zvučnik će stvoriti tlak od "minus 1 Pa". Kao rezultat toga, ukupna glasnoća zvuka na lokaciji slušatelja bit će nula. Ova pojava se naziva antifaza. Ako pogledamo primjer detaljnije radi razumijevanja, ispada da dva zvučnika koji sviraju "u fazi" stvaraju identična područja zbijanja i razrjeđivanja zraka, čime zapravo pomažu jedan drugome. U slučaju idealizirane protufaze, područje stlačenog zračnog prostora koji stvara jedan zvučnik bit će popraćeno područjem razrijeđenog zračnog prostora koji stvara drugi zvučnik. To otprilike izgleda kao fenomen međusobnog sinkronog poništavanja valova. Istina, u praksi glasnoća ne pada na nulu, a čut ćemo jako izobličen i oslabljen zvuk.
Najpristupačniji način da se opiše ovaj fenomen je sljedeći: dva signala s istim oscilacijama (frekvencijom), ali pomaknuta u vremenu. S obzirom na to, prikladnije je zamisliti ove pojave pomaka na primjeru običnog okruglog sata. Zamislimo da na zidu visi nekoliko identičnih okruglih satova. Kada sekundne kazaljke ovog sata idu sinkronizirano, na jednom satu 30 sekundi, a na drugom 30, onda je to primjer signala koji je u fazi. Ako se sekundne kazaljke pomiču s pomakom, ali je brzina i dalje ista, npr. na jednom satu je 30 sekundi, a na drugom 24 sekunde, onda je to klasičan primjer faznog pomaka. Na isti način, faza se mjeri u stupnjevima, unutar virtualnog kruga. U ovom slučaju, kada se signali međusobno pomaknu za 180 stupnjeva (pola razdoblja), dobiva se klasična antifaza. Često se u praksi javljaju manji fazni pomaci, koji se također mogu odrediti u stupnjevima i uspješno otkloniti.
Valovi su ravni i sferni. Fronta ravnog vala širi se samo u jednom smjeru i rijetko se susreće u praksi. Sferna valna fronta jednostavna je vrsta vala koja potječe iz jedne točke i putuje u svim smjerovima. Zvučni valovi imaju svojstvo difrakcija, tj. sposobnost zaobilaženja prepreka i predmeta. Stupanj savijanja ovisi o omjeru valne duljine zvuka i veličine prepreke ili rupe. Do difrakcije dolazi i kada postoji neka prepreka na putu zvuka. U ovom slučaju moguća su dva scenarija: 1) Ako je veličina prepreke puno veća od valne duljine, tada se zvuk reflektira ili apsorbira (ovisno o stupnju apsorpcije materijala, debljini prepreke itd.). ), a iza prepreke se formira zona “akustične sjene”. 2) Ako je veličina prepreke usporediva s valnom duljinom ili čak manja od nje, tada se zvuk difraktira u određenoj mjeri u svim smjerovima. Ako zvučni val, dok se kreće u jednom mediju, udari u sučelje s drugim medijem (na primjer, zračni medij s čvrstim medijem), tada se mogu dogoditi tri scenarija: 1) val će se reflektirati od sučelja 2) val može prijeći u drugi medij bez promjene smjera 3) val može prijeći u drugi medij s promjenom smjera na granici, to se naziva "lom vala".
Omjer prekomjernog tlaka zvučnog vala i oscilatorne volumetrijske brzine naziva se valni otpor. Jednostavnim riječima, valna impedancija medija može se nazvati sposobnošću upijanja zvučnih valova ili "otupiranja" njima. Koeficijenti refleksije i prijenosa izravno ovise o omjeru valnih impedancija dvaju medija. Otpor valova u plinovitom mediju mnogo je manji nego u vodi ili krutim tvarima. Stoga, ako zvučni val u zraku udari u čvrsti objekt ili površinu duboke vode, zvuk se ili reflektira od površine ili u velikoj mjeri apsorbira. To ovisi o debljini površine (vode ili krutine) na koju pada željeni zvučni val. Kada je debljina krutog ili tekućeg medija mala, zvučni valovi gotovo potpuno "prolaze", i obrnuto, kada je debljina medija velika, valovi se češće odbijaju. U slučaju refleksije zvučnih valova, ovaj se proces odvija prema dobro poznatom fizikalnom zakonu: "Upadni kut jednak je kutu refleksije." U tom slučaju, kada val iz medija manje gustoće udari u granicu s medijem veće gustoće, javlja se pojava refrakcija. Sastoji se od savijanja (loma) zvučnog vala nakon "susreta" s preprekom, a nužno je popraćeno promjenom brzine. Refrakcija ovisi i o temperaturi medija u kojem dolazi do refleksije.
U procesu širenja zvučnih valova u prostoru njihov intenzitet neizbježno opada, možemo reći da valovi slabe i zvuk slabi. U praksi je vrlo jednostavno naići na sličan učinak: na primjer, ako dvoje ljudi stoje u polju na nekoj bliskoj udaljenosti (metar ili bliže) i počnu nešto govoriti jedan drugome. Ako naknadno povećate udaljenost između ljudi (ako se počnu udaljavati jedni od drugih), ista će se razina glasnoće razgovora sve manje čuti. Ovaj primjer jasno pokazuje fenomen smanjenja intenziteta zvučnih valova. Zašto se ovo događa? Razlog tome su različiti procesi izmjene topline, molekularne interakcije i unutarnje trenje zvučnih valova. Najčešće se u praksi zvučna energija pretvara u toplinsku. Takvi se procesi neizbježno javljaju u bilo kojem od 3 medija za širenje zvuka i mogu se okarakterizirati kao apsorpcija zvučnih valova.
Intenzitet i stupanj apsorpcije zvučnih valova ovisi o mnogim čimbenicima, kao što su tlak i temperatura medija. Apsorpcija također ovisi o specifičnoj frekvenciji zvuka. Kada se zvučni val širi kroz tekućine ili plinove, dolazi do efekta trenja između različitih čestica, što se naziva viskoznost. Kao rezultat ovog trenja na molekularnoj razini dolazi do procesa pretvaranja vala iz zvuka u toplinu. Drugim riječima, što je toplinska vodljivost medija veća, to je manji stupanj apsorpcije valova. Apsorpcija zvuka u plinovitim medijima također ovisi o tlaku (atmosferski tlak se mijenja s povećanjem nadmorske visine u odnosu na razinu mora). Što se tiče ovisnosti stupnja apsorpcije o frekvenciji zvuka, uzimajući u obzir gore navedene ovisnosti o viskoznosti i toplinskoj vodljivosti, što je veća frekvencija zvuka, veća je i apsorpcija zvuka. Na primjer, pri normalnoj temperaturi i tlaku u zraku, apsorpcija vala frekvencije 5000 Hz iznosi 3 dB/km, a apsorpcija vala frekvencije 50 000 Hz bit će 300 dB/m.
U krutim medijima sve gore navedene ovisnosti (toplinska vodljivost i viskoznost) su sačuvane, ali tome je dodano još nekoliko uvjeta. Oni su povezani s molekularnom strukturom čvrstih materijala, koja može biti različita, sa svojim nehomogenostima. Ovisno o toj unutarnjoj čvrstoj molekularnoj strukturi, apsorpcija zvučnih valova u ovom slučaju može biti različita, a ovisi o vrsti konkretnog materijala. Kada zvuk prolazi kroz čvrsto tijelo, val prolazi kroz niz transformacija i izobličenja, što najčešće dovodi do disperzije i apsorpcije zvučne energije. Na molekularnoj razini može doći do dislokacijskog učinka kada zvučni val uzrokuje pomicanje atomskih ravnina koje se zatim vraćaju u svoj prvobitni položaj. Ili, kretanje dislokacija dovodi do sudara s dislokacijama okomitim na njih ili defektima u kristalnoj strukturi, što uzrokuje njihovu inhibiciju i, kao posljedicu, određenu apsorpciju zvučnog vala. Međutim, zvučni val također može rezonirati s tim nedostacima, što će dovesti do izobličenja izvornog vala. Energija zvučnog vala u trenutku interakcije s elementima molekularne strukture materijala raspršuje se kao rezultat procesa unutarnjeg trenja.
U ovom ću članku pokušati analizirati značajke ljudske slušne percepcije i neke od suptilnosti i značajki širenja zvuka.
Grmljavina, glazba, zvuk surfanja, ljudski govor i sve ostalo što čujemo je zvuk. Što je "zvuk"?
Izvor slike: pixabay.com
Zapravo, sve što smo navikli smatrati zvukom samo je jedna od vrsta vibracija (zraka) koje naš mozak i organi mogu percipirati.
Kakva je priroda zvuka
Svi zvukovi koji se šire zrakom su vibracije zvučnog vala. Nastaje vibracijom objekta i odvaja se od svog izvora u svim smjerovima. Vibrirajući objekt komprimira molekule u okolini i zatim stvara razrijeđenu atmosferu, uzrokujući da se molekule sve više odbijaju. Dakle, promjene tlaka zraka šire se dalje od objekta, same molekule ostaju u nepromijenjenom položaju za sebe.
Učinak zvučnih valova na bubnjić. Izvor slike: prd.go.th
Dok zvučni val putuje kroz prostor, on se odbija od objekata na svom putu, stvarajući promjene u okolnom zraku. Kada te promjene dođu do vašeg uha i utječu na bubnjić, živčani završeci šalju signal mozgu, a vi te vibracije doživljavate kao zvuk.
Osnovne karakteristike zvučnog vala
Najjednostavniji oblik zvučnog vala je sinusni val. Sinusni valovi u svom čistom obliku rijetko se nalaze u prirodi, ali s njima treba započeti proučavanje fizike zvuka, jer se bilo koji zvukovi mogu rastaviti na kombinaciju sinusnih valova.
Sinusni val jasno pokazuje tri glavna fizikalna kriterija zvuka - frekvenciju, amplitudu i fazu.
Frekvencija
Što je niža frekvencija vibracija, to je niži zvuk, Izvor slike: ReasonGuide.Ru
Frekvencija je veličina koja karakterizira broj titraja u sekundi. Mjeri se u broju perioda titranja ili u hercima (Hz). Ljudsko uho može percipirati zvuk u rasponu od 20 Hz (niske frekvencije) do 20 KHz (visoke frekvencije). Zvukovi iznad ovog raspona nazivaju se ultrazvuk, a ispod - infrazvuk, te ih ljudski sluh ne percipira.
Amplituda
Što je veća amplituda zvučnog vala, zvuk je glasniji.
Koncept amplitude (ili intenziteta) zvučnog vala odnosi se na snagu zvuka koju ljudski sluh osjeća kao glasnoću ili glasnoću zvuka. Ljudi mogu percipirati prilično širok raspon glasnoće zvuka: od slavine koja kaplje u mirnom stanu do glazbe koja svira na koncertu. Za mjerenje glasnoće koriste se fonometri (mjereni u decibelima), koji koriste logaritamsku ljestvicu kako bi mjerenja bila praktičnija.
Faza zvučnog vala
Faze zvučnog vala. Izvor slike: Muz-Flame.ru
Koristi se za opisivanje svojstava dva zvučna vala. Ako dva vala imaju istu amplitudu i frekvenciju, tada se kaže da su dva zvučna vala u fazi. Faza se mjeri od 0 do 360, gdje je 0 vrijednost koja označava da su dva zvučna vala sinkrona (u fazi), a 180 je vrijednost koja označava da su valovi suprotni jedan drugom (izvan faze). Kada su dva zvučna vala u fazi, dva se zvuka preklapaju i signali se međusobno pojačavaju. Kada se spoje dva signala koji se ne podudaraju po amplitudi, zbog razlike u tlaku dolazi do potiskivanja signala, što dovodi do nultog rezultata, odnosno nestanka zvuka. Ovaj fenomen poznat je kao "potiskivanje faze".
Kada se kombiniraju dva identična audio signala, poništavanje faze može postati ozbiljan problem, a veliki problem predstavlja i kombiniranje izvornog zvučnog vala s valom reflektiranim od površina u akustičnoj prostoriji. Na primjer, kada se lijevi i desni kanal stereo miksete kombiniraju kako bi se proizvela skladna snimka, signal može patiti od poništavanja faze.
Što je decibel?
Decibeli mjere razinu zvučnog tlaka ili električnog napona. Ovo je jedinica koja pokazuje međusobni omjer dviju različitih veličina. Bel (nazvan po američkom znanstveniku Alexanderu Bellu) je decimalni logaritam koji odražava međusobni omjer dvaju različitih signala. To znači da je za svaki sljedeći znak na ljestvici primljeni signal deset puta jači. Na primjer, zvučni tlak glasnog zvuka je milijardama puta veći od tlaka tihog zvuka. Kako bi prikazali tako velike vrijednosti, počeli su koristiti relativnu vrijednost decibela (dB) - pri čemu je 1,000,000,000 bilo 109, ili jednostavno 9. Usvajanje ove vrijednosti od strane fizičara i akustičara omogućilo je praktičniji rad s velikim brojevima .
Skala glasnoće za različite zvukove. Izvor slike: Nauet.ru
U praksi, bel je prevelika jedinica za mjerenje razine zvuka, pa je umjesto njega korišten decibel, koji je jedna desetina bela. Ne može se reći da je korištenje decibela umjesto belova kao korištenje, recimo, centimetara umjesto metara za označavanje veličine cipela; beli i decibeli su relativne vrijednosti.
Iz navedenog je jasno da se razina zvuka obično mjeri u decibelima. Neki standardi razine zvuka koriste se u akustici dugi niz godina, od izuma telefona do danas. Većina ovih standarda je teško primjenjiva u odnosu na suvremenu opremu, koriste se samo za zastarjelu opremu. Danas oprema u studijima za snimanje i emitiranje koristi jedinicu kao što je dBu (decibel u odnosu na razinu od 0,775 V), au kućnoj opremi - dBV (decibel mjeren u odnosu na razinu od 1 V). Digitalna audio oprema koristi dBFS (puna skala decibela) za mjerenje zvučne snage.
dBm– "m" označava milivate (mW), mjernu jedinicu koja se koristi za označavanje električne snage. Potrebno je razlikovati snagu od električnog napona, iako su ova dva pojma međusobno blisko povezana. Mjerna jedinica dBm počela se koristiti u zoru uvođenja telefonskih komunikacija, a danas se koristi iu profesionalnoj opremi.
dBu- u ovom slučaju, napon se mjeri (umjesto snage) u odnosu na referentnu nultu razinu; 0,75 volti se smatra referentnom razinom. Kada radite s modernom profesionalnom audio opremom, dBu se zamjenjuje dBm. U prošlosti je bilo prikladnije koristiti dBu kao mjernu jedinicu u području audiotehnike, kada je za procjenu jačine signala bilo važnije računati električnu snagu nego napon.
dBV– ova se mjerna jedinica također temelji na referentnoj nultoj razini (kao u slučaju dBu), međutim, 1 V se uzima kao referentna razina, što je prikladnije od brojke od 0,775 V. Ova jedinica mjerenja zvuka je često se koristi za kućansku i poluprofesionalnu audio opremu.
dBFS– ova ocjena razine signala naširoko se koristi u digitalnom audio inženjerstvu i jako se razlikuje od gore navedenih mjernih jedinica. FS (full scale) je puna skala koja se koristi jer je, za razliku od analognog audio signala, koji ima optimalan napon, cijeli raspon digitalnih vrijednosti jednako prihvatljiv pri radu s digitalnim signalom. 0 dBFS je najveća moguća razina digitalnog audio signala koji se može snimiti bez izobličenja. Analogni mjerni standardi kao što su dBu i dBV nemaju dinamički raspon iznad 0 dBFS.
Ako vam se svidio članak, Kao I pretplatite se na kanal NAUČPOP . Ostanite s nama, prijatelji! Puno je zanimljivih stvari pred nama!
Zvuk su mehaničke vibracije koje se šire u elastičnom materijalnom mediju prvenstveno u obliku uzdužnih valova.
U vakuumu se zvuk ne širi jer je za prijenos zvuka potreban materijalni medij i mehanički kontakt između čestica materijalnog medija.
U mediju zvuk putuje u obliku zvučnih valova. Zvučni valovi su mehaničke vibracije koje se prenose u mediju pomoću njegovih uvjetnih čestica. Uobičajene čestice medija označavaju njegove mikrovolumene.
Osnovne fizikalne karakteristike akustičnog vala:
1. Učestalost.
Frekvencija zvučni val je veličina jednak broju potpunih oscilacija u jedinici vremena. Označeno simbolom v (gol) i izmjereno u hercima. 1 Hz = 1 broj/sek = [s -1].
Ljestvica zvučnih vibracija podijeljena je na sljedeće frekvencijske intervale:
· infrazvuk (od 0 do 16 Hz);
· zvučni zvuk (od 16 do 16 000 Hz);
· ultrazvuk (preko 16 000 Hz).
Frekvencija zvučnog vala usko je povezana s njegovom inverznom veličinom – periodom zvučnog vala. Razdoblje Zvučni val je vrijeme jednog potpunog titraja čestica medija. Određeni T i mjeri se u sekundama [s].
Prema smjeru titranja čestica medija koje prenose zvučni val, zvučni valovi se dijele na:
· uzdužni;
· poprečno.
Za longitudinalne valove, smjer titranja čestica medija poklapa se sa smjerom širenja zvučnog vala u mediju (slika 1).
Za transverzalne valove, smjerovi titranja čestica medija su okomiti na smjer širenja zvučnog vala (slika 2).
Riža. 1 sl. 2
Longitudinalni valovi se šire u plinovima, tekućinama i čvrstim tijelima. Poprečno - samo u čvrstim tvarima.
3. Oblik vibracija.
Prema obliku vibracija zvučni valovi se dijele na:
· jednostavni valovi;
složeni valovi.
Graf jednostavnog vala je sinusni val.
Graf kompleksnog vala je svaka periodična nesinusoidalna krivulja .
4. Valna duljina.
Valna duljina je količina jednaka udaljenosti koju zvučni val prijeđe u vremenu jednakom jednoj periodi. Označava se λ (lambda) i mjeri se u metrima (m), centimetrima (cm), milimetrima (mm), mikrometrima (µm).
Valna duljina ovisi o mediju u kojem zvuk putuje.
5. Brzina zvučnog vala.
Brzina zvučnog vala je brzina širenja zvuka u mediju sa stacionarnim izvorom zvuka. Označava se simbolom v, izračunava se formulom:
Brzina zvučnog vala ovisi o vrsti medija i temperaturi. Brzina zvuka najveća je u čvrstim elastičnim tijelima, manja u tekućinama, a najmanja u plinovima.
zrak, normalni atmosferski tlak, temperatura - 20 stupnjeva, v = 342 m/s;
voda, temperatura 15-20 stupnjeva, v = 1500 m/s;
metali, v = 5000-10000 m/s.
Brzina zvuka u zraku povećava se za oko 0,6 m/s s porastom temperature od 10 stupnjeva.
