Robte zvukové vlny. Prečo sa objavuje zvuková vlna? Zvukové ozvučenie hlbín

Zvuk sú zvukové vlny, ktoré spôsobujú vibrácie najmenších častíc vzduchu, iných plynov, ako aj kvapalných a pevných médií. Zvuk sa môže vyskytnúť len tam, kde je hmota, bez ohľadu na to, v akom stave hmoty sa nachádza. Vo vákuu, kde nie je žiadne médium, sa zvuk nešíri, pretože tam nie sú žiadne častice, ktoré fungujú ako šíriče zvukových vĺn. Napríklad vo vesmíre. Zvuk možno upravovať, upravovať, premieňať na iné formy energie. Zvuk premenený na rádiové vlny alebo elektrickú energiu sa tak môže prenášať na veľké vzdialenosti a zaznamenávať na informačné médiá.

Zvuková vlna

Pohyby predmetov a telies takmer vždy spôsobujú vibrácie v prostredí. Je jedno, či je to voda alebo vzduch. Pri tom začnú oscilovať aj častice média, na ktoré sa prenášajú vibrácie tela. Vznikajú zvukové vlny. Okrem toho sa pohyby vykonávajú v smere dopredu a dozadu, pričom sa postupne nahrádzajú. Preto je zvuková vlna pozdĺžna. Nikdy v nej nedochádza k priečnemu pohybu hore a dole.

Charakteristika zvukových vĺn

Ako každý fyzikálny jav majú svoje vlastné hodnoty, pomocou ktorých môžete opísať vlastnosti. Hlavnými charakteristikami zvukovej vlny sú jej frekvencia a amplitúda. Prvá hodnota ukazuje, koľko vĺn sa vytvorí za sekundu. Druhý určuje silu vlny. Nízkofrekvenčné zvuky majú nízke frekvenčné hodnoty a naopak. Frekvencia zvuku sa meria v Hertzoch a ak presiahne 20 000 Hz, objaví sa ultrazvuk. Príkladov nízkofrekvenčných a vysokofrekvenčných zvukov v prírode a vo svete okolo nás je dosť. Cvrlikanie slávika, hukot hromu, hukot horskej rieky a iné, to všetko sú rôzne zvukové frekvencie. Hodnota amplitúdy vlny priamo závisí od toho, aký hlasný je zvuk. Hlasitosť sa naopak znižuje, keď sa vzďaľujete od zdroja zvuku. V súlade s tým je amplitúda tým menšia, čím je vlna ďalej od epicentra. Inými slovami, amplitúda zvukovej vlny klesá so vzdialenosťou od zdroja zvuku.

Rýchlosť zvuku

Tento indikátor zvukovej vlny je priamo závislý od charakteru prostredia, v ktorom sa šíri. Významnú úlohu tu zohráva aj vlhkosť a teplota. Pri priemerných poveternostných podmienkach je rýchlosť zvuku približne 340 metrov za sekundu. Vo fyzike existuje niečo ako nadzvuková rýchlosť, ktorá má vždy väčšiu hodnotu ako rýchlosť zvuku. Ide o rýchlosť, ktorou sa pri pohybe lietadla šíria zvukové vlny. Lietadlo sa pohybuje nadzvukovou rýchlosťou a dokonca prekonáva zvukové vlny, ktoré vytvára. V dôsledku postupne sa zvyšujúceho tlaku za lietadlom vzniká rázová zvuková vlna. Zaujímavé a málokto pozná jednotku merania takejto rýchlosti. Volá sa Mach. Mach 1 sa rovná rýchlosti zvuku. Ak sa vlna pohybuje rýchlosťou 2 Mach, potom sa pohybuje dvakrát rýchlejšie ako rýchlosť zvuku.

Hluky

V každodennom živote sú neustále zvuky. Hladina hluku sa meria v decibeloch. Pohyb áut, vietor, šuchot lístia, prelínanie sa hlasov ľudí a iné zvukové ruchy sú našimi každodennými spoločníkmi. Ale ľudský sluchový analyzátor má schopnosť zvyknúť si na takéto zvuky. Sú však aj také javy, s ktorými si nevedia poradiť ani adaptačné schopnosti ľudského ucha. Napríklad hluk presahujúci 120 dB môže spôsobiť pocit bolesti. Najhlasnejšie zviera je modrá veľryba. Keď vydáva zvuky, je počuť na vzdialenosť viac ako 800 kilometrov.

Echo

Ako vzniká ozvena? Všetko je tu veľmi jednoduché. Zvuková vlna má schopnosť odrážať sa od rôznych povrchov: od vody, od skál, od stien v prázdnej miestnosti. Táto vlna sa k nám vracia, takže počujeme sekundárny zvuk. Nie je taký jasný ako pôvodný, pretože časť energie zvukovej vlny sa pri pohybe smerom k prekážke rozptýli.

Echolokácia

Odraz zvuku sa používa na rôzne praktické účely. Napríklad echolokácia. Vychádza z toho, že pomocou ultrazvukových vĺn je možné určiť vzdialenosť k objektu, od ktorého sa tieto vlny odrážajú. Výpočty sa vykonávajú meraním času, za ktorý ultrazvuk dosiahne miesto a vráti sa späť. Mnoho zvierat má schopnosť echolokácie. Napríklad netopiere, delfíny ho používajú na hľadanie potravy. Echolokácia našla ďalšie uplatnenie v medicíne. V štúdiách s použitím ultrazvuku sa vytvára obraz vnútorných orgánov človeka. Táto metóda je založená na skutočnosti, že ultrazvuk, ktorý sa dostane do iného média ako vzduch, sa vracia späť a vytvára tak obraz.

Zvukové vlny v hudbe

Prečo hudobné nástroje vydávajú určité zvuky? Gitarové trsátka, melódie klavíra, nízke tóny bicích a trúbok, očarujúci tenký hlas flauty. Všetky tieto a mnohé ďalšie zvuky vznikajú v dôsledku vibrácií vo vzduchu, alebo inými slovami, v dôsledku objavenia sa zvukových vĺn. Prečo je však zvuk hudobných nástrojov taký rôznorodý? Ukazuje sa, že to závisí od viacerých faktorov. Prvým je tvar nástroja, druhým materiál, z ktorého je vyrobený.

Pozrime sa na príklad sláčikových nástrojov. Stávajú sa zdrojom zvuku pri dotyku strún. V dôsledku toho začnú produkovať vibrácie a vysielať do okolia rôzne zvuky. Nízky zvuk akéhokoľvek strunového nástroja je spôsobený väčšou hrúbkou a dĺžkou struny, ako aj slabosťou jej napätia. Naopak, čím silnejšie je struna natiahnutá, čím je tenšia a kratšia, tým vyšší je zvuk získaný hraním.

Akcia mikrofónu

Je založená na premene energie zvukových vĺn na elektrickú energiu. V tomto prípade je sila prúdu a charakter zvuku v priamej úmere. Vo vnútri každého mikrofónu je tenká doska vyrobená z kovu. Keď je vystavený zvuku, začne robiť oscilačné pohyby. Špirála, ku ktorej je doska pripojená, tiež vibruje, výsledkom čoho je elektrický prúd. Prečo sa objavuje? Mikrofón má totiž zabudované aj magnety. Pri kmitaní špirály medzi jej pólmi vzniká elektrický prúd, ktorý ide po špirále a následne do zvukového stĺpca (reproduktor) alebo do zariadenia na záznam na informačné médium (na kazetu, disk, počítač). Mimochodom, podobnú štruktúru má mikrofón v telefóne. Ako však fungujú mikrofóny na pevných linkách a mobilných telefónoch? Počiatočná fáza je pre nich rovnaká – zvuk ľudského hlasu prenáša svoje vibrácie na platňu mikrofónu, potom už všetko prebieha podľa vyššie opísaného scenára: špirála, ktorá pri pohybe uzavrie dva póly, vznikne prúd. Čo bude ďalej? Pri pevnom telefóne je všetko viac-menej jasné - ako v mikrofóne, zvuk, prevedený na elektrický prúd, prechádza cez drôty. Ale čo mobil alebo napríklad vysielačka? V týchto prípadoch sa zvuk premení na energiu rádiových vĺn a zasiahne satelit. To je všetko.

Rezonančný jav

Niekedy sa takéto podmienky vytvárajú, keď sa amplitúda kmitov fyzického tela prudko zvyšuje. Je to spôsobené konvergenciou hodnôt frekvencie vynútených kmitov a vlastnej frekvencie kmitov objektu (tela). Rezonancia môže byť prospešná aj škodlivá. Napríklad pri vyslobodzovaní auta z diery sa naštartuje a zatlačí tam a späť, aby vyvolalo rezonanciu a dodalo autu hybnosť. Ale boli aj prípady negatívnych dôsledkov rezonancie. Napríklad v Petrohrade sa asi pred sto rokmi zrútil most pod synchronizovanými pochodujúcimi vojakmi.

Táto lekcia sa zaoberá témou „Zvukové vlny“. V tejto lekcii budeme pokračovať v štúdiu akustiky. Najprv si zopakujeme definíciu zvukových vĺn, potom zvážime ich frekvenčné rozsahy a zoznámime sa s pojmom ultrazvukové a infrazvukové vlny. Tiež si rozoberieme vlastnosti zvukových vĺn v rôznych médiách a zistíme, aké vlastnosti majú. .

Zvukové vlny - ide o mechanické vibrácie, ktoré sa šíria a sú v interakcii s orgánom sluchu, ktoré človek vníma (obr. 1).

Ryža. 1. Zvuková vlna

Časť, ktorá sa vo fyzike zaoberá týmito vlnami, sa nazýva akustika. Profesiou ľudí, ktorí sa bežne nazývajú „počujúci“, je akustika. Zvuková vlna je vlna šíriaca sa v elastickom prostredí, je to pozdĺžna vlna a pri jej šírení v elastickom prostredí sa strieda stláčanie a riedenie. Prenáša sa v priebehu času na vzdialenosť (obr. 2).

Ryža. 2. Šírenie zvukovej vlny

Zvukové vlny zahŕňajú také vibrácie, ktoré sa vykonávajú s frekvenciou 20 až 20 000 Hz. Tieto frekvencie zodpovedajú vlnovým dĺžkam 17 m (pre 20 Hz) a 17 mm (pre 20 000 Hz). Tento rozsah sa bude nazývať počuteľný zvuk. Tieto vlnové dĺžky sú uvedené pre vzduch, rýchlosť šírenia zvuku sa rovná.

Existujú aj také rozsahy, ktorým sa venujú akustici - infrazvuk a ultrazvuk. Infrazvukové sú tie, ktoré majú frekvenciu menšiu ako 20 Hz. A ultrazvukové sú tie, ktoré majú frekvenciu vyššiu ako 20 000 Hz (obr. 3).

Ryža. 3. Rozsahy zvukových vĺn

Každý vzdelaný človek by sa mal orientovať vo frekvenčnom rozsahu zvukových vĺn a vedieť, že ak pôjde na ultrazvukové vyšetrenie, obraz na obrazovke počítača sa vytvorí s frekvenciou viac ako 20 000 Hz.

ultrazvuk - Ide o mechanické vlny podobné zvukovým vlnám, ale s frekvenciou 20 kHz až miliarda hertzov.

Volajú sa vlny s frekvenciou viac ako miliarda hertzov hypersonický.

Ultrazvuk sa používa na detekciu defektov odliatkov. Prúd krátkych ultrazvukových signálov je nasmerovaný na testovanú časť. V miestach, kde nie sú žiadne závady, signály prechádzajú cez diel bez toho, aby ich prijímač zaregistroval.

Ak je v časti prasklina, vzduchová dutina alebo iná nehomogenita, ultrazvukový signál sa od nej odráža a vracia sa do prijímača. Takáto metóda sa nazýva ultrazvuková detekcia defektov.

Ďalšími príkladmi využitia ultrazvuku sú ultrazvukové prístroje, ultrazvukové prístroje, ultrazvuková terapia.

Infrazvuk - mechanické vlny podobné zvukovým vlnám, ale s frekvenciou menšou ako 20 Hz. Nie sú vnímané ľudským uchom.

Prirodzenými zdrojmi infrazvukových vĺn sú búrky, cunami, zemetrasenia, hurikány, sopečné erupcie, búrky.

Infrazvuk sú tiež dôležité vlny, ktoré sa používajú na rozvibrovanie povrchu (napríklad na ničenie niektorých veľkých predmetov). Spustíme infrazvuk do pôdy – a pôda sa rozdrví. Kde sa to používa? Napríklad v diamantových baniach, kde berú rudu, ktorá obsahuje diamantové zložky a rozdrvia ju na malé častice, aby našli tieto diamantové inklúzie (obr. 4).

Ryža. 4. Aplikácia infrazvuku

Rýchlosť zvuku závisí od podmienok prostredia a teploty (obr. 5).

Ryža. 5. Rýchlosť šírenia zvukových vĺn v rôznych prostrediach

Poznámka: vo vzduchu sa rýchlosť zvuku rovná , zatiaľ čo rýchlosť sa zvyšuje o . Ak ste výskumník, takéto znalosti vám môžu byť užitočné. Môžete dokonca prísť s nejakým druhom teplotného senzora, ktorý bude detekovať teplotné rozdiely zmenou rýchlosti zvuku v médiu. Už vieme, že čím je médium hustejšie, tým závažnejšia je interakcia medzi časticami média, tým rýchlejšie sa vlna šíri. Diskutovali sme o tom v poslednom odseku na príklade suchého vzduchu a vlhkého vzduchu. Pre vodu rýchlosť šírenia zvuku. Ak vytvoríte zvukovú vlnu (klopanie na ladičku), rýchlosť jej šírenia vo vode bude 4-krát väčšia ako vo vzduchu. Po vode sa informácie dostanú 4-krát rýchlejšie ako vzduchom. A ešte rýchlejšie v oceli: (obr. 6).

Ryža. 6. Rýchlosť šírenia zvukovej vlny

Viete z eposov, ktoré použil Iľja Muromec (a všetci hrdinovia a obyčajní ruskí ľudia a chlapci z Gajdarskej revolučnej vojenskej rady), použili veľmi zaujímavý spôsob, ako odhaliť objekt, ktorý sa blíži, no stále je ďaleko. Zvuk, ktorý vydáva pri pohybe, ešte nie je počuť. Ilya Muromets s uchom priloženým k zemi ju počuje. prečo? Zvuk sa totiž prenáša po pevnej zemi vyššou rýchlosťou, čo znamená, že sa rýchlejšie dostane k uchu Ilju Murometsa a ten sa bude môcť pripraviť na stretnutie s nepriateľom.

Najzaujímavejšie zvukové vlny sú hudobné zvuky a zvuky. Aké predmety môžu vytvárať zvukové vlny? Ak vezmeme zdroj vĺn a elastické médium, ak zdroj zvuku prinútime harmonicky vibrovať, potom budeme mať nádhernú zvukovú vlnu, ktorá sa bude nazývať hudobný zvuk. Týmito zdrojmi zvukových vĺn môžu byť napríklad struny gitary alebo klavíra. Môže to byť zvuková vlna, ktorá sa vytvára v medzere vzduchového potrubia (orgánu alebo píšťaly). Z hudobnej výchovy poznáte noty: do, re, mi, fa, salt, la, si. V akustike sa nazývajú tóny (obr. 7).

Ryža. 7. Hudobné tóny

Všetky položky, ktoré môžu vydávať tóny, budú mať funkcie. Ako sa líšia? Líšia sa vlnovou dĺžkou a frekvenciou. Ak tieto zvukové vlny nie sú vytvorené harmonicky znejúcimi telesami alebo nie sú spojené do spoločnej orchestrálnej skladby, potom sa takýto počet zvukov nazýva hluk.

Hluk- náhodné výkyvy rôzneho fyzikálneho charakteru, vyznačujúce sa zložitosťou časovej a spektrálnej štruktúry. Pojem hluk je každodenný a je fyzikálny, sú si veľmi podobné, a preto ho uvádzame ako samostatný dôležitý predmet úvahy.

Prejdime ku kvantitatívnym odhadom zvukových vĺn. Aké sú vlastnosti hudobných zvukových vĺn? Tieto charakteristiky platia výlučne pre harmonické zvukové vibrácie. takže, hlasitosť zvuku. Čo určuje hlasitosť zvuku? Uvažujme o šírení zvukovej vlny v čase alebo kmitoch zdroja zvukových vĺn (obr. 8).

Ryža. 8. Hlasitosť zvuku

Zároveň, ak sme do systému nepridali veľa zvuku (napríklad jemne udreli na klávesu klavíra), bude to tichý zvuk. Ak nahlas, zdvihneme ruku vysoko, zavoláme tento zvuk stlačením klávesu, dostaneme hlasný zvuk. Od čoho to závisí? Tiché zvuky majú menšie vibrácie ako hlasné zvuky.

Ďalšou dôležitou charakteristikou hudobného zvuku a akéhokoľvek iného je výška. Čo určuje výšku zvuku? Výška závisí od frekvencie. Môžeme prinútiť zdroj, aby osciloval často, alebo ho môžeme prinútiť, aby osciloval nie príliš rýchlo (to znamená, že za jednotku času urobil menej kmitov). Zvážte časový priebeh vysokého a nízkeho zvuku rovnakej amplitúdy (obr. 9).

Ryža. 9. Smola

Dá sa vyvodiť zaujímavý záver. Ak človek spieva v base, tak jeho zdroj zvuku (to sú hlasivky) kolíše niekoľkonásobne pomalšie ako u človeka, ktorý spieva soprán. V druhom prípade hlasivky vibrujú častejšie, a preto častejšie spôsobujú ohniská kompresie a zriedenia pri šírení vlny.

Existuje ďalšia zaujímavá charakteristika zvukových vĺn, ktorú fyzici neštudujú. to timbre. Poznáte a ľahko rozlíšite rovnakú hudobnú skladbu hranú na balalajke alebo na violončele. Aký je rozdiel medzi týmito zvukmi alebo týmto výkonom? Na začiatku experimentu sme požiadali ľudí, ktorí produkujú zvuky, aby mali približne rovnakú amplitúdu, aby bola hlasitosť zvuku rovnaká. Je to ako v prípade orchestra: ak nie je potrebné vyčleniť nástroj, všetci hrajú približne rovnako, rovnakou silou. Takže zafarbenie balalajky a violončela je odlišné. Ak by sme nakreslili zvuk, ktorý je extrahovaný z jedného nástroja, z druhého, pomocou diagramov, potom by boli rovnaké. Ale tieto nástroje ľahko rozoznáte podľa zvuku.

Ďalší príklad dôležitosti zafarbenia. Predstavte si dvoch spevákov, ktorí vyštudujú rovnakú hudobnú školu s rovnakými učiteľmi. Učili sa rovnako dobre s piatakmi. Z nejakého dôvodu sa jeden stáva vynikajúcim umelcom, zatiaľ čo druhý je celý život nespokojný so svojou kariérou. V skutočnosti je to určené výlučne ich nástrojom, ktorý spôsobuje v prostredí len vibrácie hlasu, to znamená, že ich hlasy sa líšia farbou.

Bibliografia

1. Sokolovič Yu.A., Bogdanova G.S. Fyzika: referenčná kniha s príkladmi riešenia problémov. - Redistribúcia 2. vydania. - X .: Vesta: vydavateľstvo "Ranok", 2005. - 464 s.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Physics. 9. ročník: učebnica pre všeobecné vzdelávanie. inštitúcie / A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. - 14. vyd., stereotyp. - M.: Drop, 2009. - 300 s.

1. Internetový portál "eduspb.com" ()
2. Internetový portál "msk.edu.ua" ()
3. Internetový portál "class-fizika.narod.ru" ()

Domáca úloha

1. Ako sa šíri zvuk? Čo môže byť zdrojom zvuku?
2. Môže zvuk cestovať vesmírom?
3. Je ním vnímaná každá vlna, ktorá dosiahne ľudské ucho?

18. február 2016

Svet domácej zábavy je dosť pestrý a môže zahŕňať: sledovanie filmu na dobrom systéme domáceho kina; zábavné a návykové hranie alebo počúvanie hudby. Spravidla si v tejto oblasti každý nájde to svoje, prípadne skombinuje všetko naraz. Ale bez ohľadu na to, aké ciele má človek pri organizovaní voľného času a do akého extrému sa dostane, všetky tieto prepojenia pevne spája jedno jednoduché a zrozumiteľné slovo – „zvuk“. Naozaj, vo všetkých týchto prípadoch nás bude viesť zvuková stopa. Táto otázka však nie je taká jednoduchá a triviálna, najmä v prípadoch, keď existuje túžba dosiahnuť vysokokvalitný zvuk v miestnosti alebo v iných podmienkach. Na to nie je vždy potrebné kupovať drahé hi-fi alebo hi-end komponenty (aj keď to bude veľmi užitočné), ale postačia dobré znalosti fyzikálnej teórie, ktoré môžu eliminovať väčšinu problémov, ktoré nastanú pre každého ktorý si dal za cieľ získať kvalitný hlasový prejav.

Ďalej sa budeme zaoberať teóriou zvuku a akustiky z hľadiska fyziky. V tomto prípade sa ho pokúsim čo najviac sprístupniť pre pochopenie každého človeka, ktorý má možno ďaleko od poznania fyzikálnych zákonov či vzorcov, no napriek tomu vášnivo sníva o realizácii sna o vytvorení dokonalej akustiky. systém. Nedovolím si tvrdiť, že na dosiahnutie dobrých výsledkov v tejto oblasti doma (alebo napr. v aute) je potrebné tieto teórie dôkladne poznať, avšak pochopením základov sa vyhnete mnohým hlúpym a absurdným chybám, ako aj umožní aby ste dosiahli maximálny zvukový efekt zo systému.akákoľvek úroveň.

Všeobecná zvuková teória a hudobná terminológia

Čo je zvuk? Toto je vnem, ktorý vníma sluchový orgán. "ucho"(fenomén sám o sebe existuje aj bez účasti „ucha“ v procese, ale je to ľahšie pochopiteľné), ku ktorému dochádza, keď je ušný bubienok vzrušený zvukovou vlnou. Ucho v tomto prípade funguje ako „prijímač“ zvukových vĺn rôznych frekvencií.
Zvuková vlna Ide vlastne o sekvenčný rad tesnení a riedenia média (najčastejšie vzdušného prostredia za normálnych podmienok) rôznych frekvencií. Charakter zvukových vĺn je oscilačný, spôsobený a produkovaný vibráciou akýchkoľvek telies. Vznik a šírenie klasickej zvukovej vlny je možné v troch elastických prostrediach: plynnom, kvapalnom a pevnom. Keď sa v jednom z týchto typov priestoru vyskytne zvuková vlna, v samotnom médiu nevyhnutne nastanú určité zmeny, napríklad zmena hustoty alebo tlaku vzduchu, pohyb častíc vzdušných hmôt atď.

Pretože zvuková vlna má oscilačnú povahu, má takú charakteristiku, ako je frekvencia. Frekvencia merané v hertzoch (na počesť nemeckého fyzika Heinricha Rudolfa Hertza) a označuje počet vibrácií za časové obdobie rovnajúce sa jednej sekunde. Tie. napríklad frekvencia 20 Hz znamená cyklus 20 kmitov za jednu sekundu. Od frekvencie zvuku závisí aj subjektívne poňatie jeho výšky. Čím viac zvukových vibrácií za sekundu vznikne, tým „vyšší“ sa zvuk zdá. Zvuková vlna má aj ďalšiu dôležitú charakteristiku, ktorá má názov – vlnová dĺžka. Vlnová dĺžka Je zvykom brať do úvahy vzdialenosť, ktorú zvuk určitej frekvencie prekoná za čas rovnajúci sa jednej sekunde. Napríklad vlnová dĺžka najnižšieho zvuku v ľudskom počuteľnom rozsahu pri frekvencii 20 Hz je 16,5 metra a vlnová dĺžka najvyššieho zvuku pri frekvencii 20 000 Hz je 1,7 centimetra.

Ľudské ucho je konštruované tak, že je schopné vnímať vlny len v obmedzenom rozsahu, približne 20 Hz - 20 000 Hz (v závislosti od vlastností konkrétneho človeka, niekto počuje trochu viac, niekto menej) . Neznamená to teda, že zvuky pod alebo nad týmito frekvenciami neexistujú, ľudské ucho ich jednoducho nevníma a presahuje počuteľný rozsah. Zvuk nad počuteľný rozsah je tzv ultrazvuk, nazýva sa zvuk pod počuteľným rozsahom infrazvuk. Niektoré zvieratá sú schopné vnímať ultra a infra zvuky, niektoré dokonca využívajú tento rozsah na orientáciu v priestore (netopiere, delfíny). Ak zvuk prechádza cez médium, ktoré neprichádza priamo do kontaktu s ľudským sluchovým orgánom, potom takýto zvuk nemusí byť počuť alebo môže byť neskôr značne oslabený.

V hudobnej terminológii zvuku existujú také dôležité označenia ako oktáva, tón a podtón zvuku. Oktáva znamená interval, v ktorom je pomer frekvencií medzi zvukmi 1 ku 2. Oktáva je zvyčajne veľmi dobre počuteľná, zatiaľ čo zvuky v tomto intervale môžu byť navzájom veľmi podobné. Oktávu možno nazvať aj zvukom, ktorý v rovnakom časovom období vydáva dvakrát toľko vibrácií ako iný zvuk. Napríklad frekvencia 800 Hz nie je nič iné ako vyššia oktáva 400 Hz a frekvencia 400 Hz je zase ďalšia oktáva zvuku s frekvenciou 200 Hz. Oktávu tvoria tóny a podtóny. Premenlivé kmity v harmonickej zvukovej vlne jednej frekvencie vníma ľudské ucho ako hudobný tón. Vysokofrekvenčné vibrácie možno interpretovať ako vysoké zvuky, nízkofrekvenčné vibrácie ako nízkofrekvenčné zvuky. Ľudské ucho je schopné zreteľne rozlíšiť zvuky s rozdielom jedného tónu (v rozsahu do 4000 Hz). Napriek tomu sa v hudbe používa extrémne malý počet tónov. To je vysvetlené z úvah o princípe harmonickej súzvuku, všetko je založené na princípe oktáv.

Uvažujme o teórii hudobných tónov na príklade struny napnutej určitým spôsobom. Takáto struna sa v závislosti od napínacej sily „naladí“ na jednu konkrétnu frekvenciu. Keď je táto struna vystavená niečomu s jednou špecifickou silou, čo spôsobí jej vibráciu, jeden konkrétny tón zvuku bude neustále pozorovaný, budeme počuť požadovanú frekvenciu ladenia. Tento zvuk sa nazýva základný tón. Pre hlavný tón v hudobnom poli je oficiálne akceptovaná frekvencia tónu "la" prvej oktávy rovná 440 Hz. Väčšina hudobných nástrojov však nikdy sama nereprodukuje čisté základné tóny, nevyhnutne ich sprevádzajú podtóny tzv podtóny. Tu je vhodné pripomenúť dôležitú definíciu hudobnej akustiky, pojem zvukový timbre. Timbre- to je vlastnosť hudobných zvukov, ktorá dáva hudobným nástrojom a hlasom ich jedinečnú rozpoznateľnú špecifickosť zvuku, a to aj pri porovnávaní zvukov rovnakej výšky a hlasitosti. Zafarbenie každého hudobného nástroja závisí od rozloženia zvukovej energie cez podtóny v momente, keď sa zvuk objaví.

Podtóny tvoria špecifickú farbu základného tónu, podľa ktorej vieme jednoducho identifikovať a rozoznať konkrétny nástroj, ako aj jasne odlíšiť jeho zvuk od iného nástroja. Existujú dva typy podtónov: harmonické a neharmonické. Harmonické podtóny sú podľa definície násobky základnej frekvencie. Naopak, ak podtóny nie sú násobky a výrazne sa odchyľujú od hodnôt, potom sa volajú neharmonický. V hudbe je prevádzka nenásobných alikvót prakticky vylúčená, preto sa pojem redukuje na pojem „alikvie“, teda harmonický. Pri niektorých nástrojoch, napríklad pri klavíri, sa hlavný tón ani nestihne sformovať, krátkodobo dôjde k zvýšeniu zvukovej energie alikvotných tónov a následne k rovnako rýchlemu poklesu. Mnoho nástrojov vytvára takzvaný efekt „prechodového tónu“, keď je energia určitých podtónov maximálna v určitom časovom bode, zvyčajne na úplnom začiatku, ale potom sa náhle zmení a prejde k iným podtónom. Frekvenčný rozsah každého nástroja možno posudzovať samostatne a je zvyčajne obmedzený frekvenciami základných tónov, ktoré je tento konkrétny nástroj schopný reprodukovať.

V teórii zvuku existuje aj niečo ako HLUK. Hluk- ide o akýkoľvek zvuk, ktorý vzniká kombináciou zdrojov, ktoré sú navzájom nekonzistentné. Každý dobre pozná šum lístia stromov, kývaných vetrom atď.

Čo určuje hlasitosť zvuku? Je zrejmé, že takýto jav priamo závisí od množstva energie prenášanej zvukovou vlnou. Na určenie kvantitatívnych ukazovateľov hlasitosti existuje pojem - intenzita zvuku. Intenzita zvuku je definovaný ako tok energie prechádzajúci cez určitú oblasť priestoru (napríklad cm2) za jednotku času (napríklad za sekundu). Pri bežnom rozhovore je intenzita asi 9 alebo 10 W/cm2. Ľudské ucho je schopné vnímať zvuky s pomerne širokým rozsahom citlivosti, pričom vnímavosť frekvencií nie je v rámci zvukového spektra rovnomerná. Takže najlepšie vnímaný frekvenčný rozsah je 1000 Hz - 4000 Hz, ktorý najviac pokrýva ľudskú reč.

Keďže zvuky sa veľmi líšia v intenzite, je vhodnejšie si to predstaviť ako logaritmickú hodnotu a merať ju v decibeloch (podľa škótskeho vedca Alexandra Grahama Bella). Dolný prah citlivosti sluchu ľudského ucha je 0 dB, horný 120 dB, nazýva sa aj „prah bolesti“. Hornú hranicu citlivosti ľudské ucho tiež nevníma rovnako, ale závisí od konkrétnej frekvencie. Nízkofrekvenčné zvuky musia mať oveľa väčšiu intenzitu ako vysoké frekvencie, aby vyvolali prah bolesti. Napríklad prah bolesti pri nízkej frekvencii 31,5 Hz nastáva pri hladine intenzity zvuku 135 dB, keď pri frekvencii 2000 Hz sa pocit bolesti objavuje už pri 112 dB. Existuje aj pojem akustický tlak, ktorý vlastne rozširuje zaužívané vysvetlenie šírenia zvukovej vlny vo vzduchu. Akustický tlak- ide o premenlivý pretlak, ktorý vzniká v elastickom médiu v dôsledku prechodu zvukovej vlny cez neho.

Vlnová povaha zvuku

Pre lepšie pochopenie systému generovania zvukových vĺn si predstavte klasický reproduktor umiestnený v trubici naplnenej vzduchom. Ak reproduktor urobí prudký pohyb vpred, potom sa vzduch v bezprostrednej blízkosti difúzora na chvíľu stlačí. Potom sa vzduch roztiahne, čím sa oblasť stlačeného vzduchu posunie pozdĺž potrubia.
Práve tento vlnový pohyb bude následne zvukom, keď dosiahne sluchový orgán a „vzruší“ ušný bubienok. Keď sa v plyne vyskytne zvuková vlna, vytvorí sa pretlak a hustota a častice sa pohybujú konštantnou rýchlosťou. Pokiaľ ide o zvukové vlny, je dôležité pamätať na skutočnosť, že látka sa nepohybuje spolu so zvukovou vlnou, ale dochádza len k dočasnému rozrušeniu vzdušných hmôt.

Ak si predstavíme piest zavesený vo voľnom priestore na pružine a vykonávajúci opakované pohyby „vpred a vzad“, potom takéto kmity budeme nazývať harmonické alebo sínusové (ak vlnu znázorníme vo forme grafu, potom v tomto prípade dostaneme čistá sínusoida s opakovanými vzostupmi a pádmi). Ak si predstavíme reproduktor v potrubí (ako v príklade popísanom vyššie), ktorý vykonáva harmonické kmity, tak v momente, keď sa reproduktor pohne „vpred“, dosiahne sa už známy efekt kompresie vzduchu a keď sa reproduktor posunie „späť“ získa sa opačný efekt zriedenia. V tomto prípade sa bude potrubím šíriť vlna striedavého stláčania a riedenia. Zavolá sa vzdialenosť pozdĺž potrubia medzi susednými maximami alebo minimami (fázami). vlnová dĺžka. Ak častice kmitajú rovnobežne so smerom šírenia vlny, potom sa vlna nazýva pozdĺžne. Ak kmitajú kolmo na smer šírenia, potom sa vlna nazýva priečne. Zvukové vlny v plynoch a kvapalinách sú zvyčajne pozdĺžne, zatiaľ čo v pevných látkach sa môžu vyskytnúť vlny oboch typov. Priečne vlny v pevných látkach vznikajú v dôsledku odporu voči zmene tvaru. Hlavný rozdiel medzi týmito dvoma typmi vĺn je v tom, že priečna vlna má vlastnosť polarizácie (kmitanie prebieha v určitej rovine), zatiaľ čo pozdĺžna vlna nie.

Rýchlosť zvuku

Rýchlosť zvuku priamo závisí od vlastností média, v ktorom sa šíri. Je určená (závislá) dvoma vlastnosťami média: elasticitou a hustotou materiálu. Rýchlosť zvuku v pevných látkach priamo závisí od typu materiálu a jeho vlastností. Rýchlosť v plynnom prostredí závisí len od jedného typu deformácie média: kompresia-zriedkavosť. Zmena tlaku vo zvukovej vlne prebieha bez výmeny tepla s okolitými časticami a nazýva sa adiabatická.
Rýchlosť zvuku v plyne závisí hlavne od teploty – s rastúcou teplotou sa zvyšuje a s klesajúcou klesá. Taktiež rýchlosť zvuku v plynnom prostredí závisí od veľkosti a hmotnosti samotných molekúl plynu – čím menšia je hmotnosť a veľkosť častíc, tým väčšia je „vodivosť“ vlny a tým väčšia je rýchlosť, resp.

V kvapalnom a pevnom prostredí je princíp šírenia a rýchlosť zvuku podobný, ako sa šíri vlna vo vzduchu: kompresiou-výbojom. Ale v týchto médiách je okrem rovnakej závislosti od teploty dosť dôležitá aj hustota média a jeho zloženie/štruktúra. Čím nižšia je hustota látky, tým vyššia je rýchlosť zvuku a naopak. Závislosť od zloženia média je komplikovanejšia a určuje sa v každom konkrétnom prípade s prihliadnutím na umiestnenie a interakciu molekúl/atómov.

Rýchlosť zvuku vo vzduchu pri t, °C 20: 343 m/s
Rýchlosť zvuku v destilovanej vode pri t, °C 20: 1481 m/s
Rýchlosť zvuku v oceli pri t, °C 20: 5000 m/s

Stojaté vlny a rušenie

Keď reproduktor vytvára zvukové vlny v obmedzenom priestore, nevyhnutne nastáva efekt odrazu vĺn od hraníc. V dôsledku toho najčastejšie interferenčný efekt- keď sú dve alebo viac zvukových vĺn navrstvené na seba. Špeciálnymi prípadmi javu interferencie sú vznik: 1) bicích vĺn alebo 2) stojatých vĺn. Tlkot vĺn- to je prípad, keď sa pridávajú vlny s blízkymi frekvenciami a amplitúdami. Vzorec výskytu úderov: keď sú na seba superponované dve vlny s podobnou frekvenciou. V určitom časovom bode s takýmto prekrytím sa vrcholy amplitúdy môžu zhodovať "vo fáze" a tiež sa môžu zhodovať recesie v "antifáze". Takto sa charakterizujú zvukové údery. Je dôležité si uvedomiť, že na rozdiel od stojatých vĺn sa fázové koincidencie vrcholov nevyskytujú neustále, ale v určitých časových intervaloch. Podľa ucha sa takýto vzor úderov celkom jasne líši a je počuť ako periodické zvyšovanie a znižovanie hlasitosti. Mechanizmus vzniku tohto efektu je mimoriadne jednoduchý: v momente koincidencie vrcholov sa objem zväčšuje, v momente koincidencie recesií sa objem zmenšuje.

stojaté vlny vznikajú v prípade superpozície dvoch vĺn rovnakej amplitúdy, fázy a frekvencie, keď sa takéto vlny „stretnú“ jedna sa pohybuje v smere dopredu a druhá v opačnom smere. V oblasti priestoru (kde sa vytvorila stojatá vlna) vzniká obraz superpozície dvoch frekvenčných amplitúd so striedajúcimi sa maximami (tzv. antinody) a minimami (tzv. uzly). Pri výskyte tohto javu je mimoriadne dôležitá frekvencia, fáza a koeficient útlmu vlny v mieste odrazu. Na rozdiel od postupujúcich vĺn nedochádza k prenosu energie v stojatej vlne, pretože dopredné a spätné vlny tvoriace túto vlnu prenášajú energiu v rovnakom množstve v smere dopredu aj v opačnom smere. Pre názorné pochopenie výskytu stojatého vlnenia si predstavme príklad z domácej akustiky. Povedzme, že máme podlahové reproduktory v nejakom obmedzenom priestore (miestnosti). Keď sme ich prinútili zahrať nejakú skladbu s množstvom basov, skúsme zmeniť umiestnenie poslucháča v miestnosti. Takže poslucháč, ktorý sa dostal do zóny minima (odčítania) stojatej vlny, pocíti efekt, že basy sa veľmi zmenšili, a ak poslucháč vstúpi do zóny maxima (pridania) frekvencií, potom naopak. sa dosiahne efekt výrazného zvýšenia basovej oblasti. V tomto prípade je účinok pozorovaný vo všetkých oktávach základnej frekvencie. Napríklad, ak je základná frekvencia 440 Hz, potom fenomén „sčítania“ alebo „odčítania“ bude pozorovaný aj pri frekvenciách 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz atď.

Rezonančný jav

Väčšina pevných látok má svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu. Pochopenie tohto efektu je celkom jednoduché na príklade bežnej rúry, ktorá je otvorená len na jednom konci. Predstavme si situáciu, že z druhého konca potrubia je pripojený reproduktor, ktorý dokáže hrať nejakú jednu konštantnú frekvenciu, dá sa to aj neskôr zmeniť. Teraz má fajka svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu, zjednodušene povedané, je to frekvencia, pri ktorej fajka „rezonuje“ alebo vydáva svoj vlastný zvuk. Ak sa frekvencia reproduktora (v dôsledku nastavenia) zhoduje s rezonančnou frekvenciou potrubia, dôjde k niekoľkonásobnému zvýšeniu hlasitosti. Je to preto, že reproduktor vybudí vibrácie vzduchového stĺpca v potrubí s výraznou amplitúdou, kým sa nenájde rovnaká „rezonančná frekvencia“ a nenastane sčítací efekt. Výsledný jav možno opísať nasledovne: fajka v tomto príklade „pomáha“ reproduktoru tým, že rezonuje na konkrétnej frekvencii, ich úsilie sa sčítava a „vylieva“ do počuteľného hlasitého efektu. Na príklade hudobných nástrojov je tento jav ľahko vysledovateľný, keďže dizajn väčšiny obsahuje prvky nazývané rezonátory. Nie je ťažké uhádnuť, čo slúži na zosilnenie určitej frekvencie alebo hudobného tónu. Napríklad: telo gitary s rezonátorom vo forme otvoru, prispôsobené hlasitosti; Konštrukcia potrubia na flaute (a všetkých potrubí vo všeobecnosti); Valcový tvar tela bubna, ktorý je sám o sebe rezonátorom určitej frekvencie.

Frekvenčné spektrum zvuku a frekvenčná odozva

Pretože v praxi prakticky neexistujú vlny rovnakej frekvencie, je potrebné rozložiť celé zvukové spektrum počuteľného rozsahu na podtóny alebo harmonické. Pre tieto účely existujú grafy, ktoré zobrazujú závislosť relatívnej energie zvukových vibrácií od frekvencie. Takýto graf sa nazýva graf zvukového frekvenčného spektra. Frekvenčné spektrum zvuku Existujú dva typy: diskrétne a kontinuálne. Diskrétny graf spektra zobrazuje frekvencie jednotlivo, oddelené prázdnymi medzerami. V spojitom spektre sú všetky zvukové frekvencie prítomné naraz.
V prípade hudby alebo akustiky sa najčastejšie používa zaužívaný rozvrh. Charakteristiky medzi špičkou a frekvenciou(skrátene „AFC“). Tento graf ukazuje závislosť amplitúdy zvukových vibrácií od frekvencie v celom frekvenčnom spektre (20 Hz - 20 kHz). Pri pohľade na takýto graf je ľahké pochopiť napríklad silné alebo slabé stránky konkrétneho reproduktora alebo systému reproduktorov ako celku, najsilnejšie oblasti návratu energie, poklesy a vzostupy frekvencie, útlm, ako aj vysledovať strmosť. poklesu.

Šírenie zvukových vĺn, fáza a antifáza

Proces šírenia zvukových vĺn prebieha vo všetkých smeroch od zdroja. Najjednoduchší príklad na pochopenie tohto javu: kamienok hodený do vody.
Od miesta, kde kameň dopadol, sa vlny začínajú rozchádzať na hladine vody do všetkých strán. Predstavme si však situáciu s použitím reproduktora v určitej hlasitosti, povedzme uzavretej skrinky, ktorá je napojená na zosilňovač a hrá nejaký hudobný signál. Je ľahké si všimnúť (najmä ak dáte silný nízkofrekvenčný signál, ako napríklad basový bubon), že reproduktor urobí rýchly pohyb „dopredu“ a potom rovnaký rýchly pohyb „späť“. Zostáva pochopiť, že keď sa reproduktor pohybuje dopredu, vydáva zvukovú vlnu, ktorú potom počujeme. Čo sa však stane, keď sa reproduktor posunie dozadu? Paradoxne sa ale deje to isté, reproduktor vydáva rovnaký zvuk, len sa šíri v našom príklade úplne v rámci objemu škatule, bez toho, aby ju prekračoval (škatuľka je zatvorená). Vo všeobecnosti možno vo vyššie uvedenom príklade pozorovať pomerne veľa zaujímavých fyzikálnych javov, z ktorých najvýznamnejší je koncept fázy.

Zvuková vlna, ktorú reproduktor vyžaruje v smere k poslucháčovi, je „vo fáze“. Spätná vlna, ktorá prechádza do objemu krabice, bude zodpovedajúcim spôsobom protifázová. Zostáva len pochopiť, čo tieto pojmy znamenajú? Signálna fáza- toto je hladina akustického tlaku v aktuálnom čase v určitom bode priestoru. Fáza sa dá najľahšie pochopiť na príklade prehrávania hudobného materiálu pomocou bežného stereo stojaceho páru domácich reproduktorov. Predstavme si, že v určitej miestnosti sú nainštalované dva takéto stojanové reproduktory a hrajú. Oba reproduktory v tomto prípade reprodukujú synchrónny signál premenlivého akustického tlaku, navyše akustický tlak jedného reproduktora sa pripočítava k akustickému tlaku druhého reproduktora. K podobnému efektu dochádza v dôsledku synchronizácie reprodukcie signálu ľavého a pravého reproduktora, inými slovami, vrcholy a poklesy vĺn vyžarovaných ľavým a pravým reproduktorom sa zhodujú.

Teraz si predstavme, že akustické tlaky sa stále menia rovnako (nezmenili sa), ale teraz sú oproti sebe. To sa môže stať, ak pripojíte jeden z dvoch reproduktorov v obrátenej polarite („+“ kábel zo zosilňovača do „-“ konektora systému reproduktorov a „-“ kábel zo zosilňovača do „+“ konektora reproduktora systém). V tomto prípade signál opačného smeru spôsobí tlakový rozdiel, ktorý možno znázorniť číslami takto: ľavý reproduktor vytvorí tlak „1 Pa“ a pravý reproduktor vytvorí tlak „mínus 1 Pa“ . Výsledkom je, že celková hlasitosť zvuku v pozícii poslucháča sa bude rovnať nule. Tento jav sa nazýva antifáza. Ak sa na príklad pozrieme podrobnejšie pre pochopenie, ukáže sa, že dva reproduktory hrajúce „vo fáze“ vytvárajú rovnaké oblasti kompresie a riedenia vzduchu, ktoré si v skutočnosti navzájom pomáhajú. V prípade idealizovanej protifázy bude oblasť zhutnenia vzdušného priestoru vytvorená jedným reproduktorom sprevádzaná oblasťou zúženia vzdušného priestoru, ktorú vytvorí druhý reproduktor. Vyzerá to približne ako jav vzájomného synchrónneho tlmenia vĺn. Pravda, v praxi hlasitosť neklesne na nulu a budeme počuť silne skreslený a utlmený zvuk.

Najdostupnejším spôsobom možno tento jav opísať takto: dva signály s rovnakými osciláciami (frekvenciou), ale posunuté v čase. Vzhľadom na to je vhodnejšie znázorniť tieto javy posunutia na príklade obyčajných okrúhlych hodín. Predstavme si, že na stene visí niekoľko rovnakých okrúhlych hodín. Keď sekundové ručičky týchto hodiniek bežia synchronizovane, 30 sekúnd na jedných a 30 sekúnd na druhých, potom je to príklad signálu, ktorý je vo fáze. Ak sekundové ručičky bežia s posunom, ale rýchlosť je stále rovnaká, napríklad 30 sekúnd na jedných a 24 sekúnd na druhých, tak ide o klasický príklad fázového posunu (posun). Rovnakým spôsobom sa fáza meria v stupňoch vo virtuálnom kruhu. V tomto prípade, keď sú signály voči sebe posunuté o 180 stupňov (polovica periódy), získa sa klasická protifáza. V praxi často dochádza k malým fázovým posunom, ktoré je možné určiť aj v stupňoch a úspešne ich eliminovať.

Vlny sú ploché a sférické. Plochá vlnoplocha sa šíri len jedným smerom a v praxi sa s ňou stretávame len zriedka. Sférická vlnoplocha je jednoduchý typ vlny, ktorá vyžaruje z jedného bodu a šíri sa všetkými smermi. Zvukové vlny majú vlastnosť difrakcia, t.j. schopnosť vyhýbať sa prekážkam a objektom. Stupeň obalu závisí od pomeru dĺžky zvukovej vlny k rozmerom prekážky alebo otvoru. K difrakcii dochádza aj vtedy, keď je v ceste zvuku prekážka. V tomto prípade sú možné dva scenáre: 1) Ak sú rozmery prekážky oveľa väčšie ako vlnová dĺžka, potom sa zvuk odrazí alebo pohltí (v závislosti od stupňa absorpcie materiálu, hrúbky prekážky atď.). ) a za prekážkou sa vytvorí zóna „akustického tieňa“. 2) Ak sú rozmery prekážky porovnateľné s vlnovou dĺžkou alebo dokonca menšie ako ona, potom sa zvuk do určitej miery ohýba vo všetkých smeroch. Ak zvuková vlna pri pohybe v jednom médiu narazí na rozhranie s iným médiom (napríklad vzduchové médium s pevným médiom), môžu nastať tri scenáre: 1) vlna sa odrazí od rozhrania 2) vlna môže prejsť do iného prostredia bez zmeny smeru 3) vlna môže prejsť do iného prostredia so zmenou smeru na hranici, nazýva sa to "lom vĺn".

Pomer pretlaku zvukovej vlny k oscilačnej objemovej rýchlosti sa nazýva vlnová impedancia. jednoduchými slovami, vlnový odpor média možno nazvať schopnosťou pohlcovať zvukové vlny alebo im „odolávať“. Koeficienty odrazu a priepustnosti priamo závisia od pomeru vlnových impedancií dvoch médií. Odolnosť voči vlnám v plynnom médiu je oveľa nižšia ako vo vode alebo pevných látkach. Ak teda zvuková vlna vo vzduchu dopadá na pevný predmet alebo na hladinu hlbokej vody, potom sa zvuk buď odráža od hladiny, alebo vo veľkej miere pohltí. Závisí to od hrúbky povrchu (vodného alebo pevného), na ktorý dopadá požadovaná zvuková vlna. Pri malej hrúbke pevného alebo kvapalného média zvukové vlny takmer úplne "prechádzajú" a naopak, pri veľkej hrúbke média sa vlny častejšie odrážajú. V prípade odrazu zvukových vĺn tento proces prebieha podľa známeho fyzikálneho zákona: "Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu." V tomto prípade, keď vlna z média s nižšou hustotou narazí na hranicu s médiom s vyššou hustotou, nastáva jav lom. Spočíva v ohýbaní (lámaní) zvukovej vlny po „stretnutí“ s prekážkou a je nevyhnutne sprevádzané zmenou rýchlosti. Lom závisí aj od teploty prostredia, v ktorom dochádza k odrazu.

V procese šírenia zvukových vĺn v priestore ich intenzita nevyhnutne klesá, môžeme povedať útlm vĺn a zoslabnutie zvuku. V praxi je celkom jednoduché stretnúť sa s takýmto efektom: napríklad ak dvaja ľudia stoja na poli v určitej vzdialenosti (meter alebo bližšie) a začnú sa spolu rozprávať. Ak následne zväčšíte vzdialenosť medzi ľuďmi (ak sa začnú od seba vzďaľovať), rovnaká úroveň hlasitosti konverzácie bude čoraz menej počuteľná. Podobný príklad jasne demonštruje fenomén znižovania intenzity zvukových vĺn. Prečo sa to deje? Dôvodom sú rôzne procesy prenosu tepla, molekulárnej interakcie a vnútorného trenia zvukových vĺn. Najčastejšie v praxi dochádza k premene zvukovej energie na tepelnú energiu. Takéto procesy nevyhnutne vznikajú v ktoromkoľvek z 3 médií šírenia zvuku a možno ich charakterizovať ako absorpcia zvukových vĺn.

Intenzita a stupeň absorpcie zvukových vĺn závisí od mnohých faktorov, ako je tlak a teplota média. Absorpcia tiež závisí od konkrétnej frekvencie zvuku. Keď sa zvuková vlna šíri v kvapalinách alebo plynoch, dochádza k efektu trenia medzi rôznymi časticami, ktorý sa nazýva viskozita. V dôsledku tohto trenia na molekulárnej úrovni dochádza k procesu transformácie vlny zo zvuku na tepelné. Inými slovami, čím vyššia je tepelná vodivosť média, tým nižší je stupeň absorpcie vĺn. Absorpcia zvuku v plynných médiách závisí aj od tlaku (atmosférický tlak sa mení s rastúcou nadmorskou výškou vzhľadom na hladinu mora). Čo sa týka závislosti stupňa pohltivosti od frekvencie zvuku, potom pri zohľadnení vyššie uvedených závislostí viskozity a tepelnej vodivosti je pohltivosť zvuku tým vyššia, čím vyššia je jeho frekvencia. Napríklad pri normálnej teplote a tlaku vo vzduchu je absorpcia vlny s frekvenciou 5000 Hz 3 dB / km a absorpcia vlny s frekvenciou 50 000 Hz bude už 300 dB / m.

V tuhých médiách sú všetky vyššie uvedené závislosti (tepelná vodivosť a viskozita) zachované, no k tomu sa pridáva ešte niekoľko podmienok. Sú spojené s molekulárnou štruktúrou pevných materiálov, ktoré môžu byť rôzne, s vlastnými nehomogenitami. V závislosti od tejto vnútornej pevnej molekulárnej štruktúry môže byť absorpcia zvukových vĺn v tomto prípade rôzna a závisí od typu konkrétneho materiálu. Keď zvuk prechádza pevným telesom, vlna prechádza radom transformácií a skreslení, čo najčastejšie vedie k rozptylu a absorpcii zvukovej energie. Na molekulárnej úrovni môže nastať efekt dislokácií, keď zvuková vlna spôsobí posunutie atómových rovín, ktoré sa následne vrátia do pôvodnej polohy. Alebo pohyb dislokácií vedie ku kolízii s dislokáciami na ne kolmými alebo defektmi v kryštálovej štruktúre, čo spôsobuje ich spomalenie a v dôsledku toho určitú absorpciu zvukovej vlny. Zvuková vlna však môže rezonovať aj s týmito defektmi, čo povedie k skresleniu pôvodnej vlny. Energia zvukovej vlny v momente interakcie s prvkami molekulárnej štruktúry materiálu sa rozptýli v dôsledku procesov vnútorného trenia.

Pokúsim sa analyzovať črty ľudského sluchového vnímania a niektoré jemnosti a črty šírenia zvuku.

Hromy, hudba, zvuk príboja, ľudská reč a všetko ostatné, čo počujeme, je zvuk. Čo je to "zvuk"?

Zdroj obrázkov: pixabay.com

V skutočnosti všetko, čo sme zvyknutí považovať za zvuk, je len jednou z odrôd vibrácií (vzduchu), ktoré náš mozog a orgány dokážu vnímať.

Aká je povaha zvuku

Všetky zvuky, ktoré sa šíria vzduchom, sú vibráciami zvukovej vlny. Vzniká vibráciou objektu a odchyľuje sa od svojho zdroja vo všetkých smeroch. Oscilujúci objekt stláča molekuly v prostredí a potom vytvára redšiu atmosféru, čo spôsobuje, že sa molekuly odpudzujú stále ďalej a ďalej. Zmeny tlaku vzduchu sa teda šíria smerom od objektu, samotné molekuly zostávajú pre seba v rovnakej polohe.

Vplyv zvukových vĺn na ušný bubienok. Zdroj obrázkov: prd.go.th

Keď sa zvuková vlna šíri priestorom, odráža sa od predmetov, ktoré jej stoja v ceste, čím dochádza k zmenám v okolitom vzduchu. Keď sa tieto zmeny dostanú do vášho ucha a zasiahnu bubienok, nervové zakončenia vyšlú signál do mozgu a vy vnímate tieto vibrácie ako zvuk.

Hlavné charakteristiky zvukovej vlny

Najjednoduchšia forma zvukovej vlny je sínusoida. Čisté sínusové vlny sú v prírode zriedkavé, ale práve s nimi by ste mali začať študovať fyziku zvuku, pretože každý zvuk sa dá rozložiť na kombináciu sínusových vĺn.

Sínusoida jasne demonštruje tri základné fyzikálne kritériá zvuku – frekvenciu, amplitúdu a fázu.

Frekvencia

Čím nižšia je frekvencia kmitov, tým nižší je zvuk Zdroj obrazu: ReasonGuide.Ru

Frekvencia je hodnota, ktorá charakterizuje počet kmitov za sekundu. Meria sa v počte periód oscilácie alebo v hertzoch (Hz). Ľudské ucho dokáže vnímať zvuk v rozsahu od 20 Hz (nízka frekvencia) do 20 kHz (vysoká frekvencia). Zvuky nad týmto rozsahom sa nazývajú ultrazvuk a nižšie - infrazvuk a ľudské sluchové orgány ich nevnímajú.

Amplitúda

Čím väčšia je amplitúda zvukovej vlny, tým je zvuk hlasnejší.

Pojem amplitúda (alebo intenzita) zvukovej vlny sa vzťahuje na silu zvuku, ktorú ľudské sluchové orgány vnímajú ako hlasitosť alebo hlasitosť zvuku. Ľudia dokážu vnímať pomerne širokú škálu hlasitosti zvuku: od kvapkajúceho kohútika v tichom byte až po hudbu hrajúcu na koncerte. Hlasitosť sa meria pomocou fonometrov (ukazovatele v decibeloch), ktoré používajú logaritmickú stupnicu, aby boli merania pohodlnejšie.

Fáza zvukovej vlny

Fázy zvukovej vlny. Zdroj obrázkov: Muz-Flame.ru

Používa sa na opis vlastností dvoch zvukových vĺn. Ak majú dve vlny rovnakú amplitúdu a frekvenciu, potom sa hovorí, že tieto dve zvukové vlny sú vo fáze. Fáza sa meria od 0 do 360, kde 0 je hodnota označujúca, že dve zvukové vlny sú synchrónne (vo fáze) a 180 je hodnota, ktorá označuje, že vlny sú navzájom opačné (mimo fázu). Keď sú dve zvukové vlny vo fáze, tieto dva zvuky sa prekrývajú a signály sa navzájom posilňujú. Keď sa skombinujú dva signály, ktoré sa nezhodujú v amplitúde, signály sa potlačia v dôsledku tlakového rozdielu, čo vedie k nulovému výsledku, to znamená, že zvuk zmizne. Tento jav je známy ako "potlačenie fázy".

Pri kombinovaní dvoch rovnakých audio signálov - môže byť fázové potlačenie vážnym problémom, rovnako ako obrovskou nepríjemnosťou je spojenie pôvodnej zvukovej vlny s vlnou odrazenou od povrchov v akustickej miestnosti. Napríklad, keď sa ľavý a pravý kanál stereo mixpultu skombinuje na vytvorenie harmonického záznamu, signál môže trpieť fázovým zrušením.

Čo je to decibel?

Decibely merajú hladinu akustického tlaku alebo elektrického napätia. Toto je jednotka, ktorá ukazuje pomer pomeru dvoch rôznych veličín navzájom. Bel (pomenovaný po americkom vedcovi Alexandrovi Bellovi) je desiatkový logaritmus, ktorý odráža pomer dvoch rôznych signálov k sebe navzájom. To znamená, že pre každé nasledujúce bela na stupnici je prijatý signál desaťkrát silnejší. Napríklad akustický tlak hlasitého zvuku je miliardkrát vyšší ako akustický tlak tichého. Na zobrazenie takýchto veľkých hodnôt začali používať relatívnu hodnotu decibelov (dB) – pričom 1 000 000 000 je 109, alebo jednoducho 9. Prevzatie tejto hodnoty akustickými fyzikmi umožnilo pohodlnejšie pracovať s obrovskými číslami. .

Stupnica hlasitosti pre rôzne zvuky. Zdroj obrázkov: Nauet.ru

V praxi sa ukazuje, že bel je príliš veľká jednotka na meranie hladiny zvuku, preto sa namiesto toho použil decibel, ktorý je desatinou belu. Nedá sa povedať, že používanie decibelov namiesto bel je ako používanie povedzme centimetrov namiesto metrov na označenie veľkosti obuvi, bel a decibel sú relatívne hodnoty.

Z vyššie uvedeného je zrejmé, že hladina zvuku sa zvyčajne meria v decibeloch. Niektoré normy úrovne zvuku sa v akustike používajú už mnoho rokov, od doby vynálezu telefónu až dodnes. Väčšina z týchto noriem je ťažko aplikovateľná vo vzťahu k moderným zariadeniam, používajú sa len pre zastarané časti zariadení. Dnes zariadenia v nahrávacích a vysielacích štúdiách používajú takú jednotku ako dBu (decibel vo vzťahu k úrovni 0,775 V) a v zariadeniach pre domácnosť - dBV (decibel, merané vo vzťahu k úrovni 1 V). Digitálne audio zariadenie používa na meranie akustického výkonu dBFS (Decibel Full Scale).

dBm– „m“ znamená miliwatty (mW), čo je merná jednotka používaná na vyjadrenie elektrickej energie. Výkon by sa mal odlišovať od elektrického napätia, hoci tieto dva pojmy spolu úzko súvisia. Jednotka merania dBm sa začala používať na začiatku telefónnej komunikácie, dnes sa používa aj v profesionálnych zariadeniach.

dBu- v tomto prípade sa napätie meria (namiesto výkonu) vzhľadom na referenčnú nulovú úroveň, za referenčnú úroveň sa považuje 0,75 voltu. V moderných profesionálnych audio aplikáciách bol dBu nahradený dBm. Ako mernú jednotku v oblasti audiotechniky bolo v minulosti vhodnejšie použiť dBu, keď bolo pri posudzovaní úrovne signálu dôležitejšie brať do úvahy elektrický výkon ako jeho napätie.

dBV- táto jednotka merania je tiež založená na referenčnej nulovej úrovni (ako v prípade dBu), avšak ako referenčná úroveň sa berie 1 V, čo je vhodnejšie ako údaj 0,775 V. Táto jednotka merania zvuku sa často používa pre domáce a poloprofesionálne audio zariadenia.

dBFS- Tento odhad úrovne signálu je široko používaný v digitálnom zvuku a je veľmi odlišný od vyššie uvedených jednotiek merania. FS (full scale) je plný rozsah, ktorý sa používa, pretože na rozdiel od analógového zvuku, ktorý má optimálne napätie, je celý rozsah digitálnych hodnôt rovnako prijateľný pri práci s digitálnym signálom. 0 dBFS je maximálna možná úroveň digitálneho zvuku, ktorú je možné zaznamenať bez skreslenia. Analógové meracie štandardy, ako sú dBu a dBV, nemajú priestor nad 0 dBFS.

Ak sa vám článok páčil dať like a prihlásiť sa na odber kanála VEDECKÝ POP . Zostaňte s nami, priatelia! Pred nami je veľa zaujímavých vecí!

Zvuk sú mechanické vibrácie, ktoré sa šíria v prostredí elastického materiálu prevažne vo forme pozdĺžnych vĺn.

Vo vákuu sa zvuk nešíri, pretože prenos zvuku vyžaduje hmotné médium a mechanický kontakt medzi časticami hmotného média.

Zvuk sa v médiu šíri vo forme zvukových vĺn. Zvukové vlny sú mechanické vibrácie, ktoré sa prenášajú v médiu pomocou jeho podmienených častíc. Pod podmienenými časticami prostredia rozumieme jeho mikroobjemy.

Hlavné fyzikálne vlastnosti akustickej vlny:

1. Frekvencia.

Frekvencia zvuková vlna je množstvo rovná počtu úplných kmitov za jednotku času. Označené symbolom v (nahá) a merané v hertzoch. 1 Hz \u003d 1 počet / s \u003d [ s -1 ].

Stupnica zvukových vibrácií je rozdelená do nasledujúcich frekvenčných intervalov:

infrazvuk (od 0 do 16 Hz);

počuteľný zvuk (od 16 do 16 000 Hz);

Ultrazvuk (nad 16 000 Hz).

S frekvenciou zvukovej vlny úzko súvisí recipročná, perióda zvukovej vlny. Obdobie zvuková vlna je čas jedného úplného kmitu častíc média. Označené T a meria sa v sekundách [s].

Podľa smeru oscilácie častíc média, ktoré nesú zvukovú vlnu, sa zvukové vlny delia na:

· pozdĺžne;

priečne.

Pri pozdĺžnych vlnách sa smer kmitania častíc média zhoduje so smerom šírenia sa v prostredí zvukovej vlny (obr. 1).

Pre priečne vlny sú smery kmitov častíc média kolmé na smer šírenia zvukovej vlny (obr. 2).

Ryža. 1 Obr. 2

Pozdĺžne vlny sa šíria v plynoch, kvapalinách a pevných látkach. Priečne - iba v pevných látkach.

3. Tvar vibrácií.

Podľa tvaru vibrácií sa zvukové vlny delia na:

· jednoduché vlny;

komplexné vlny.

Graf jednoduchej vlny je sínusoida.

Komplexný vlnový graf je akákoľvek periodická nesínusová krivka .

4. Vlnová dĺžka.

Vlnová dĺžka - veľkosť, rovná vzdialenosti, na ktorú sa zvuková vlna šíri za čas rovnajúci sa jednej perióde. Označuje sa λ (lambda) a meria sa v metroch (m), centimetroch (cm), milimetroch (mm), mikrometroch (µm).

Vlnová dĺžka závisí od prostredia, v ktorom sa zvuk šíri.

5. Rýchlosť zvukovej vlny.

rýchlosť zvukovej vlny je rýchlosť šírenia zvuku v prostredí so stacionárnym zdrojom zvuku. Označené symbolom v, vypočítané podľa vzorca:

Rýchlosť zvukovej vlny závisí od typu média a teploty. Najvyššia rýchlosť zvuku v pevných elastických telesách, menšia - v kvapalinách a najmenšia - v plynoch.

vzduch, normálny atmosférický tlak, teplota - 20 stupňov, v = 342 m/s;

voda, teplota 15-20 stupňov, v = 1500 m/s;

kovy, v = 5000-10000 m/s.

Rýchlosť zvuku vo vzduchu sa zvyšuje asi o 0,6 m/s so zvýšením teploty o 10 stupňov.