18. února 2016

Svět domácí zábavy je velmi rozmanitý a může zahrnovat: sledování filmů na dobrém systému domácího kina; vzrušující a vzrušující hraní nebo poslech hudby. Zpravidla si v této oblasti každý najde to své, případně kombinuje vše najednou. Ale ať už jsou cíle člověka pro organizování volného času jakékoli a ať už jde do jakéhokoli extrému, všechny tyto vazby jsou pevně spojeny jedním jednoduchým a srozumitelným slovem - „zvuk“. Ve všech výše uvedených případech nás skutečně povede zvuk za ruku. Tato otázka však není tak jednoduchá a triviální, zejména v případech, kdy existuje touha dosáhnout vysoce kvalitního zvuku v místnosti nebo za jakýchkoli jiných podmínek. K tomu není vždy nutné kupovat drahé hi-fi nebo hi-end komponenty (i když to bude velmi užitečné), ale stačí dobrá znalost fyzikální teorie, která může eliminovat většinu problémů, které nastanou pro každého který si klade za cíl získat vysoce kvalitní hlasové herectví.

Dále bude teorie zvuku a akustiky zvažována z hlediska fyziky. V v tomto případě Pokusím se to co nejvíce zpřístupnit pochopení každého člověka, který možná zdaleka nezná fyzikální zákony nebo vzorce, ale přesto vášnivě sní o uskutečnění snu o vytvoření dokonalého akustického systému. Netroufám si tvrdit, že k dosažení dobrých výsledků v této oblasti doma (nebo například v autě) je nutné tyto teorie důkladně znát, ale pochopení základů vám umožní vyhnout se mnoha hloupým a absurdním chybám , a také vám umožní dosáhnout maximální účinek zvuk ze systému jakékoli úrovně.

Obecná teorie zvuku a hudební terminologie

Co je to zvuk? To je vjem, který vnímá sluchový orgán "ucho"(fenomén sám o sobě existuje bez účasti „ucha“ v procesu, ale to je snazší pochopit), ke kterému dochází, když je bubínek vzrušený zvukovou vlnou. Ucho v tomto případě funguje jako „přijímač“ zvukových vln různých frekvencí.
Zvuková vlna je v podstatě sekvenční série zhutňování a ředění média (nejčastěji vzduchového média v normální podmínky) různých frekvencí. Povaha zvukových vln je oscilační, způsobená a produkovaná vibrací jakéhokoli tělesa. Vznik a šíření klasické zvukové vlny je možné ve třech elastických prostředích: plynném, kapalném a pevném. Objeví-li se zvuková vlna v jednom z těchto typů prostoru, nevyhnutelně dojde k některým změnám v samotném médiu, například ke změně hustoty nebo tlaku vzduchu, pohybu částic vzdušné hmoty atd.

Protože zvuková vlna má oscilační povahu, má takovou charakteristiku, jako je frekvence. Frekvence měřeno v hertzech (na počest německého fyzika Heinricha Rudolfa Hertze) a označuje počet oscilací za časové období rovné jedné sekundě. Tito. například frekvence 20 Hz označuje cyklus 20 oscilací za jednu sekundu. Na frekvenci zvuku závisí i subjektivní pojetí jeho výšky. Více zvukové vibrace se odehrává ve vteřině, čím „vyšší“ se zvuk zdá. Zvuková vlna má také další důležitou charakteristiku, která má název - vlnová délka. Vlnová délka Je obvyklé uvažovat vzdálenost, kterou urazí zvuk určité frekvence za dobu rovnající se jedné sekundě. Například vlnová délka nejnižšího zvuku v lidském slyšitelném rozsahu při 20 Hz je 16,5 metru a vlnová délka nejvyššího zvuku při 20 000 Hz je 1,7 centimetru.

Lidské ucho je navrženo tak, že je schopno vnímat vlny pouze v omezeném rozsahu, přibližně 20 Hz - 20 000 Hz (podle vlastností konkrétního člověka, někdo je schopen slyšet o něco více, někdo méně) . Takže to neznamená, že zvuky pod nebo nad těmito frekvencemi neexistují, prostě lidské ucho při odchodu do zahraničí nejsou vnímány slyšitelný rozsah. Zvuk nad slyšitelným rozsahem se nazývá ultrazvuk, je volán zvuk pod slyšitelným rozsahem infrazvuk. Některá zvířata jsou schopna vnímat ultra a infra zvuky, některá dokonce využívají tento rozsah pro orientaci v prostoru ( netopýři, delfíni). Pokud zvuk prochází médiem, které není v přímém kontaktu s lidským sluchovým orgánem, pak takový zvuk nemusí být slyšet nebo může být následně značně zeslaben.

V hudební terminologii zvuku existují tak důležitá označení jako oktáva, tón a podtón zvuku. Oktáva znamená interval, ve kterém je frekvenční poměr mezi zvuky 1 ku 2. Oktáva je obvykle sluchem velmi rozlišitelná, zatímco zvuky v tomto intervalu si mohou být velmi podobné. Oktávou lze také nazvat zvuk, který za stejnou dobu vibruje dvakrát více než jiný zvuk. Například frekvence 800 Hz není nic jiného než vyšší oktáva 400 Hz a frekvence 400 Hz je zase další oktáva zvuku s frekvencí 200 Hz. Oktáva se zase skládá z tónů a podtónů. Proměnlivé vibrace v harmonické zvukové vlně o stejné frekvenci vnímá lidské ucho jako hudební tón. Vysokofrekvenční vibrace lze interpretovat jako vysoké zvuky, zatímco nízkofrekvenční vibrace lze interpretovat jako zvuky s nízkou frekvencí. Lidské ucho je schopno zřetelně rozlišovat zvuky s rozdílem jednoho tónu (v rozsahu až 4000 Hz). Navzdory tomu hudba používá extrémně malý počet tónů. To je vysvětleno z úvah o principu harmonické konsonance, vše je založeno na principu oktáv.

Uvažujme teorii hudebních tónů na příkladu určitým způsobem natažené struny. Taková struna bude v závislosti na síle tahu „naladěna“ na jednu konkrétní frekvenci. Když je tato struna vystavena něčemu s jednou specifickou silou, která způsobí její vibrace, bude důsledně pozorován jeden konkrétní tón zvuku a my uslyšíme požadovanou frekvenci ladění. Tento zvuk se nazývá základní tón. Frekvence tónu „A“ první oktávy je oficiálně akceptována jako základní tón v hudebním poli, rovná 440 Hz. Většina hudebních nástrojů však nikdy sama nereprodukuje čisté základní tóny, jsou nevyhnutelně doprovázeny podtóny tzv podtexty. Zde je vhodné připomenout důležitou definici hudební akustiky, pojem zvukový témbr. Témbr- to je vlastnost hudebních zvuků, která dává hudebním nástrojům a hlasům jejich jedinečnou, rozpoznatelnou specifičnost zvuku, a to i při porovnávání zvuků stejné výšky a hlasitosti. Zabarvení každého hudebního nástroje závisí na rozložení zvukové energie mezi podtóny v okamžiku, kdy se zvuk objeví.

Alikvoty tvoří specifické zabarvení základního tónu, pomocí kterého snadno identifikujeme a rozpoznáme konkrétní nástroj, stejně jako jasně odlišíme jeho zvuk od jiného nástroje. Existují dva typy podtónů: harmonické a neharmonické. Harmonické podtóny podle definice jsou násobky základní frekvence. Naopak, pokud podtóny nejsou násobky a znatelně se odchylují od hodnot, pak se volají neharmonické. V hudbě je ovládání s více podtóny prakticky vyloučeno, takže se tento termín redukuje na pojem „podtón“, což znamená harmonický. U některých nástrojů, např. u klavíru, se základní tón ani nestihne zformovat, během krátké doby se zvuková energie podtónů zvýší a pak stejně rychle sníží. Mnoho nástrojů vytváří to, čemu se říká „přechodový tónový“ efekt, kdy energie určitých podtónů je nejvyšší v určitém okamžiku, obvykle na samém začátku, ale pak se prudce změní a přejde k dalším podtónům. Frekvenční rozsah každého nástroje lze posuzovat samostatně a je obvykle omezen na základní frekvence, které je daný nástroj schopen produkovat.

V teorii zvuku existuje také pojem jako HLUK. Hluk- jedná se o jakýkoli zvuk, který vzniká kombinací zdrojů, které jsou vzájemně nekonzistentní. Každý zná zvuk listů stromů, které se houpou větrem atd.

Co určuje hlasitost zvuku? To je zřejmé podobný jev přímo závisí na množství energie přenesené zvukovou vlnou. Pro stanovení kvantitativních ukazatelů hlasitosti existuje pojem - intenzita zvuku. Intenzita zvuku je definován jako tok energie procházející určitou oblastí prostoru (například cm2) za jednotku času (například za sekundu). Při běžné konverzaci je intenzita přibližně 9 nebo 10 W/cm2. Lidské ucho je schopno vnímat zvuky v poměrně širokém rozsahu citlivosti, zatímco citlivost frekvencí je v rámci zvukového spektra heterogenní. Nejlépe je tak vnímán frekvenční rozsah 1000 Hz - 4000 Hz, který nejvíce pokrývá lidskou řeč.

Vzhledem k tomu, že intenzita zvuků se tak výrazně liší, je pohodlnější o nich uvažovat jako o logaritmické veličině a měřit ji v decibelech (podle skotského vědce Alexandra Grahama Bella). Nižší práh sluchu lidské ucho je 0 dB, horních 120 dB, nazývaných také „ práh bolesti"Horní mez citlivosti také lidské ucho nevnímá stejně, ale závisí na konkrétní frekvenci. Nízkofrekvenční zvuky musí mít mnohem větší intenzitu než vysokofrekvenční, aby způsobily práh bolesti. Například práh bolesti při nízká frekvence 31,5 Hz se vyskytuje při hladině síly zvuku 135 dB, kdy při frekvenci 2000 Hz se pocit bolesti objevuje již při 112 dB.Existuje také pojem akustický tlak, který vlastně rozšiřuje obvyklé vysvětlení šíření zvukové vlny vzduchem. Akustický tlak- jedná se o proměnlivý přetlak, který vzniká v elastickém prostředí v důsledku průchodu zvukové vlny.

Vlnová povaha zvuku

Pro lepší pochopení systému generování zvukových vln si představte klasický reproduktor umístěný v potrubí naplněném vzduchem. Pokud reproduktor dělá švihnutí dopředu, pak je vzduch v bezprostřední blízkosti difuzoru na okamžik stlačen. Vzduch pak expanduje, čímž tlačí oblast stlačeného vzduchu podél potrubí.
Tento pohyb vlny se následně stane zvukem, když dosáhne sluchový orgán a "vzrušovat" ušní bubínek. Když se v plynu objeví zvuková vlna, vzniká přetlak a nadměrná hustota a částice se pohybují s nimi konstantní rychlost. O zvukových vlnách je důležité pamatovat na skutečnost, že látka se nepohybuje spolu se zvukovou vlnou, ale dochází pouze k dočasnému narušení vzdušných hmot.

Pokud si představíme píst zavěšený ve volném prostoru na pružině a vykonávající opakované pohyby „tam a zpět“, pak takové oscilace budeme nazývat harmonické nebo sinusové (pokud si vlnu představíme jako graf, pak v tomto případě dostaneme čistý sinusoida s opakovanými poklesy a vzestupy). Představíme-li si reproduktor v potrubí (jako ve výše popsaném příkladu), vystupuje harmonické vibrace, pak v okamžiku, kdy se reproduktor pohybuje „dopředu“, je dosaženo již známého efektu stlačení vzduchu, a když se reproduktor pohybuje „dozadu“, dochází k opačnému efektu vakua. V tomto případě se bude potrubím šířit vlna střídavého stlačování a řídnutí. Bude volána vzdálenost podél potrubí mezi sousedními maximy nebo minimy (fázemi). vlnová délka. Pokud částice kmitají rovnoběžně se směrem šíření vlny, pak se vlna nazývá podélný. Pokud kmitají kolmo ke směru šíření, pak se vlna nazývá příčný. Zvukové vlny v plynech a kapalinách jsou obvykle podélné, ale v pevných látkách se mohou objevit vlny obou typů. Příčné vlny v pevných látkách vznikají v důsledku odporu vůči změně tvaru. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma typy vln je v tom, že příčná vlna má vlastnost polarizace (k oscilacím dochází v určité rovině), zatímco podélná vlna nikoli.

Rychlost zvuku

Rychlost zvuku přímo závisí na vlastnostech prostředí, ve kterém se šíří. Je určena (závislá) dvěma vlastnostmi prostředí: elasticitou a hustotou materiálu. Rychlost zvuku v pevných látkách přímo závisí na typu materiálu a jeho vlastnostech. Rychlost v plynných médiích závisí pouze na jednom typu deformace média: komprese-zřídkavost. Změna tlaku ve zvukové vlně probíhá bez výměny tepla s okolními částicemi a nazývá se adiabatická.
Rychlost zvuku v plynu závisí především na teplotě – s rostoucí teplotou roste a s klesající teplotou klesá. Také rychlost zvuku v plynném médiu závisí na velikosti a hmotnosti samotných molekul plynu - čím menší je hmotnost a velikost částic, tím větší je „vodivost“ vlny, a tím větší je rychlost.

V kapalných a pevných prostředích je princip šíření a rychlost zvuku podobný tomu, jak se šíří vlna ve vzduchu: kompresí-výboj. Ale v těchto prostředích je kromě stejné závislosti na teplotě dost důležitá hustota média a jeho složení/struktura. Čím nižší je hustota látky, tím vyšší je rychlost zvuku a naopak. Závislost na složení prostředí je složitější a určuje se v každém konkrétní případ s přihlédnutím k umístění a interakci molekul/atomů.

Rychlost zvuku ve vzduchu při t, °C 20: 343 m/s
Rychlost zvuku v destilované vodě při t, °C 20: 1481 m/s
Rychlost zvuku v oceli při t, °C 20: 5000 m/s

Stojaté vlny a interference

Když reproduktor vytváří zvukové vlny v omezeném prostoru, nevyhnutelně nastává efekt vln odrážejících se od hranic. V důsledku toho k tomu dochází nejčastěji rušivý efekt- když se dvě nebo více zvukových vln vzájemně překrývají. Speciální případy interferenčními jevy jsou vznik: 1) bicích vln nebo 2) stojatých vln. Vlna bije- to je případ, kdy dochází k přidání vln s podobnými frekvencemi a amplitudami. Obrázek výskytu úderů: když se dvě vlny podobných frekvencí vzájemně překrývají. V určitém okamžiku, s takovým překrýváním, se vrcholy amplitudy mohou shodovat „ve fázi“ a poklesy se mohou také shodovat v „antifázi“. Tak jsou charakterizovány zvukové beaty. Je důležité si uvědomit, že na rozdíl od stojatého vlnění se fázové koincidence vrcholů nevyskytují neustále, ale v určitých časových intervalech. Pro ucho je tento vzor úderů zřetelně odlišen a je slyšet jako periodické zvyšování a snižování hlasitosti. Mechanismus, kterým k tomuto efektu dochází, je extrémně jednoduchý: když se vrcholy shodují, objem se zvětšuje, a když se údolí shodují, objem klesá.

Stojaté vlny vznikají v případě superpozice dvou vln stejné amplitudy, fáze a frekvence, kdy se takové vlny „setkají“ jedna se pohybuje v dopředném směru a druhá v opačném směru. V oblasti prostoru (kde se vytvořila stojatá vlna) se objeví obraz superpozice dvou frekvenčních amplitud se střídajícími se maximy (tzv. antinody) a minimy (tzv. uzly). Když k tomuto jevu dojde, je nesmírně důležitá frekvence, fáze a koeficient útlumu vlny v místě odrazu. Na rozdíl od postupujících vln nedochází u stojatého vlnění k žádnému přenosu energie, protože dopředné a zpětné vlny, které tvoří tuto vlnu, přenášejí energii ve stejném množství v dopředném i opačném směru. Abychom jasně pochopili výskyt stojatého vlnění, představme si příklad z domácí akustiky. Řekněme, že máme stojací reproduktorové soustavy v nějakém omezeném prostoru (místnosti). Nechat je hrát nějakou písničku velké množství basy, zkusme změnit umístění posluchače v místnosti. Posluchač, který se tedy ocitne v zóně minima (odčítání) stojaté vlny, pocítí efekt, že basů je velmi málo, a pokud se posluchač ocitne v zóně maxima (sčítání) frekvencí, pak naopak. je dosaženo efektu výrazného zvýšení v oblasti basů. V tomto případě je účinek pozorován ve všech oktávách základní frekvence. Pokud je například základní frekvence 440 Hz, pak jev „sčítání“ nebo „odčítání“ bude pozorován také při frekvencích 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz atd.

Rezonanční fenomén

Většina pevných látek má vlastní rezonanční frekvenci. Tento efekt je docela snadné pochopit na příkladu obyčejné trubky, otevřené pouze na jednom konci. Představme si situaci, kdy je na druhý konec trubky připojen reproduktor, který může hrát jednu konstantní frekvenci, kterou lze i později změnit. Takže trubka má přirozenou rezonanční frekvenci jednoduchým jazykem je frekvence, při které dýmka "rezonuje" nebo produkuje svůj vlastní zvuk. Pokud se frekvence reproduktoru (v důsledku nastavení) shoduje s rezonanční frekvencí trubky, dojde k několikanásobnému zvýšení hlasitosti. To se děje proto, že reproduktor vybudí vibrace vzduchového sloupce v potrubí s výraznou amplitudou, dokud není nalezena stejná „rezonanční frekvence“ a nedojde k adičnímu efektu. Výsledný jev lze popsat následovně: dýmka v tomto příkladu „pomáhá“ reproduktoru tím, že rezonuje na konkrétní frekvenci, jejich úsilí se sčítá a „výsledkem“ je slyšitelný hlasitý efekt. Na příkladu hudebních nástrojů lze tento jev snadno vidět, protože konstrukce většiny nástrojů obsahuje prvky zvané rezonátory. Není těžké uhodnout, co slouží ke zvýraznění určité frekvence nebo hudebního tónu. Například: tělo kytary s rezonátorem ve formě otvoru, který odpovídá hlasitosti; Konstrukce flétnové trubky (a všech trubek obecně); Válcový tvar těla bubnu, který je sám o sobě rezonátorem určité frekvence.

Frekvenční spektrum zvuku a frekvenční odezva

Protože v praxi prakticky neexistují vlny stejné frekvence, je nutné rozložit celé zvukové spektrum slyšitelného rozsahu na podtóny nebo harmonické. Pro tyto účely existují grafy, které zobrazují závislost relativní energie zvukových vibrací na frekvenci. Tento graf se nazývá graf zvukového frekvenčního spektra. Frekvenční spektrum zvuku Existují dva typy: diskrétní a spojité. Diskrétní spektrální graf zobrazuje jednotlivé frekvence oddělené prázdnými mezerami. Spojité spektrum obsahuje všechny zvukové frekvence najednou.
V případě hudby nebo akustiky se nejčastěji používá obvyklý graf Amplitudo-frekvenční charakteristiky(zkráceně "AFC"). Tento graf ukazuje závislost amplitudy zvukových vibrací na frekvenci v celém frekvenčním spektru (20 Hz - 20 kHz). Při pohledu na takový graf je snadné pochopit např. silné resp slabé stránky konkrétní reproduktor nebo akustický systém jako celek, nejsilnější oblasti energetického výstupu, poklesy a vzestupy frekvence, útlum a také sledovat strmost poklesu.

Šíření zvukových vln, fáze a antifáze

Proces šíření zvukových vln probíhá všemi směry od zdroje. Nejjednodušším příkladem pro pochopení tohoto jevu je oblázek hozený do vody.
Od místa, kde kámen dopadl, se po hladině vody začnou šířit vlny všemi směry. Představme si však situaci s reproduktorem v určité hlasitosti, řekněme uzavřeným boxem, který je připojen k zesilovači a hraje nějaký hudební signál. Je snadné si všimnout (zejména pokud použijete silný nízkofrekvenční signál, například basový buben), že reproduktor udělá rychlý pohyb „vpřed“ a poté stejný rychlý pohyb „vzad“. Zbývá pochopit, že když se reproduktor pohybuje dopředu, vydává zvukovou vlnu, kterou slyšíme později. Co se ale stane, když se reproduktor posune dozadu? A paradoxně se děje to samé, reproduktor vydává stejný zvuk, jen se v našem příkladu šíří celý v rámci objemu krabičky, aniž by překročil její limity (krabice je zavřená). Obecně lze ve výše uvedeném příkladu pozorovat poměrně hodně zajímavých fyzikálních jevů, z nichž nejvýznamnější je koncept fáze.

Zvuková vlna, kterou reproduktor vydává ve směru k posluchači, je „ve fázi“. Reverzní vlna, která jde do objemu krabice, bude odpovídajícím způsobem protifázová. Zbývá jen pochopit, co tyto pojmy znamenají? Signální fáze– toto je hladina akustického tlaku v aktuálním časovém okamžiku v určitém bodě prostoru. Nejjednodušší způsob, jak pochopit fázi, je na příkladu reprodukce hudebního materiálu běžným stojacím stereo párem domácích reproduktorových soustav. Představme si, že se v určité místnosti nainstalují dva takové stojací reproduktory a hrají. V tomto případě oba akustické systémy reprodukují synchronní signál proměnlivého akustického tlaku a akustický tlak jednoho reproduktoru se přičítá ke akustickému tlaku druhého reproduktoru. K podobnému efektu dochází v důsledku synchronicity reprodukce signálu z levého a pravého reproduktoru, jinými slovy, vrcholy a minima vln vyzařovaných levým a pravým reproduktorem se shodují.

Nyní si představme, že akustické tlaky se mění stále stejně (neprošly změnami), ale teprve nyní jsou proti sobě. To se může stát, pokud připojíte jeden reproduktorový systém ze dvou v obrácené polaritě („+“ kabel od zesilovače ke svorce „-“ reproduktorového systému a kabel „-“ od zesilovače ke svorce „+“ na reproduktorový systém). V tomto případě opačný signál způsobí tlakový rozdíl, který může být znázorněn v číslech následovně: levý reproduktor vytvoří tlak „1 Pa“ a pravý reproduktor vytvoří tlak „minus 1 Pa“. V důsledku toho bude celková hlasitost zvuku v místě posluchače nulová. Tento jev se nazývá antifáze. Podíváme-li se na příklad podrobněji pro pochopení, ukáže se, že dva reproduktory hrající „ve fázi“ vytvářejí identické oblasti zhušťování a ředění vzduchu, čímž si vlastně navzájem pomáhají. V případě idealizované protifáze bude plocha stlačeného vzdušného prostoru vytvořená jedním reproduktorem doprovázena plochou vzácného vzdušného prostoru vytvořeného druhým reproduktorem. Vypadá to přibližně jako jev vzájemného synchronního zrušení vlnění. Pravda, v praxi hlasitost neklesá k nule a uslyšíme značně zkreslený a zeslabený zvuk.

Nejdostupnější způsob, jak popsat tento jev, je následující: dva signály se stejnými oscilacemi (frekvencí), ale posunutými v čase. Vzhledem k tomu je vhodnější si tyto jevy přemístění představit na příkladu obyčejných kulatých hodin. Představme si, že na zdi visí několik stejných kulatých hodin. Když sekundové ručky těchto hodinek běží synchronně, na jedněch hodinkách 30 sekund a na druhých 30, pak je to příklad signálu, který je ve fázi. Pokud se sekundové ručky pohybují s posunem, ale rychlost je stále stejná, například na jedněch hodinkách je 30 sekund a na dalších 24 sekund, pak je to klasický příklad posunutí (posun) ve fázi. Stejným způsobem se fáze měří ve stupních ve virtuálním kruhu. V tomto případě, kdy jsou signály vůči sobě posunuty o 180 stupňů (půl periody), je získána klasická antifáze. V praxi často dochází k drobným fázovým posunům, které lze určit i ve stupních a úspěšně je eliminovat.

Vlny jsou rovinné a kulové. Čelo rovinné vlny se šíří pouze jedním směrem a v praxi se s ní setkáváme jen zřídka. Sférická vlnoplocha je jednoduchý typ vlny, která vychází z jednoho bodu a šíří se všemi směry. Zvukové vlny mít majetek difrakce, tj. schopnost obcházet překážky a předměty. Míra ohybu závisí na poměru vlnové délky zvuku k velikosti překážky nebo otvoru. K difrakci také dochází, když je v cestě zvuku nějaká překážka. V tomto případě jsou možné dva scénáře: 1) Pokud je velikost překážky velká delší vlny, pak se zvuk odrazí nebo pohltí (v závislosti na míře pohltivosti materiálu, tloušťce překážky atd.) a za překážkou se vytvoří zóna „akustického stínu“. 2) Pokud je velikost překážky srovnatelná s vlnovou délkou nebo dokonce menší než ona, pak se zvuk do určité míry ohýbá ve všech směrech. Pokud zvuková vlna při pohybu v jednom médiu narazí na rozhraní s jiným médiem (například vzduchové médium s pevným médiem), pak mohou nastat tři scénáře: 1) vlna se bude od rozhraní odrážet 2) vlna může přecházet do jiného prostředí bez změny směru 3) vlna může přecházet do jiného prostředí se změnou směru na hranici, nazývá se to „lom vlny“.

Poměr přetlaku zvukové vlny k oscilační objemové rychlosti se nazývá vlnový odpor. Mluvení jednoduchými slovy, vlnová impedance média lze nazvat schopností absorbovat zvukové vlny nebo jim „odolat“. Koeficienty odrazu a prostupu přímo závisí na poměru vlnových impedancí obou médií. Vlnový odpor v plynném prostředí je mnohem nižší než ve vodě nebo pevných látkách. Pokud tedy zvuková vlna ve vzduchu narazí na pevný předmět nebo hladinu hluboké vody, zvuk se od hladiny buď odráží, nebo je do značné míry pohlcen. To závisí na tloušťce povrchu (voda nebo pevná látka), na který dopadá požadovaná zvuková vlna. Když je tloušťka pevného nebo kapalného média malá, zvukové vlny téměř úplně „projdou“ a naopak, když je tloušťka média velká, vlny se častěji odrážejí. V případě odrazu zvukových vln k tomuto procesu dochází podle známého fyzikálního zákona: „Úhel dopadu rovný úhlu odraz". V tomto případě, když vlna z média s nižší hustotou narazí na hranici média s vyšší hustotou, nastane jev lom světla. Spočívá v ohybu (lomu) zvukové vlny po „setkání“ s překážkou a je nutně doprovázeno změnou rychlosti. Lom závisí také na teplotě prostředí, ve kterém k odrazu dochází.

V procesu šíření zvukových vln prostorem jejich intenzita nevyhnutelně klesá, dá se říci, že se vlnění utlumuje a zvuk slábne. Setkání s podobným efektem je v praxi celkem jednoduché: například když u některých stojí na poli dva lidé blízký dosah(metr nebo blíž) a začněte si něco říkat. Pokud následně zvětšíte vzdálenost mezi lidmi (pokud se začnou od sebe vzdalovat), stejná úroveň hlasitosti konverzace bude stále méně slyšitelná. Tento příklad jasně demonstruje fenomén poklesu intenzity zvukových vln. Proč se tohle děje? Důvodem jsou různé procesy výměny tepla, molekulární interakce a vnitřní tření zvukových vln. Nejčastěji se v praxi zvuková energie přeměňuje na tepelnou energii. Takové procesy nevyhnutelně vznikají v kterémkoli ze 3 médií šíření zvuku a lze je charakterizovat jako pohlcování zvukových vln.

Intenzita a stupeň absorpce zvukových vln závisí na mnoha faktorech, jako je tlak a teplota média. Absorpce závisí také na konkrétní frekvenci zvuku. Když se zvuková vlna šíří kapalinami nebo plyny, dochází mezi různými částicemi ke třecímu efektu, který se nazývá viskozita. V důsledku tohoto tření na molekulární úrovni dochází k procesu přeměny vlny ze zvuku na teplo. Jinými slovy, čím vyšší je tepelná vodivost média, tím nižší je stupeň absorpce vln. Absorpce zvuku v plynných médiích závisí také na tlaku (atmosférický tlak se mění s rostoucí nadmořskou výškou vzhledem k hladině moře). Pokud jde o závislost stupně pohltivosti na frekvenci zvuku, s přihlédnutím k výše uvedeným závislostem viskozity a tepelné vodivosti platí, že čím vyšší frekvence zvuku, tím vyšší pohltivost zvuku. Například kdy normální teplota a tlaku, ve vzduchu je pohlcení vlny o frekvenci 5000 Hz 3 dB/km a pohlcení vlny o frekvenci 50 000 Hz bude 300 dB/m.

V pevných médiích jsou všechny výše uvedené závislosti (tepelná vodivost a viskozita) zachovány, ale je k tomu přidáno několik dalších podmínek. Jsou spojeny s molekulární strukturou pevných materiálů, které mohou být různé, s vlastními nehomogenitami. V závislosti na této vnitřní pevné molekulární struktuře může být absorpce zvukových vln v tomto případě různá a závisí na typu konkrétního materiálu. Při průchodu zvuku pevným tělesem dochází u vlny k řadě přeměn a zkreslení, což vede nejčastěji k rozptylu a pohlcení zvukové energie. Na molekulární úrovni může dojít k dislokačnímu efektu, když zvuková vlna způsobí posunutí atomových rovin, které se pak vrátí do své původní polohy. Nebo vede pohyb dislokací ke srážce s dislokacemi na ně kolmými nebo defekty v krystalové struktuře, což způsobí jejich inhibici a v důsledku toho určitou absorpci zvukové vlny. Zvuková vlna však může rezonovat i s těmito defekty, což povede ke zkreslení původní vlny. Energie zvukové vlny v okamžiku interakce s prvky molekulární struktury materiálu je rozptýlena v důsledku procesů vnitřního tření.

Pokusím se utřídit funkce sluchové vnímáníčlověka a některé jemnosti a rysy šíření zvuku.

Pojem „zvuk“ nejvíce souvisí s pojmem „vlna“. Je zajímavé, že tento pojem, ač je znám naprosto každému, působí mnohým potíže, když se ho snaží jasně definovat. Na jedné straně je vlna něco, co je spojeno s pohybem, něco, co se šíří v prostoru, jako jsou vlny vyzařující v kruzích z kamene hozeného do vody. Na druhou stranu víme, že větev ležící na hladině vody se jen stěží pohne ve směru šíření vln z poblíž vrženého kamene, ale většinou se bude jen houpat na vodě. Co se přenáší v prostoru, když se šíří vlna? Ukazuje se, že určité rušení se přenáší v prostoru. Kámen vhozený do vody způsobí šplouchnutí - změnu stavu vodní hladiny a toto narušení se přenáší z jednoho bodu nádrže do druhého ve formě povrchových vibrací. Tím pádem, mávat je proces pohybu v prostoru změn stavu.

Zvuková vlna(zvukové vibrace) jsou mechanické vibrace molekul látky (například vzduchu) přenášené v prostoru. Představme si, jak se zvukové vlny šíří prostorem. V důsledku některých poruch (například v důsledku vibrací reproduktorového kužele nebo kytarové struny), které způsobují pohyb a vibrace vzduchu v určitém bodě prostoru, dochází v tomto místě k poklesu tlaku, protože vzduch je stlačený během pohybu, což má za následek přetlak, tlačí okolní vrstvy vzduchu. Tyto vrstvy jsou stlačeny, což zase vytváří přetlak, ovlivňující sousední vrstvy vzduchu. Takže, jakoby po řetězu, se počáteční narušení v prostoru přenáší z jednoho bodu do druhého. Tento proces popisuje mechanismus šíření zvukové vlny v prostoru. Těleso, které vytváří ve vzduchu poruchy (kmitání) se nazývá zdroj zvuku.

Pojem, který je nám všem známý, je „ zvuk" znamená pouze soubor zvukových vibrací vnímaných lidským sluchadlem. O tom, které vibrace člověk vnímá a které ne, si povíme později.

Zvukové vibrace, stejně jako všechny vibrace obecně, jak je známo z fyziky, jsou charakterizovány amplitudou (intenzitou), frekvencí a fází. S ohledem na vibrace zvuku je velmi důležité zmínit takovou charakteristiku, jako je rychlost šíření. Rychlost šíření vibrací, obecně řečeno, závisí na prostředí, ve kterém se vibrace šíří. Tato rychlost je ovlivněna faktory, jako je elasticita média, jeho hustota a teplota. Například čím vyšší je teplota média, tím vyšší je rychlost zvuku v něm. Za normálních podmínek (za normální teploty a tlaku) je rychlost zvuku ve vzduchu přibližně 330 m/s. Doba, po které posluchač začne vnímat vibrace zvuku, tedy závisí na vzdálenosti posluchače od zdroje zvuku a také na vlastnostech prostředí, ve kterém se zvuková vlna šíří. Je důležité si uvědomit, že rychlost šíření zvuku je téměř nezávislá na frekvenci zvukových vibrací. To mimo jiné znamená, že zvuk je vnímán přesně v pořadí, v jakém je zdrojem vytvářen. Pokud by tomu tak nebylo a zvuk jedné frekvence by se šířil rychleji než zvuk jiné frekvence, pak bychom místo např. hudby slyšeli ostrý a náhlý hluk.

Zvukové vlny se vyznačují různými jevy spojenými s šířením vln v prostoru. Uvádíme ty nejdůležitější z nich.

Rušení- zesílení zvukových vibrací v některých bodech prostoru a oslabení vibrací v jiných bodech v důsledku superpozice dvou nebo více zvukových vln. Když slyšíme zvuky různých, ale dosti blízkých frekvencí ze dvou zdrojů najednou, přijímáme buď hřebeny obou zvukových vln, nebo hřebeny jedné vlny a koryto druhé. V důsledku superpozice dvou vln se zvuk buď zesílí, nebo zeslábne, což ucho vnímá jako tepání. Tento efekt se nazývá časová interference. Samozřejmě, ve skutečnosti se interferenční mechanismus ukazuje jako mnohem složitější, ale jeho podstata se nemění. Efekt výskytu úderů se využívá při ladění dvou hudebních tónů v unisonu (např. při ladění kytary): ladění se provádí tak dlouho, dokud údery již nejsou cítit.

Zvuková vlna, když dopadá na rozhraní s jiným médiem, může se od rozhraní odrazit, přejít do jiného média, změnit směr pohybu - lámat se od rozhraní (tento jev se nazývá lom světla), být absorbován nebo současně provádět několik z uvedených akcí. Stupeň absorpce a odrazu závisí na vlastnostech prostředí na rozhraní.

Energie zvukové vlny při jejím šíření je pohlcována prostředím. Tento efekt se nazývá pohlcování zvukových vln . Existence absorpčního efektu je způsobena procesy výměny tepla a intermolekulární interakcí v médiu. Je důležité si uvědomit, že míra absorpce zvukové energie závisí jak na vlastnostech média (teplota, tlak, hustota), tak na frekvenci zvukových vibrací: čím vyšší je frekvence zvukových vibrací, tím více se zvuková vlna rozptyluje. prochází na své cestě.

Je také velmi důležité tento fenomén zmínit vlnový pohyb v uzavřeném objemu , jehož podstatou je odraz zvukových vln od stěn nějakého uzavřeného prostoru. Odrazy zvukových vibrací mohou značně ovlivnit výsledný vjem zvuku – změnit jeho barvu, sytost, hloubku. Zvuk vycházející ze zdroje umístěného v uzavřené místnosti, opakovaně dopadající a odrážející se od stěn místnosti, je tedy posluchačem vnímán jako zvuk doprovázený specifickým hučením. Tento druh hučení se nazývá dozvuk(z latinského „reverbero“ - „vyhodit“). Efekt dozvuku je velmi široce používán při zpracování zvuku, aby poskytl zvuk specifické vlastnosti a zbarvení témbru.

Schopnost ohýbat se kolem překážek je další klíčová vlastnost zvukových vln, nazývaná ve vědě difrakce. Míra ohybu závisí na vztahu mezi délkou zvukové vlny (její frekvencí) a velikostí překážky nebo otvoru v její dráze. Pokud je velikost překážky mnohem větší než vlnová délka, pak se zvuková vlna od ní odráží. Pokud se ukáže, že velikost překážky je srovnatelná s vlnovou délkou nebo menší, pak se zvuková vlna ohýbá.

Dalším efektem spojeným s pohybem vln, který si nelze zapamatovat, je efekt rezonance. Je to následovně. Zvuková vlna vytvořená nějakým oscilujícím tělesem, šířícím se prostorem, může přenést vibrační energii na jiné těleso ( rezonátor), který po pohlcení této energie začne vibrovat a ve skutečnosti se sám stává zdrojem zvuku. Tímto způsobem se původní zvuková vlna zesílí a zvuk se zesílí. Je třeba poznamenat, že v případě rezonance je energie zvukové vlny vynaložena na „houpání“ rezonátoru, což odpovídajícím způsobem ovlivňuje dobu trvání zvuku.

Dopplerův jev– další zajímavý efekt, poslední na našem seznamu, spojený s šířením zvukových vln ve vesmíru. Efekt je takový, že vlnová délka se mění podle změny rychlosti posluchače vzhledem ke zdroji vlny. Čím rychleji se posluchač (záznamový senzor) přiblíží ke zdroji vlnění, tím kratší vlnovou délku zaregistruje a naopak.

Tyto a další jevy jsou zohledňovány a široce využívány v mnoha oblastech, jako je akustika, zpracování zvuku a radar.

Zvuk jsou zvukové vlny, které způsobují vibrace drobných částic vzduchu, jiných plynů a kapalných a pevných médií. Zvuk může vzniknout pouze tam, kde existuje substance, bez ohledu na to, v jakém stavu agregace se nachází. V podmínkách vakua, kde není žádné médium, se zvuk nešíří, protože zde nejsou žádné částice, které fungují jako rozdělovače zvukových vln. Například ve vesmíru. Zvuk lze upravovat, měnit a přeměňovat v jiné formy energie. Tedy zvuk přeměněný na rádiové vlny resp elektrická energie, lze přenášet na vzdálenosti a zaznamenávat na informační média.

Zvuková vlna

Pohyby předmětů a těles téměř vždy způsobují kolísání prostředí. Je jedno, jestli je to voda nebo vzduch. Během tohoto procesu začnou vibrovat i částice média, na které se přenášejí vibrace těla. Vznikají zvukové vlny. Kromě toho jsou pohyby prováděny ve směru dopředu a dozadu a postupně se navzájem nahrazují. Proto je zvuková vlna podélná. Nikdy v něm není žádný boční pohyb nahoru a dolů.

Charakteristika zvukových vln

Jako každý fyzikální jev mají své vlastní veličiny, s jejichž pomocí lze vlastnosti popsat. Hlavní charakteristiky zvukové vlny jsou její frekvence a amplituda. První hodnota ukazuje, kolik vln se vytvoří za sekundu. Druhý určuje sílu vlny. Nízkofrekvenční zvuky mají nízké frekvenční hodnoty a naopak. Frekvence zvuku se měří v Hertzech, a pokud překročí 20 000 Hz, objeví se ultrazvuk. Existuje spousta příkladů nízkofrekvenčních a vysokofrekvenčních zvuků v přírodě a ve světě kolem nás. Cvrlikání slavíka, dunění hromu, hukot horské řeky a další, to všechno jsou různé zvukové frekvence. Amplituda vlny přímo závisí na tom, jak hlasitý je zvuk. Hlasitost se naopak snižuje se vzdáleností od zdroje zvuku. Čím dále je vlna od epicentra, tím menší je amplituda. Jinými slovy, amplituda zvukové vlny klesá se vzdáleností od zdroje zvuku.

Rychlost zvuku

Tento indikátor zvukové vlny je přímo závislý na povaze prostředí, ve kterém se šíří. Významnou roli zde hraje jak vlhkost, tak teplota vzduchu. Za průměrných povětrnostních podmínek je rychlost zvuku přibližně 340 metrů za sekundu. Ve fyzice existuje něco jako nadzvuková rychlost, která je vždy větší než rychlost zvuku. To je rychlost, kterou se zvukové vlny šíří při pohybu letadla. Letadlo se pohybuje nadzvukovou rychlostí a dokonce předbíhá zvukové vlny, které vytváří. Vlivem postupně se zvyšujícího tlaku za letadlem vzniká rázová vlna zvuku. Jednotka měření této rychlosti je zajímavá a málokdo ji zná. Jmenuje se Mach. Mach 1 se rovná rychlosti zvuku. Pokud se vlna šíří rychlostí Mach 2, pak se šíří dvakrát rychleji než rychlost zvuku.

Hluky

V Každodenní život lidé jsou přítomni neustálé zvuky. Hladina hluku se měří v decibelech. Pohyb aut, vítr, šustění listí, prolínání lidských hlasů a další zvukové ruchy jsou našimi každodenními společníky. Ale k takovým zvukům sluchový analyzátorčlověk má schopnost si na to zvyknout. Existují však i jevy, se kterými si neporadí ani adaptační schopnosti lidského ucha. Například hluk přesahující 120 dB může způsobit bolest. Nejhlasitější zvíře je modrá velryba. Když vydává zvuky, je slyšet až na 800 kilometrů daleko.

Echo

Jak vzniká ozvěna? Vše je zde velmi jednoduché. Zvuková vlna má schopnost odrážet se od různých povrchů: od vody, od skály, od stěn v prázdné místnosti. Tato vlna se k nám vrací, takže slyšíme sekundární zvuk. Není to tak jasné jako původní, protože část energie ve zvukové vlně se rozptýlí, když se pohybuje směrem k překážce.

Echolokace

Odraz zvuku se používá pro různé praktické účely. Například echolokace. Vychází z toho, že pomocí ultrazvukových vln lze určit vzdálenost k objektu, od kterého se tyto vlny odrážejí. Výpočty se provádějí měřením času, který ultrazvuku trvá cesta na místo a návrat. Mnoho zvířat má schopnost echolokace. Například netopýři a delfíni jej využívají k hledání potravy. Echolokace našla další uplatnění v medicíně. Při ultrazvukových vyšetřeních se vytváří obraz vnitřních orgánů člověka. Základem této metody je, že ultrazvuk, který vstupuje do jiného prostředí než vzduch, se vrací zpět a vytváří tak obraz.

Zvukové vlny v hudbě

Proč hudební nástroje vydávají určité zvuky? Brnkání na kytaru, brnkání na klavír, nízké tóny bubnů a trubek, okouzlující tenký hlas flétny. Všechny tyto a mnohé další zvuky vznikají v důsledku vibrací vzduchu nebo jinými slovy v důsledku výskytu zvukových vln. Proč je ale zvuk hudebních nástrojů tak rozmanitý? Ukazuje se, že to závisí na několika faktorech. Prvním je tvar nástroje, druhým materiál, ze kterého je vyroben.

Podívejme se na to na příkladu smyčcových nástrojů. Při dotyku strun se stávají zdrojem zvuku. Díky tomu začnou vibrovat a vysílat do okolí různé zvuky. Nízký zvuk jakéhokoli strunného nástroje je způsoben větší tloušťkou a délkou struny a také slabostí jejího napětí. A naopak, čím pevněji je struna napnutá, čím je tenčí a kratší, tím vyšší je zvuk získaný hraním.

Akce mikrofonu

Je založen na přeměně energie zvukových vln na elektrickou energii. V tomto případě je síla proudu a povaha zvuku přímo závislé. Uvnitř každého mikrofonu je tenká kovová deska. Při vystavení zvuku začne provádět oscilační pohyby. Spirála, ke které je deska připojena, také vibruje, což má za následek elektřina. Proč se objevuje? Mikrofon má totiž zabudované i magnety. Při kmitání spirály mezi jejími póly vzniká elektrický proud, který jde po spirále a dále do zvukového sloupu (reproduktoru) nebo do zařízení pro záznam na informační médium (kazeta, disk, počítač). Mimochodem, podobnou strukturu má i mikrofon v telefonu. Jak ale fungují mikrofony na pevné lince a mobilní telefon? Úvodní fáze je pro ně totéž - zvuk lidského hlasu přenáší své vibrace na desku mikrofonu, pak vše probíhá podle výše popsaného scénáře: spirála, která při pohybu uzavírá dva póly, vzniká proud. Co bude dál? U pevného telefonu je vše víceméně jasné – stejně jako u mikrofonu se po drátech táhne zvuk přeměněný na elektrický proud. Ale co třeba mobil nebo třeba vysílačka? V těchto případech se zvuk přemění na energii rádiových vln a zasáhne satelit. To je vše.

Rezonanční fenomén

Někdy se vytvářejí podmínky, když amplituda kmitů fyzické tělo prudce narůstá. K tomu dochází v důsledku konvergence hodnot frekvence vynucených kmitů a vlastní frekvence kmitů objektu (těla). Rezonance může být prospěšná i škodlivá. Například, aby se auto dostalo z díry, nastartuje se a zatlačí tam a zpět, aby vyvolalo rezonanci a poskytlo vozu setrvačnost. Ale byly i případy negativní důsledky rezonance. Například v Petrohradě se asi před sto lety zřítil most pod vojáky pochodujícími v jednotě.

Tato lekce pokrývá téma „Zvukové vlny“. V této lekci budeme pokračovat ve studiu akustiky. Nejprve si zopakujme definici zvukových vln, poté zvažte jejich frekvenční rozsahy a seznámíme se s pojmem ultrazvukové a infrazvukové vlny. Probereme také vlastnosti zvukových vln v různých médiích a dozvíme se, jaké jsou jejich vlastnosti. .

Zvukové vlny - jedná se o mechanické vibrace, které se šíří a spolupůsobí se sluchovým orgánem, které člověk vnímá (obr. 1).

Rýže. 1. Zvuková vlna

Obor fyziky, který se těmito vlnami zabývá, se nazývá akustika. Profesí lidí, kterým se lidově říká „posluchači“, jsou akustika. Zvuková vlna je vlna šířící se v elastickém prostředí, je to podélná vlna a při jejím šíření v elastickém prostředí se střídá komprese a výboj. Přenáší se v čase na vzdálenost (obr. 2).

Rýže. 2. Šíření zvukové vlny

Zvukové vlny zahrnují vibrace, které se vyskytují s frekvencí od 20 do 20 000 Hz. Pro tyto frekvence jsou odpovídající vlnové délky 17 m (pro 20 Hz) a 17 mm (pro 20 000 Hz). Tento rozsah se bude nazývat slyšitelný zvuk. Tyto vlnové délky jsou uvedeny pro vzduch, jehož rychlost zvuku je rovna .

Existují i ​​rozsahy, kterými se zabývají akustika - infrazvuk a ultrazvuk. Infrazvukové jsou ty, které mají frekvenci nižší než 20 Hz. A ultrazvukové jsou ty, které mají frekvenci větší než 20 000 Hz (obr. 3).

Rýže. 3. Rozsahy zvukových vln

Každý vzdělaný člověk by měl znát frekvenční rozsah zvukových vln a vědět, že pokud půjde na ultrazvuk, bude obraz na obrazovce počítače konstruován s frekvencí vyšší než 20 000 Hz.

ultrazvuk - Tento mechanické vlny, podobný zvuku, ale má frekvenci od 20 kHz do miliardy hertzů.

Nazývají se vlny s frekvencí vyšší než miliarda hertzů hyperzvuk.

Ultrazvuk se používá k detekci vad odlitků. Na zkoumanou část je směrován proud krátkých ultrazvukových signálů. V těch místech, kde nejsou žádné závady, signály procházejí dílem, aniž by je přijímač zaregistroval.

Pokud je v součásti prasklina, vzduchová dutina nebo jiná nehomogenita, ultrazvukový signál se od ní odráží a vrací se do přijímače. Tato metoda se nazývá ultrazvuková detekce defektů.

Další příklady aplikací ultrazvuku jsou stroje ultrazvukové vyšetření, ultrazvukové přístroje, ultrazvuková terapie.

Infrazvuk - mechanické vlny podobné zvukovým vlnám, ale mající frekvenci nižší než 20 Hz. Lidské ucho je nevnímá.

Přírodními zdroji infrazvukových vln jsou bouře, tsunami, zemětřesení, hurikány, sopečné erupce a bouřky.

Infrazvuk je také důležitá vlna, která se používá k rozvibrování povrchu (například k ničení některých velkých objektů). Vypustíme infrazvuk do půdy - a půda se rozpadne. Kde se to používá? Například v diamantových dolech, kde berou rudu obsahující diamantové složky a rozdrtí ji na malé částice, aby našli tyto diamantové vměstky (obr. 4).

Rýže. 4. Aplikace infrazvuku

Rychlost zvuku závisí na okolních podmínkách a teplotě (obr. 5).

Rýže. 5. Rychlost šíření zvukových vln v různých médiích

Poznámka: ve vzduchu je rychlost zvuku v rovna , a , rychlost se zvyšuje o . Pokud jste výzkumník, pak se vám tyto znalosti mohou hodit. Můžete dokonce přijít s nějakým teplotním senzorem, který bude zaznamenávat teplotní rozdíly změnou rychlosti zvuku v médiu. Již víme, že čím je prostředí hustší, tím vážnější je interakce mezi částicemi prostředí, tím rychleji se vlna šíří. V posledním odstavci jsme to probrali na příkladu suchého a vlhkého vzduchu. Pro vodu je rychlost šíření zvuku . Pokud vytvoříte zvukovou vlnu (klepete na ladičku), pak rychlost jejího šíření ve vodě bude 4x větší než ve vzduchu. Po vodě se informace dostanou 4x rychleji než vzduchem. A v oceli je to ještě rychlejší: (obr. 6).

Rýže. 6. Rychlost šíření zvukové vlny

Z eposů, které použil Ilja Muromec (a všichni hrdinové a obyčejní ruští lidé a chlapci z Gajdarovy RVS), víte, že použili velmi zajímavou metodu detekce objektu, který se blíží, ale je stále daleko. Zvuk, který vydává při pohybu, ještě není slyšet. Ilya Muromets s uchem přiloženým k zemi ji slyší. Proč? Protože zvuk je přenášen po pevné zemi vyšší rychlostí, což znamená, že se rychleji dostane k uchu Ilji Muromce a on se bude moci připravit na střetnutí s nepřítelem.

Nejzajímavějšími zvukovými vlnami jsou hudební zvuky a ruchy. Jaké předměty mohou vytvářet zvukové vlny? Vezmeme-li vlnový zdroj a elastické médium, přimějeme-li zdroj zvuku harmonicky vibrovat, pak budeme mít nádhernou zvukovou vlnu, které se bude říkat hudební zvuk. Těmito zdroji zvukových vln mohou být například struny kytary nebo klavíru. Může to být zvuková vlna, která se vytváří ve vzduchové mezeře píšťaly (varhan nebo píšťaly). Z hudebních hodin znáte noty: do, re, mi, fa, sol, la, si. V akustice se jim říká tóny (obr. 7).

Rýže. 7. Hudební tóny

Všechny objekty, které mohou produkovat tóny, budou mít vlastnosti. Jak jsou odlišní? Liší se vlnovou délkou a frekvencí. Pokud tyto zvukové vlny nejsou tvořeny harmonicky znějícími tělesy nebo nejsou spojeny do nějakého společného orchestrálního díla, pak takové množství zvuků budeme nazývat hlukem.

Hluk– náhodné kmity různé fyzikální povahy, vyznačující se složitostí své časové a spektrální struktury. Pojem hluk je domácí i fyzický, jsou si velmi podobné, a proto jej uvádíme jako samostatný důležitý předmět úvahy.

Pojďme k kvantitativní odhady zvukové vlny. Jaké jsou vlastnosti hudebních zvukových vln? Tyto charakteristiky platí výhradně pro harmonické zvukové vibrace. Tak, hlasitost. Jak se určuje hlasitost zvuku? Uvažujme šíření zvukové vlny v čase nebo kmitání zdroje zvukové vlny (obr. 8).

Rýže. 8. Hlasitost zvuku

Zároveň, pokud jsme do systému nepřidali mnoho zvuku (třebame tiše stiskneme klávesu piana), bude zvuk tichý. Pokud hlasitě zvedneme ruku vysoko, způsobíme tento zvuk úderem do klávesy, dostaneme hlasitý zvuk. Na čem to závisí? Tichý zvuk má menší amplitudu vibrací než hlasitý zvuk.

další důležitá vlastnost hudební zvuk a další - výška. Na čem závisí výška zvuku? Výška závisí na frekvenci. Můžeme přimět zdroj, aby osciloval často, nebo jej můžeme nechat oscilovat nepříliš rychle (to znamená provádět méně oscilací za jednotku času). Uvažujme časový průběh vysokého a nízkého zvuku stejné amplitudy (obr. 9).

Rýže. 9. Rozteč

Lze vyvodit zajímavý závěr. Pokud člověk zpívá basovým hlasem, pak má zdroj zvuku (to je hlasivky) kolísá několikrát pomaleji než u osoby, která zpívá soprán. V druhém případě hlasivky vibrují častěji, a proto častěji způsobují kapsy stlačení a výboje při šíření vlny.

Je tu další zajímavá charakteristika zvukové vlny, které fyzici nezkoumají. Tento témbr. Poznáte a snadno rozeznáte stejnou hudební skladbu na balalajce nebo violoncellu. Jak se tyto zvuky nebo tento výkon liší? Na začátku experimentu jsme požádali lidi, kteří produkují zvuky, aby je vytvořili přibližně stejné amplitudy, aby byla hlasitost zvuku stejná. Je to jako v případě orchestru: pokud není potřeba vyzdvihovat žádný nástroj, hrají všichni přibližně stejně, stejně silně. Takže zabarvení balalajky a violoncella je jiné. Pokud bychom měli nakreslit zvuk produkovaný jedním nástrojem z jiného pomocí diagramů, byly by stejné. Tyto nástroje ale snadno rozeznáte podle zvuku.

Další příklad důležitosti témbru. Představte si dva zpěváky, kteří vystudují stejnou hudební univerzitu se stejnými učiteli. Studovali stejně dobře, s rovnými jedničkami. Z nějakého důvodu se jeden stane vynikajícím umělcem, zatímco druhý je celý život nespokojený se svou kariérou. Ve skutečnosti je to určeno pouze jejich nástrojem, který způsobuje vokální vibrace v okolí, tj. jejich hlasy se liší barvou.

Bibliografie

1. Sokolovič Yu.A., Bogdanova G.S. Fyzika: referenční kniha s příklady řešení problémů. - 2. vydání repartice. - X.: Vesta: nakladatelství "Ranok", 2005. - 464 s.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Physics. 9. ročník: učebnice pro všeobecné vzdělávání. instituce/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“ ()

Domácí práce

1. Jak se zvuk šíří? Co by mohlo být zdrojem zvuku?
2. Může zvuk cestovat vesmírem?
3. Vnímá člověk každou vlnu, která dosáhne sluchového orgánu?

Zpěv ptáků, zvuk deště a větru, hrom, hudba - vše, co slyšíme, považujeme za zvuk.

S vědecký bod Z hlediska zvuku je zvuk fyzikálním jevem, který představuje mechanické vibrace šířící se v pevném, kapalném a plynném prostředí. Způsobují sluchové vjemy.

Jak se objevuje zvuková vlna?

Klikněte na obrázek

Všechny zvuky se šíří ve formě elastických vln. A vlny vznikají působením elastických sil, které se objevují při deformaci tělesa. Tyto síly se snaží vrátit tělo do původního stavu. Například natažená struna nezní, když stojí. Jakmile jej ale posunete do strany, pod vlivem pružnosti se bude snažit zaujmout svou původní polohu. Vibrující se stává zdrojem zvuku.

Zdrojem zvuku může být jakékoli vibrující těleso, například tenká ocelová deska upevněná na jedné straně, vzduch v hudebním dechovém nástroji, lidské hlasivky, zvonek atd.

Co se děje ve vzduchu, když dochází k vibracím?

Jako každý plyn má i vzduch pružnost. Odolává stlačení a po uvolnění tlaku se okamžitě začne roztahovat. Rovnoměrně přenáší jakýkoli tlak na něj různé strany.

Pokud prudce stlačíte vzduch pomocí pístu, tlak v tomto místě se okamžitě zvýší. Okamžitě se přenese do sousedních vrstev vzduchu. Budou se smršťovat a tlak v nich se zvýší a v předchozí vrstvě se sníží. Takže podél řetězu se střídají zóny zvýšené a nízký krevní tlak jsou předávány.

Při střídavém vychylování do stran stlačuje sondážní struna vzduch nejprve v jednom a poté v opačném směru. Ve směru, ve kterém se struna odchyluje, je tlak o určitou hodnotu vyšší než atmosférický tlak. Na opačné straně se tlak sníží o stejnou hodnotu, protože vzduch se tam zředí. Stlačování a řídnutí se budou střídat a šířit různými směry, což způsobí vibrace vzduchu. Tyto oscilace se nazývají zvuková vlna . A rozdíl mezi atmosférickým tlakem a tlakem ve vrstvě komprese nebo řídnutí vzduchu se nazývá akustický, nebo akustický tlak.

Klikněte na obrázek

Zvuková vlna se šíří nejen vzduchem, ale i kapalným a pevným prostředím. Voda například skvěle vede zvuk. Slyšíme náraz kamene pod vodou. Hluk lodních šroubů hladinové lodi zachycuje akustika ponorky. Položíme-li mechanické náramkové hodinky na jeden konec dřevěné desky, pak přiložíme-li ucho na opačný konec desky, uslyšíme jejich tikání.

Budou se zvuky ve vakuu lišit? Anglický fyzik, chemik a teolog Robert Boyle, který žil v 17. století, umístil hodiny do skleněné nádoby, ze které se odčerpával vzduch. Tikání hodin neslyšel. To znamenalo, že se zvukové vlny nešíří v prostoru bez vzduchu.

Charakteristika zvukové vlny

Tvar zvukových vibrací závisí na zdroji zvuku. Nejjednodušší formou jsou rovnoměrné nebo harmonické vibrace. Mohou být reprezentovány jako sinusoida. Takové kmity jsou charakterizovány amplitudou, vlnovou délkou a frekvencí šíření kmitů.

Amplituda

Amplituda Obecně se nazývá maximální odchylka tělesa od jeho rovnovážné polohy.

Protože zvuková vlna se skládá ze střídajících se oblastí vysokých a nízký tlak, pak je často považován za proces šíření kolísání tlaku. Proto o tom mluví amplituda tlaku vzduchu ve vlně.

Hlasitost zvuku závisí na amplitudě. Čím je větší, tím je zvuk hlasitější.

Každý zvuk lidské řeči má určitou formu vibrace, která je pro něj jedinečná. Tvar vibrací zvuku „a“ se tedy liší od tvaru vibrace zvuku „b“.

Frekvence vlny a perioda

Nazývá se počet vibrací za sekundu vlnová frekvence .

f = 1/T

Kde T – perioda oscilace. Toto je časový úsek, během kterého dojde k jedné úplné oscilaci.

Čím delší období, tím nižší frekvence a naopak.

Jednotkou měření frekvence v mezinárodním měřicím systému SI je hertz (Hz). 1 Hz je jeden kmit za sekundu.

1 Hz = 1 s-1.

Například frekvence 10 Hz znamená 10 vibrací za sekundu.

1 000 Hz = 1 kHz

Výška tónu závisí na frekvenci vibrací. Čím vyšší frekvence, tím vyšší je výška zvuku.

Lidské ucho není schopno vnímat všechny zvukové vlny, ale pouze ty, které mají frekvenci od 16 do 20 000 Hz. Právě tyto vlny jsou považovány za zvuk. Vlny, jejichž frekvence je pod 16 Hz, se nazývají infrazvukové a nad 20 000 Hz se nazývají ultrazvukové.

Člověk nevnímá infrazvukové ani ultrazvukové vlny. Ale zvířata a ptáci jsou schopni slyšet ultrazvuk. Například motýl obecný rozlišuje zvuky s frekvencí od 8 000 do 160 000 Hz. Rozsah vnímaný delfíny je ještě širší, pohybuje se od 40 do 200 tisíc Hz.

Vlnová délka

Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma nejbližšími body harmonické vlny, které jsou ve stejné fázi, například mezi dvěma hřebeny. Označeno jako ƛ .

Za dobu rovnající se jedné periodě vlna urazí vzdálenost rovnající se její délce.

Rychlost šíření vlny

proti = ƛ /T

Protože T = 1/f,

Že proti = ƛ f

Rychlost zvuku

Pokusy určit rychlost zvuku pomocí experimentů byly provedeny již v první polovině 17. století. Anglický filozof Francis Bacon ve svém díle „New Organon“ navrhl svůj vlastní způsob řešení tohoto problému, založený na rozdílu v rychlosti světla a zvuku.

Je známo, že rychlost světla je mnohem vyšší než rychlost zvuku. Proto při bouřce nejprve vidíme záblesk blesku a teprve potom slyšíme dunění hromu. Ze znalosti vzdálenosti mezi zdrojem světla a zvuku a pozorovatele a také doby mezi zábleskem světla a zvukem lze vypočítat rychlost zvuku.

Francouzský vědec Marin Marsenne využil Baconova nápadu. Pozorovatel umístěný v určité vzdálenosti od osoby vystřelující z muškety zaznamenal čas, který uplynul od záblesku světla do zvuku výstřelu. Poté byla vzdálenost vydělena časem, abychom získali rychlost zvuku. Podle výsledků experimentu vyšla rychlost 448 m/s. To byl hrubý odhad.

Na začátku 19. století skupina vědců z pařížské akademie věd tento experiment zopakovala. Podle jejich výpočtů byla rychlost světla 350-390 m/s. Ale ani tento údaj nebyl přesný.

Teoreticky se Newton pokusil vypočítat rychlost světla. Své výpočty založil na Boyle-Mariotteově zákoně, který popisoval chování plynu v izotermický proces (při konstantní teplotě). A to se stane, když se objem plynu mění velmi pomalu a má čas přenést teplo, které se v něm vytváří, do prostředí.

Newton předpokládal, že mezi oblastmi komprese a zředění se teplota rychle vyrovná. Ale tyto podmínky ve zvukové vlně neexistují. Vzduch špatně vede teplo a vzdálenost mezi vrstvami stlačení a zředění je velká. Teplo z kompresní vrstvy nemá čas přejít do vrstvy zředění. A mezi nimi vzniká teplotní rozdíl. Proto se Newtonovy výpočty ukázaly jako nesprávné. Udávali hodnotu 280 m/s.

Francouzský vědec Laplace byl schopen vysvětlit, že Newtonovou chybou bylo, že se zvuková vlna šíří vzduchem v adiabatické podmínkách, s měnícími se teplotami. Podle Laplaceových výpočtů je rychlost zvuku ve vzduchu při teplotě 0 o C 331,5 m/s. Navíc se zvyšuje s rostoucí teplotou. A když teplota stoupne na 20 o C, bude již rovných 344 m/s.

V různých médiích se zvukové vlny šíří různými rychlostmi.

Pro plyny a kapaliny se rychlost zvuku vypočítá podle vzorce:

Kde S - rychlost zvuku,

β - adiabatická stlačitelnost média,

ρ - hustota.

Jak je ze vzorce vidět, rychlost závisí na hustotě a stlačitelnosti média. Na vzduchu je ho méně než v kapalině. Například ve vodě o teplotě 20 o C se rovná 1484 m/s. Navíc čím vyšší je slanost vody, tím rychleji se přes ni šíří zvuk.

Rychlost zvuku ve vodě byla poprvé změřena v roce 1827. Tento experiment trochu připomínal měření rychlosti světla Marinem Marsennem. Z boku jednoho člunu byl spuštěn do vody zvon. Ve vzdálenosti více než 13 km od první lodi byla druhá. Na prvním člunu došlo k úderu na zvon a zároveň k zapálení střelného prachu. Na druhém člunu byl zaznamenán čas záblesku a poté čas příchodu zvuku ze zvonu. Vydělením vzdálenosti časem jsme dostali rychlost zvukové vlny ve vodě.

Zvuk má nejvyšší rychlost na pevných médiích. Například v oceli dosahuje více než 5000 m/s.