Zvučni talas je talasni proces koji se dešava u gasovitim, tečnim i čvrstim medijima, koji, kada dospe do ljudskih slušnih organa, oni percipiraju kao zvuk. Frekvencija ovih talasa je u rasponu od 20 do 20.000 oscilacija u sekundi. Dajemo formule za zvučni val i detaljnije razmatramo njegova svojstva.
Zašto postoji zvučni talas?
Mnogi ljudi se pitaju šta je zvučni talas. Priroda zvuka leži u pojavi perturbacije u elastičnom mediju. Na primjer, kada se u određenom volumenu zraka pojavi poremećaj tlaka u obliku kompresije, ovo područje ima tendenciju širenja u prostoru. Ovaj proces dovodi do kompresije zraka u područjima uz izvor, koji također imaju tendenciju širenja. Ovaj proces pokriva sve više i više prostora dok ne dođe do nekog prijemnika, na primjer, do ljudskog uha.
Opšte karakteristike zvučnih talasa
Razmotrimo šta je zvučni talas i kako ga percipira ljudsko uho. Zvučni talasUzdužno je, kada uđe u ušnu školjku, uzrokuje vibracije bubne opne određene frekvencije i amplitude. Ove fluktuacije možete predstaviti i kao periodične promjene tlaka u mikrovolumini zraka u blizini membrane. Prvo se povećava u odnosu na normalni atmosferski tlak, a zatim se smanjuje, poštujući matematičke zakone harmonijskog kretanja. Amplituda promene kompresije vazduha, odnosno razlika između maksimalnog ili minimalnog pritiska koji stvara zvučni talas, sa atmosferskim pritiskom proporcionalna je amplitudi samog zvučnog talasa.
Mnogi fizički eksperimenti su pokazali da je maksimalni pritisak koji ljudsko uho može da percipira, a da mu ne ošteti, iznosi 2800 µN/cm2. Za poređenje, recimo da je atmosferski pritisak blizu zemljine površine 10 miliona µN/cm2. Uzimajući u obzir proporcionalnost pritiska i amplitude oscilovanja, možemo reći da je potonja vrednost beznačajna čak i za najjače talase. Ako govorimo o dužini zvučnog talasa, onda će za frekvenciju od 1000 vibracija u sekundi to biti hiljaditi dio centimetra.
Najslabiji zvukovi stvaraju fluktuacije pritiska reda veličine 0,001µN/cm2, odgovarajuća amplituda oscilacije talasa za frekvenciju od 1000 Hz je 10- 9cm, dok je prosečan prečnik molekula vazduha 10-8 cm, odnosno ljudsko uho je izuzetno osetljiv organ.
Koncept intenziteta zvučnih talasa
Sa geometrijskimSa stanovišta zvučnog talasa, to je vibracija određenog oblika, sa fizičke tačke gledišta, glavno svojstvo zvučnih talasa je njihova sposobnost prenosa energije. Najvažniji primjer prijenosa energije valova je sunce, čiji zračeni elektromagnetski valovi obezbjeđuju energiju cijeloj našoj planeti.
Intenzitet zvučnog talasa u fizici je definisan kao količina energije koju talas nosi kroz jediničnu površinu, koja je okomita na širenje talasa, i po jedinici vremena. Ukratko, intenzitet talasa je njegova snaga koja se prenosi kroz jediničnu površinu.
Jačina zvučnih talasa se obično meri u decibelima, koji se zasnivaju na logaritamskoj skali, pogodnoj za praktičnu analizu rezultata.
Intenzitet različitih zvukova
Sljedeća decibelska skala daje ideju o značenju različitih intenziteta zvuka i senzacija koje izaziva:
- prag za neugodne i neugodne senzacije počinje od 120 decibela (dB);
- čekić za zakivanje stvara buku od 95 dB;
- brzi voz - 90 dB;
- prometna ulica - 70 dB;
- glasnoća normalnog razgovora između ljudi je 65 dB;
- Moderni automobil koji se kreće umjerenim brzinama stvara buku od 50 dB;
- prosječna jačina radija - 40 dB;
- tihi razgovor - 20 dB;
- šum lišća drveća - 10 dB;
- Minimalni prag ljudske zvučne osjetljivosti je blizu 0 dB.
Osetljivost ljudskog uha zavisi odfrekvencija zvuka i predstavlja maksimalnu vrijednost za zvučne valove frekvencije 2000-3000 Hz. Za zvuk u ovom frekventnom opsegu, donji prag ljudske osetljivosti je 10-5 dB. Više i niže frekvencije od navedenog intervala dovode do povećanja donjeg praga osjetljivosti na način da osoba čuje frekvencije blizu 20 Hz i 20.000 Hz samo pri njihovom intenzitetu od nekoliko desetina dB.
Što se tiče gornjeg praga intenziteta, nakon kojeg zvuk počinje izazivati neugodnosti za osobu, pa čak i bol, treba reći da on praktički ne ovisi o frekvenciji i leži u rasponu od 110-130 dB.
Geometrijske karakteristike zvučnog talasa
Pravi zvučni talas je složen oscilatorni paket uzdužnih talasa, koji se može razložiti na jednostavne harmonijske vibracije. Svaka takva oscilacija je opisana sa geometrijske tačke gledišta sljedećim karakteristikama:
- Amplituda - maksimalno odstupanje svake sekcije talasa od ravnoteže. Za ovu vrijednost, oznaka A.
- Period. Ovo je vrijeme potrebno jednostavnom valu da dovrši svoju potpunu oscilaciju. Nakon tog vremena, svaka tačka vala počinje da ponavlja svoj oscilatorni proces. Period se obično označava slovom T i mjeri se u sekundama u SI sistemu.
- Frekvencija. Ovo je fizička veličina koja pokazuje koliko oscilacija pravi talas u sekundi. To jest, po svom značenju, to je vrijednost inverzna periodu. Označava se latiničnim slovom f. Za frekvenciju zvučnog talasa, formula za njegovo određivanje kroz period je sljedeća: f=1/T.
- Dužina talasa je udaljenost koju pređe u jednom periodu oscilovanja. Geometrijski gledano, valna dužina je udaljenost između dva najbliža maksimuma ili dva najbliža minimuma na sinusnoj krivulji. Dužina oscilacije zvučnog vala je udaljenost između najbližih područja kompresije zraka ili najbližih mjesta njegovog razrjeđivanja u prostoru u kojem se val kreće. Obično se označava grčkim slovom λ.
- Brzina širenja zvučnog talasa je razdaljina na kojoj se prostire oblast kompresije ili oblast razređivanja talasa u jedinici vremena. Ova vrijednost je označena slovom v. Za brzinu zvučnog talasa, formula je: v=λf.
Geometrija čistog zvučnog talasa, odnosno talasa konstantne čistoće, poštuje sinusni zakon. U opštem slučaju, formula zvučnog talasa je: y=Asin(ωt), gde je y vrednost koordinate date tačke talasa, t je vreme, ω=2pif je frekvencija ciklične oscilacije.
Aperiodični zvuk
Mnogi izvori zvuka se mogu smatrati periodičnim, na primjer, zvuk iz muzičkih instrumenata kao što su gitara, klavir, flauta, ali postoji i veliki broj zvukova u prirodi koji su aperiodični, odnosno mijenjaju se zvučne vibracije njihovu frekvenciju i oblik u prostoru. Tehnički, ova vrsta zvuka se naziva buka. svijetaoprimjeri aperiodičnih zvukova su urbana buka, šum mora, zvuci udaraljki, kao što je bubanj, i drugi.
Medijum za širenje zvuka
Za razliku od elektromagnetnog zračenja, čijim fotonima nije potreban nikakav materijalni medij za širenje, priroda zvuka je takva da je za njegovo širenje potreban određeni medij, odnosno, prema zakonima fizike, zvučni valovi ne mogu propagirati u vakuumu.
Zvuk može putovati kroz gasove, tečnosti i čvrste materije. Glavne karakteristike zvučnog talasa koji se širi u medijumu su sledeće:
- val se širi linearno;
- jednako se širi u svim pravcima u homogenom mediju, odnosno, zvuk se odvaja od izvora, formirajući savršenu sferičnu površinu.
- bez obzira na amplitudu i frekvenciju zvuka, njegovi talasi se šire istom brzinom u datom mediju.
Brzina zvučnih talasa u raznim medijima
Brzina širenja zvuka zavisi od dva glavna faktora: medijuma u kome se talas kreće i temperature. Općenito, vrijedi sljedeće pravilo: što je medij gušći i što je njegova temperatura viša, to se zvuk u njemu brže kreće.
Na primer, brzina širenja zvučnog talasa u vazduhu blizu zemljine površine na temperaturi od 20 ℃ i vlažnosti od 50% je 1235 km/h ili 343 m/s. U vodi na datoj temperaturi zvuk tada putuje 4,5 puta bržeima oko 5735 km/h ili 1600 m/s. Što se tiče zavisnosti brzine zvuka od temperature u vazduhu, ona se povećava za 0,6 m/s sa porastom temperature za svaki stepen Celzijusa.
Timbar i ton
Ako je žica ili metalna ploča dozvoljena da slobodno vibriraju, proizvodiće zvukove različitih frekvencija. Vrlo je rijetko pronaći tijelo koje bi emitovalo zvuk jedne određene frekvencije, obično zvuk objekta ima skup frekvencija u određenom intervalu.
Timbar zvuka je određen brojem prisutnih harmonika u njemu i njihovim odgovarajućim intenzitetima. Timbar je subjektivna vrijednost, odnosno percepcija objekta koji zvuči od strane određene osobe. Timbar se obično karakteriše sledećim pridevima: visok, briljantan, zvučni, melodičan i tako dalje.
Ton je zvučni osjećaj koji omogućava da se klasifikuje kao visok ili nizak. Ova vrijednost je također subjektivna i ne može se izmjeriti nikakvim instrumentom. Ton je povezan s objektivnom veličinom - frekvencijom zvučnog vala, ali ne postoji nedvosmislen odnos između njih. Na primjer, za jednofrekventni zvuk konstantnog intenziteta, ton se povećava kako se frekvencija povećava. Ako frekvencija zvuka ostane konstantna, ali se njegov intenzitet povećava, tada ton postaje niži.
Oblik izvora zvuka
Prema obliku tijela koje mehanički vibrira i time stvara zvuk, postoje tri glavne vrste izvora zvučnih talasa:
- Point source. Proizvodi zvučne valove sfernog oblika i brzo opadaju s udaljenosti od izvora (približno 6dB ako se udaljenost od izvora udvostruči).
- Izvor linije. Stvara cilindrične talase čiji se intenzitet smanjuje sporije nego iz tačkastog izvora (za svako udvostručenje udaljenosti od izvora, intenzitet se smanjuje za 3 dB).
- Ravan ili dvodimenzionalni izvor. Stvara valove samo u određenom smjeru. Primjer takvog izvora bi bio klip koji se kreće u cilindru.
Elektronski izvori zvuka
Za stvaranje zvučnog talasa, elektronski izvori koriste posebnu membranu (zvučnik), koja vrši mehaničke vibracije zbog fenomena elektromagnetne indukcije. Ovi izvori uključuju sljedeće:
- playeri za razne diskove (CD, DVD i drugi);
- kasetofoni;
- radio;
- TV i neki drugi.
