ZVUK: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, SPÔSOB VÝROBY, TYPY - FYZICKÝ

Zvuk je definovaný ako perturbace na sadby v médiu, ako je vzduch, a to striedavo vytvára kompresie a expanzie v ňom. Tieto zmeny tlaku vzduchu a hustoty sa dostanú do ucha a mozog ich interpretuje ako sluchové pocity.

Zvuky sprevádzajú život od jeho vzniku a sú súčasťou nástrojov, ktoré zvieratá musia navzájom komunikovať a so svojím prostredím. Niektorí ľudia tvrdia, že rastliny tiež počúvajú, ale v každom prípade mohli vnímať vibrácie prostredia, aj keď nemajú sluchové zariadenie ako vyššie zvieratá.

Obrázok 1. Roztrhnutie zvukovej bariéry

Okrem použitia zvuku na komunikáciu prostredníctvom reči ho ľudia používajú aj ako umelecký prejav prostredníctvom hudby. Všetky kultúry, staroveké aj nedávne, majú hudobné prejavy všetkého druhu, prostredníctvom ktorých rozprávajú svoje príbehy, zvyky, náboženské presvedčenie a pocity.

histórie

Kvôli svojej dôležitosti sa ľudstvo zaujímalo o štúdium jeho povahy a vytvorilo akustiku, odvetvie fyziky venované vlastnostiam a správaniu zvukových vĺn.

Je známe, že slávny matematik Pythagoras (569 - 475 pred Kr.) Strávil dlho štúdiom rozdielov vo výške (frekvencii) medzi zvukmi. Na druhej strane Aristoteles, ktorý špekuloval o všetkých aspektoch prírody, správne tvrdil, že zvuk pozostáva z expanzií a kompresií vo vzduchu.

Neskôr slávny rímsky inžinier Vitruvius (80 - 15 pnl) napísal pojednanie o akustike a jeho aplikáciách pri výstavbe divadiel. Sám Isaac Newton (1642 - 1727) študoval šírenie zvuku v pevnom médiu a určoval vzorec pre svoju rýchlosť šírenia.

Matematické nástroje výpočtu v priebehu času umožnili primerane vyjadriť všetku zložitosť vlnového správania.

Zvukové charakteristiky (vlastnosti)

Vo svojej najjednoduchšej podobe možno zvukovú vlnu opísať ako sínusovú vlnu, šíriacu sa v čase a priestore, ako je tá, ktorá je znázornená na obrázku 2. Tam je pozorované, že vlna je periodická, to znamená, že má spôsob, ktorý sa opakuje v čase.

Smer šírenia a smer, v ktorom sa pohybujú častice vibračného média, sú pozdĺžnou vlnou rovnaké.

Parametre zvukových vĺn

Obrázok 2. Zvuk je pozdĺžna vlna, porucha sa šíri v rovnakom smere, v akom molekuly prechádzajú k ich posunu. Zdroj: Wikimedia Commons.

Parametre zvukovej vlny sú:

Obdobie T: je čas potrebný na zopakovanie fázy vlny. V medzinárodnom systéme sa meria v sekundách.

Cyklus : je časť vlny obsiahnutej v perióde a pokrýva sa z jedného bodu do druhého, ktorá má rovnakú výšku a rovnaký sklon. Môže to byť z jedného údolia do nasledujúceho, z jedného hrebeňa do druhého alebo z jedného bodu do druhého, ktorý spĺňa opísanú špecifikáciu.

Vlnová dĺžka λ : je vzdialenosť medzi jedným hrebeňom a druhým vlnom, medzi jedným údolím a druhým, alebo všeobecne medzi jedným a druhým bodom s rovnakou výškou a sklonom. Je to dĺžka, ktorá sa meria v metroch, hoci iné jednotky sú vhodnejšie v závislosti od typu vlny.

Frekvencia f : je definovaná ako počet cyklov za jednotku času. Jeho jednotka je Hertz (Hz).

Amplitúda A: zodpovedá maximálnej výške vlny vzhľadom na horizontálnu os.

Ako sa vytvára a šíri zvuk?

Zvuk sa vytvára, keď je objekt, ktorý je ponorený do materiálneho média, vibrovaný, ako je znázornené na spodnej časti obrázku 2. Napnutá membrána reproduktora vľavo vibruje a prenáša rušenie vzduchom, až kým sa dostane k poslucháčovi.

Ako sa porucha šíri, energia sa prenáša na molekuly v prostredí, ktoré vzájomne pôsobia, prostredníctvom expanzií a kompresií. Na šírenie zvuku potrebujete vždy materiálne médium, či už ide o pevné látky, kvapaliny alebo plyny.

Keď porucha vo vzduchu dosiahne ucho, zmeny tlaku vzduchu spôsobia vibráciu ušného bubienka. To vedie k elektrickým impulzom, ktoré sa prenášajú do mozgu cez sluchový nerv a akonáhle sa impulzy premenia na zvuk.

Rýchlosť zvuku

Rýchlosť mechanických vĺn v danom médiu sleduje tento vzťah:

Napríklad pri šírení v plyne, ako je vzduch, sa môže rýchlosť zvuku vypočítať ako:

Ako sa teplota zvyšuje, zvyšuje sa aj rýchlosť zvuku, pretože molekuly v médiu sú ochotnejšie vibrovať a prenášať vibrácie prostredníctvom svojich pohybov. Tlak na druhej strane nemá vplyv na jeho hodnotu.

Vzťah medzi vlnovou dĺžkou a frekvenciou

Už sme videli, že čas potrebný na dokončenie cyklu vlnou je perióda, zatiaľ čo vzdialenosť ubehnutá v tomto časovom období sa rovná jednej vlnovej dĺžke. Preto je rýchlosť v zvuku definovaná ako:

Čo sa týka časti, frekvencia a perióda súvisia, pričom jedna je inverzná k druhej, ako je táto:

Čo vedie k:

Počuteľný frekvenčný rozsah u ľudí je medzi 20 a 20 000 Hz, preto pri nahradení hodnôt vo vyššie uvedenej rovnici je vlnová dĺžka zvuku medzi 1,7 cm a 17 m.

Tieto vlnové dĺžky sú veľkosťou bežných objektov, ktorá ovplyvňuje šírenie zvuku, pretože je vlnou, keď narazí na prekážky, prejavuje odraz, lom a difrakciu.

Skúsenosť s difrakciou znamená, že zvuk je ovplyvňovaný, keď narazí na prekážky a otvory, ktoré sú svojou vlnovou dĺžkou blízke alebo menšie.

Basové zvuky sa môžu šíriť lepšie na veľké vzdialenosti, preto sloni používajú na komunikáciu cez svoje obrovské územia infrazvuk (zvuky veľmi nízkej frekvencie, ktoré sú pre ľudské ucho nepočuteľné).

Aj keď sa v neďalekej miestnosti nachádza hudba, basy sa počujú lepšie ako výšky, pretože jeho vlnová dĺžka je približne o veľkosti dverí a okien. Na druhej strane, keď opúšťajú miestnosť, zvuky s vysokým sklonom sa ľahko stratia, a preto ich prestane počuť.

Ako sa meria zvuk?

Zvuk pozostáva zo série kompresií a zriedkavých vzduchov takým spôsobom, že pri šírení zvuku zvyšuje a znižuje tlak. V medzinárodnom systéme sa tlak meria v pascaloch, čo je skratka Pa.

Stáva sa, že tieto zmeny sú veľmi malé v porovnaní s atmosférickým tlakom, ktorý má hodnotu asi 101 000 Pa.

Dokonca aj tie najhlasnejšie zvuky spôsobujú výkyvy už od 20 do 30 Pa (prah bolesti), v porovnaní s pomerne malým množstvom. Ak však dokážete tieto zmeny zmerať, máte spôsob merania zvuku.

Akustický tlak je rozdiel medzi atmosférickým tlakom so zvukom a atmosférickým tlakom bez zvuku. Ako sme už povedali, najhlasnejšie zvuky vytvárajú zvukový tlak 20 Pa, zatiaľ čo najslabšie zvuky spôsobujú približne 0,00002 Pa (prah zvuku).

Pretože rozsah zvukových tlakov prekračuje niekoľko síl 10, na ich označenie by sa mala použiť logaritmická stupnica.

Na druhej strane sa experimentálne zistilo, že ľudia vnímajú zmeny zvukov nízkej intenzity výraznejšie ako zmeny rovnakej veľkosti, ale intenzívne zvuky.

Napríklad, ak sa akustický tlak zvýši o 1, 2, 4, 8, 16…, ucho vníma zvýšenie intenzity 1, 2, 3, 4…. Z tohto dôvodu je vhodné definovať novú veličinu nazývanú hladina akustického tlaku (hladina akustického tlaku) L _P , definovaná ako:

Kde P _o je referenčný tlak, ktorý sa berie ako prah sluchu, a P ₁ je stredný efektívny tlak alebo tlak RMS. Tento RMS alebo priemerný tlak je to, čo ucho vníma ako priemernú energiu zvukového signálu.

decibelov

Výsledkom vyššie uvedeného výrazu pre L _P , pri hodnotení pre rôzne hodnoty P ₁ , je uvedený v decibeloch, množstve bezrozmerná. Vyjadrenie hladiny akustického tlaku takýmto spôsobom je veľmi výhodné, pretože logaritmy prevádzajú veľké čísla na menšie, lepšie zvládnuteľné čísla.

V mnohých prípadoch je však na určenie decibelov radšej použiť zvukovú intenzitu ako zvukový tlak.

Intenzita zvuku je energia, ktorá tečie počas jednej sekundy (energia) cez povrch jednotky orientovaný kolmo na smer, v ktorom sa vlna šíri. Ako akustického tlaku, je množstvo skalárne a je označovaný I. jednotiek, z Aj, vo W / m ² , ktorý je, výkon na jednotku plochy.

Je možné preukázať, že intenzita zvuku je úmerná druhej mocnine akustického tlaku:

V tomto výraze ρ je hustota média ac je rýchlosť zvuku. Potom je úroveň intenzity zvuku L _I definovaná ako:

Ktorý je tiež vyjadrený v decibeloch a niekedy je označený gréckym písmenom β. Referenčná hodnota Aj _o je 1 x 10 ^-12 W / m ² . Takže 0 dB predstavuje dolnú hranicu ľudského sluchu, zatiaľ čo prah bolesti je 120 dB.

Keďže ide o logaritmickú stupnicu, je potrebné zdôrazniť, že malé rozdiely v počte decibelov spôsobujú veľký rozdiel v intenzite zvuku.

Merač hladiny zvuku

Hlukomer alebo decibelmeter je zariadenie používané na meranie akustického tlaku, ktoré udáva meranie v decibeloch. Je navrhnutý tak, aby naň reagoval rovnako, ako by to robilo ľudské ucho.

Obrázok 3. Merač hladiny zvuku alebo decibelmeter sa používa na meranie hladiny akustického tlaku. Zdroj: Wikimedia Commons.

Pozostáva z mikrofónu na zber signálu, viacerých obvodov so zosilňovačmi a filtrami, ktoré sú zodpovedné za primeranú transformáciu tohto signálu na elektrický prúd, a nakoniec z mierky alebo obrazovky, ktorá zobrazuje výsledok odčítania.

Často sa používajú na určovanie vplyvu určitých zvukov na ľudí a životné prostredie. Napríklad zvuky v továrňach, priemysle, na letiskách, hluk z dopravy a mnoho ďalších.

Typy zvuku (infrazvuk, ultrazvuk, mono, stereo, polyfónny, homofonický, basový, výškový)

Zvuk sa vyznačuje frekvenciou. Podľa tých, ktoré môže ľudské ucho zachytiť, sú všetky zvuky klasifikované do troch kategórií: zvuky, ktoré počujeme, alebo zvukové spektrum, tie, ktoré majú frekvenciu pod dolnou hranicou zvukového spektra alebo infrazvuku, a tie, ktoré sú nad zvukovým spektrom. horná hranica, nazývaná ultrazvuk.

V každom prípade, pretože zvukové vlny sa môžu prekrývať lineárne, každodenné zvuky, ktoré niekedy interpretujeme ako jedinečné, v skutočnosti pozostávajú z rôznych zvukov s rôznymi, ale úzkymi frekvenciami.

Obrázok 4. Zvukové spektrum a frekvenčné rozsahy. Zdroj: Wikimedia Commons.

Zvukové spektrum

Ľudské ucho je navrhnuté tak, aby zachytávalo širokú škálu frekvencií: medzi 20 a 20 000 Hz, ale nie všetky frekvencie v tomto rozsahu sú vnímané s rovnakou intenzitou.

Ucho je citlivejšie vo frekvenčnom pásme od 500 do 6 000 Hz, existujú však aj ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú schopnosť vnímať zvuk, napríklad vek.

infrazvuk

Sú to zvuky, ktorých frekvencia je menšia ako 20 Hz, ale skutočnosť, že ich ľudia nemôžu počuť, neznamená, že iné zvieratá to nemôžu. Napríklad ich používajú na komunikáciu, pretože infrazvuk môže cestovať na veľké vzdialenosti.

Iné zvieratá, ako napríklad tigr, ich používajú na omráčenie svojej koristi. Infrasound sa používa aj na detekciu veľkých objektov.

ultrazvuk

Majú frekvencie vyššie ako 20 000 Hz a sú široko používané v mnohých oblastiach. Jedným z najvýznamnejších spôsobov použitia ultrazvuku je diagnostický aj liečebný nástroj medicíny. Obraz získaný ultrazvukom je neinvazívny a nepoužíva ionizujúce žiarenie.

Ultrazvuk sa používa aj na zisťovanie porúch v štruktúrach, určovanie vzdialeností, zisťovanie prekážok počas navigácie a ďalšie. Zvieratá tiež využívajú ultrazvuk a v skutočnosti tak bola objavená jeho existencia.

Netopiere vysielajú zvukové impulzy a potom interpretujú ozvenu, ktorú produkujú, aby odhadli vzdialenosti a našli korisť. Čo sa týka psov, môžu tiež počuť ultrazvuk, a preto reagujú na pískanie psov, ktoré ich majiteľ nepočuje.

Monofónny zvuk a stereofónny zvuk

Obrázok 4. V nahrávacom štúdiu je zvuk primerane upravovaný elektronickými zariadeniami. Zdroj: Pixabay.

Monofónny zvuk je signál zaznamenaný jediným mikrofónom alebo zvukovým kanálom. Keď počúvate so slúchadlami alebo zvukovými rohmi, obidve uši počujú presne to isté. Naproti tomu stereofónny zvuk zaznamenáva signály s dvoma nezávislými mikrofónmi.

Mikrofóny sú umiestnené na rôznych pozíciách, aby mohli zachytávať rôzne zvuky pri tom, čo chcete nahrávať.

Potom každé ucho prijme jeden z týchto signálov a keď ich mozog zhromažďuje a interpretuje, výsledok je oveľa realistickejší ako pri počúvaní monofónnych zvukov. Preto ide o uprednostňovanú metódu, pokiaľ ide o hudbu a film, hoci v rádiu sa stále používa monofónny alebo monofónny zvuk, najmä pri rozhovoroch a rozhovoroch.

Homofónia a polyfónia

Z hudobného hľadiska pozostáva homofónia z tej istej melódie, ktorú hrajú dva alebo viac hlasov alebo nástrojov. Na druhej strane, pri polyfónii existujú dva alebo viac hlasov alebo nástrojov rovnakej dôležitosti, ktoré sledujú melódie a dokonca rôzne rytmy. Výsledný súbor týchto zvukov je harmonický, ako napríklad hudba Bacha.

Basové a výškové zvuky

Ľudské ucho rozlišuje počuteľné frekvencie ako vysoké, nízke alebo stredné. Toto je známe ako výška zvuku.

Za akútne zvuky sa považujú najvyššie frekvencie medzi 1600 a 20 000 Hz, pásmo medzi 400 a 1600 Hz zodpovedá zvukom so stredným tónom a nakoniec frekvencie v rozsahu 20 až 400 Hz sú basové tóny.

Basové zvuky sa líšia od výšok v tom, že prvé sú vnímané ako hlboké, tmavé a prosperujúce, zatiaľ čo druhé sú svetlé, jasné, radostné a prenikavé. Ucho ich interpretuje aj intenzívnejšie, na rozdiel od basových zvukov, ktoré vyvolávajú pocit menšej intenzity.

Referencie

Figueroa, D. 2005. Vlny a kvantová fyzika. Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Editoval D. Figueroa.
Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6 .. Ed Prentice Hall.
Rocamora, A. Poznámky k hudobnej akustike. Získané z: eumus.edu.uy.
Serway, R., Jewett, J. (2008). Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 1. 7.. Ed. Cengage Learning.
Wikipedia. Akustika. Obnovené z: es.wikipedia.org.

ZVUK: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, SPÔSOB VÝROBY, TYPY - FYZICKÝ - 2025