ZVUK: HISTORIE, VLASTNOSTI, ZPŮSOB VÝROBY, TYPY - FYZICKÝ - 2025

Zvuk je definován jako perturbace na sadby v médiu, jako je vzduch, a to střídavě vytváří komprese a expanze v něm. Tyto změny tlaku vzduchu a hustoty zasáhnou ucho a jsou interpretovány mozkem jako sluchové pocity.

Zvuky doprovázejí život od jeho vzniku a jsou součástí nástrojů, které zvířata musí komunikovat mezi sebou as okolím. Někteří lidé tvrdí, že rostliny také poslouchají, ale v každém případě mohli vnímat vibrace prostředí, i když nemají sluchové zařízení jako vyšší zvířata.

Obrázek 1. Roztržení zvukové bariéry

Kromě používání zvuku pro komunikaci prostřednictvím řeči ho lidé používají také jako umělecký výraz prostřednictvím hudby. Všechny kultury, staré i nedávné, mají hudební projevy všeho druhu, prostřednictvím nichž vyprávějí své příběhy, zvyky, náboženské přesvědčení a pocity.

Dějiny

Kvůli jeho důležitosti, lidstvo stalo se zaujaté studiem jeho přírody a vytvořilo akustiku, odvětví fyziky oddané vlastnostem a chování zvukových vln.

Je známo, že slavný matematik Pythagoras (569-475 př.nl) strávil dlouhou dobu studiem rozdílů ve výšce (frekvenci) mezi zvuky. Na druhou stranu Aristoteles, který spekuloval o všech aspektech přírody, správně tvrdil, že zvuk sestával z expanzí a kompresí ve vzduchu.

Později slavný římský inženýr Vitruvius (80-15 př.nl) napsal pojednání o akustice a jejích aplikacích při výstavbě divadel. Sám Isaac Newton (1642-1727) studoval šíření zvuku v pevném médiu a určoval vzorec pro jeho rychlost šíření.

Matematické nástroje výpočtu postupem času umožňovaly přiměřeně vyjádřit veškerou složitost vlnového chování.

Zvukové charakteristiky (vlastnosti)

Ve své nejjednodušší formě lze zvukovou vlnu popsat jako sinusovou vlnu, která se šíří v čase a prostoru, jako je ta, která je znázorněna na obrázku 2. Tam je pozorováno, že vlna je periodická, to znamená, že má způsob, který se opakuje v čase.

Směr šíření a směr, ve kterém se částice vibračního média pohybují, jsou podélnou vlnou stejné.

Parametry zvukové vlny

Obrázek 2. Zvuk je podélná vlna, porucha se šíří ve stejném směru, v jakém dochází k jejich posunutí. Zdroj: Wikimedia Commons.

Parametry zvukové vlny jsou:

Období T: je doba potřebná k opakování fáze vlny. V mezinárodním systému se měří v sekundách.

Cyklus: je část vlny obsažené v periodě a pokrývá se z jednoho bodu do druhého, který má stejnou výšku a stejný sklon. Může to být z jednoho údolí do druhého, z jednoho hřebene do dalšího nebo z jednoho bodu do druhého, který splňuje popsanou specifikaci.

Vlnová délka λ: je vzdálenost mezi jedním a druhým vrcholem vlny, mezi jedním údolím a druhým nebo obecně mezi jedním a druhým bodem se stejnou výškou a sklonem. Je to délka, která se měří v metrech, i když jiné jednotky jsou vhodnější v závislosti na typu vlny.

Frekvence f: je definována jako počet cyklů na jednotku času. Jeho jednotka je Hertz (Hz).

Amplituda A: odpovídá maximální výšce vlny vzhledem k horizontální ose.

Jak se zvuk vytváří a šíří?

Zvuk je vydáván, když je objekt, který je ponořen do materiálního média, vibrován, jak je znázorněno na spodní straně obrázku 2. Napnutá membrána reproduktoru vlevo vibruje a přenáší rušení vzduchem, dokud není dorazí k posluchači.

Jak se porucha šíří, energie je přenášena na molekuly v prostředí, které spolu navzájem interagují, prostřednictvím expanzí a kompresí. Pro šíření zvuku vždy potřebujete materiální médium, ať už je to pevná látka, kapalina nebo plyn.

Když porucha ve vzduchu dosáhne ucha, změny tlaku vzduchu způsobí vibraci ušního bubínku. To vede k elektrickým impulzům, které jsou přenášeny do mozku sluchovým nervem, a jakmile jsou impulsy převedeny do zvuku.

Rychlost zvuku

Rychlost mechanických vln v daném médiu sleduje tento vztah:

Například při šíření v plynu, jako je vzduch, lze rychlost zvuku vypočítat jako:

Jak se teplota zvyšuje, zvyšuje se také rychlost zvuku, protože molekuly v médiu jsou ochotnější vibrovat a přenášet vibrace prostřednictvím svých pohybů. Tlak na druhou stranu nemá vliv na jeho hodnotu.

Vztah mezi vlnovou délkou a frekvencí

Už jsme viděli, že čas potřebný k dokončení cyklu vlnou je období, zatímco vzdálenost ujetá v tomto časovém období se rovná jedné vlnové délce. Proto je rychlost v zvuku definována jako:

Na druhé straně, frekvence a období jsou příbuzné, jeden je inverzní k druhému, jako toto:

Což vede k:

Slyšitelný frekvenční rozsah u lidí je mezi 20 a 20 000 Hz, proto vlnová délka zvuku je při nahrazování hodnot ve výše uvedené rovnici mezi 1,7 cm a 17 m.

Tyto vlnové délky jsou velikostí společných objektů, které ovlivňují šíření zvuku, protože jsou vlnou, zažívají odraz, lom a difrakci, když narazí na překážky.

Zkušenost s difrakcí znamená, že zvuk je ovlivněn, když narazí na překážky a otvory, které jsou svou vlnovou délkou blízké nebo menší.

Basové zvuky se mohou nejlépe šířit na velké vzdálenosti, proto sloni používají ke komunikaci napříč svými rozsáhlými oblastmi infrazvuk (zvuky velmi nízkých frekvencí, které jsou pro lidské ucho neslyšitelné).

Také když je hudba v blízké místnosti, bas je slyšet lépe než výšky, protože jeho vlnová délka je o velikosti dveří a oken. Na druhou stranu, když opouštíme místnost, vysoké zvuky se snadno ztratí, a proto přestanou být slyšet.

Jak se měří zvuk?

Zvuk sestává z řady kompresí a vzácných vzduchových vln, takže se šíří a způsobuje zvyšování a snižování tlaku. V mezinárodním systému je tlak měřen v pascalech, což je zkratka Pa.

Stává se, že tyto změny jsou velmi malé ve srovnání s atmosférickým tlakem, který má hodnotu asi 101 000 Pa.

I ty nejhlasitější zvuky způsobují výkyvy až 20–30 Pa (práh bolesti), což je ve srovnání s poměrně malým množstvím. Ale pokud můžete tyto změny změřit, máte způsob měření zvuku.

Hluk je rozdíl mezi atmosférickým tlakem a atmosférickým tlakem bez zvuku. Jak jsme již řekli, nejhlasitější zvuky vytvářejí zvukový tlak 20 Pa, zatímco nejslabší způsobují asi 0,00002 Pa (zvukový práh).

Protože rozsah zvukových tlaků překračuje několik sil 10, měla by se pro jejich označení použít logaritmická stupnice.

Na druhé straně experimentálně bylo určeno, že lidé vnímají změny zvuků nízké intenzity zřetelněji než změny stejné velikosti, ale intenzivní zvuky.

Například, pokud se akustický tlak zvýší o 1, 2, 4, 8, 16…, ucho vnímá zvýšení intenzity o 1, 2, 3, 4…. Z tohoto důvodu je vhodné definovat novou veličinu nazvanou hladina akustického tlaku (hladina akustického tlaku) L _P, definovaná jako:

Kde P _o je referenční tlak, který se bere jako sluchový práh, a P ₁ je střední efektivní tlak nebo tlak RMS. Tento RMS nebo průměrný tlak je to, co ucho vnímá jako průměrnou energii zvukového signálu.

Decibely

Výsledkem výše uvedeného výrazu pro L _P, při hodnocení pro různé hodnoty P ₁, je uveden v decibelech, množství bezrozměrný. Vyjádření takové úrovně akustického tlaku je velmi výhodné, protože logaritmy převádějí velká čísla na menší, lépe zvládnutelná čísla.

V mnoha případech je však pro stanovení decibelů výhodnější než intenzita zvuku použít intenzitu zvuku.

Intenzita zvuku je energie, která teče po dobu jedné sekundy (energie) povrchem jednotky orientovaným kolmo ke směru, ve kterém se vlna šíří. Stejně jako akustický tlak je to skalární veličina a označuje se I. Jednotky I jsou W / m ², tj. Výkon na jednotku plochy.

Lze ukázat, že intenzita zvuku je úměrná čtverci akustického tlaku:

V tomto výrazu ρ je hustota média ac je rychlost zvuku. Potom je úroveň intenzity zvuku L _I definována jako:

Což je také vyjádřeno v decibelech a někdy je označováno řeckým písmenem β. Referenční hodnota I _o je 1 x 10 ^-12 W / m ². Tedy 0 dB představuje dolní mez lidského sluchu, zatímco prah bolesti je 120 dB.

Protože se jedná o logaritmické měřítko, je třeba zdůraznit, že malé rozdíly v počtu decibelů mají velký vliv na intenzitu zvuku.

Měřič hladiny zvuku

Hlukoměr nebo decibelmetr je zařízení používané k měření akustického tlaku, které udává měření v decibelech. Je navržen tak, aby na něj reagoval stejným způsobem jako lidské ucho.

Obrázek 3. Měřič hladiny zvuku nebo decibelmetr se používá k měření hladiny akustického tlaku. Zdroj: Wikimedia Commons.

Skládá se z mikrofonu pro shromažďování signálu, více obvodů se zesilovači a filtry, které jsou odpovědné za přiměřenou přeměnu tohoto signálu na elektrický proud, a konečně ze stupnice nebo obrazovky pro zobrazení výsledku odečtu.

Jsou široce používány k určení dopadu určitých hluků na lidi a životní prostředí. Například zvuky v továrnách, průmyslových odvětvích, na letištích, hluk z dopravy a mnoho dalších.

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

Zvuk je charakterizován jeho frekvencí. Podle těch, které může lidské ucho zachytit, jsou všechny zvuky klasifikovány do tří kategorií: ty, které slyšíme, nebo slyšitelné spektrum, ty, které mají frekvenci pod dolní hranicí slyšitelného spektra nebo infrazvuku, a zvuky, které jsou nad slyšitelným spektrem. horní limit, zvaný ultrazvuk.

V každém případě, protože zvukové vlny se mohou lineárně překrývat, každodenní zvuky, které někdy interpretujeme jako jedinečné, ve skutečnosti sestávají z různých zvuků s různými, ale blízkými frekvencemi.

Obrázek 4. Zvukové spektrum a frekvenční rozsahy. Zdroj: Wikimedia Commons.

Zvukové spektrum

Lidské ucho je navrženo tak, aby zachytilo široký rozsah frekvencí: mezi 20 a 20 000 Hz, ale ne všechny frekvence v tomto rozsahu jsou vnímány se stejnou intenzitou.

Ucho je citlivější ve frekvenčním pásmu mezi 500 a 6 000 Hz, existují však i další faktory, které ovlivňují schopnost vnímat zvuk, například věk.

Infrasound

Jsou to zvuky, jejichž frekvence je menší než 20 Hz, ale skutečnost, že je lidé nemohou slyšet, neznamená, že jiná zvířata nemohou. Sloni je používají například ke komunikaci, protože infrazvuk může cestovat na velké vzdálenosti.

Jiná zvířata, například tygr, je používají k omráčení své kořisti. Infrasound se také používá při detekci velkých objektů.

Ultrazvuk

Mají frekvence větší než 20 000 Hz a jsou široce používány v mnoha oborech. Jedním z nejvýznamnějších použití ultrazvuku je nástroj medicíny, a to jak diagnostické, tak léčebné. Obrazy získané ultrazvukem jsou neinvazivní a nepoužívají ionizující záření.

Ultrazvuk se také používá k nalezení poruch ve strukturách, určení vzdáleností, detekci překážek během navigace a další. Zvířata také využívají ultrazvuk a ve skutečnosti tak byla objevena jeho existence.

Netopýři vydávají zvukové impulsy a poté interpretují ozvěnu, kterou produkují, aby odhadli vzdálenosti a lokalizovali kořist. Z jejich strany mohou psi také slyšet ultrazvuk, a proto reagují na píšťalku, kterou jejich majitel neslyší.

Monofonický zvuk a stereofonní zvuk

Obrázek 4. V nahrávacím studiu je zvuk vhodně upraven elektronickými zařízeními. Zdroj: Pixabay.

Monofonický zvuk je signál zaznamenaný jediným mikrofonem nebo zvukovým kanálem. Při poslechu se sluchátky nebo zvukovými rohy slyší obě uši to samé. Naproti tomu stereofonní zvuk zaznamenává signály se dvěma nezávislými mikrofony.

Mikrofony jsou umístěny na různých pozicích, aby mohly zachytit různé zvukové tlaky toho, co chcete zaznamenat.

Pak každé ucho přijme jeden z těchto souborů signálů a když je mozek shromažďuje a interpretuje, výsledek je mnohem realističtější než při poslechu monofonních zvuků. Jedná se tedy o preferovanou metodu, pokud jde o hudbu a film, ačkoli monofonní nebo monofonní zvuk se v rádiu stále používá, zejména pro rozhovory a rozhovory.

Homofonie a polyfonie

Hudebně se homofonie skládá ze stejné melodie, kterou hrají dva nebo více hlasů nebo nástrojů. Na druhou stranu v polyfonii existují dva nebo více hlasů nebo nástrojů stejné důležitosti, které sledují melodie a dokonce i různé rytmy. Výsledný soubor těchto zvuků je harmonický, jako je hudba Bacha.

Basové a výškové zvuky

Lidské ucho rozlišuje slyšitelné frekvence jako vysoké, nízké nebo střední. To je to, co se nazývá rozteč zvuku.

Nejvyšší frekvence, mezi 1600 a 20 000 Hz, jsou považovány za akutní zvuky, pásmo mezi 400 a 1600 Hz odpovídá zvukům se středním tónem a konečně frekvence v rozsahu 20 až 400 Hz jsou basové tóny.

Basové zvuky se liší od výšek v tom, že první jsou vnímány jako hluboké, tmavé a vzkvétající, zatímco druhé jsou světlé, jasné, radostné a pronikavé. Ucho je také interpretuje jako intenzivnější, na rozdíl od basových zvuků, které vyvolávají pocit menší intenzity.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Vlny a kvantová fyzika. Série: Fyzika pro vědu a techniku. Editoval D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. 6. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Poznámky k hudební akustice. Obnoveno z: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Akustika. Obnoveno z: es.wikipedia.org.