Čo je to zvuková vlna. Vplyv podmienok prostredia. Akustické parametre bežných miestností

18. februára 2016

Svet domácej zábavy je dosť pestrý a môže zahŕňať: sledovanie filmov na dobrom systéme domáceho kina; vzrušujúce a vzrušujúce hranie alebo počúvanie hudby. Spravidla si v tejto oblasti každý nájde to svoje, prípadne skombinuje všetko naraz. Ale bez ohľadu na ciele človeka pri organizovaní voľného času a do akéhokoľvek extrému, všetky tieto prepojenia sú pevne spojené jedným jednoduchým a zrozumiteľným slovom - „zvuk“. Skutočne, vo všetkých vyššie uvedených prípadoch nás bude viesť zvuk. 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 kladie za cieľ získať kvalitný hlasový prejav.

Ďalej sa budeme zaoberať teóriou zvuku a akustiky z hľadiska fyziky. IN v tomto prípade Pokúsim sa to čo najviac sprístupniť pochopeniu každého človeka, ktorý možno ani zďaleka nepozná fyzikálne zákony či vzorce, no napriek tomu vášnivo sníva o realizácii sna o vytvorení dokonalého akustického systému. Neodvažujem sa povedať, aby som dosiahol dobré výsledky v tejto oblasti, doma (alebo napríklad v aute), musíte tieto teórie dôkladne poznať, ale pochopenie základov vám umožní vyhnúť sa mnohým hlúpym a absurdným chybám a tiež vám umožní dosiahnuť maximálny zvukový efekt zo systému akejkoľvek úrovne.

Všeobecná teória zvuku a hudobná terminológia

Čo je to zvuk? Toto je vnem, ktorý vníma sluchový orgán "ucho"(samotný jav existuje 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 rôzne frekvencie.
Zvuková vlna ide v podstate o sekvenčný rad zhutňovania a vypúšťania média (za normálnych podmienok najčastejšie vzduchového média) rôznych frekvencií. Charakter zvukových vĺn je oscilačný, spôsobený a produkovaný vibráciou akéhokoľvek telesa. 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 sa nevyhnutne vyskytnú určité zmeny, napríklad zmena hustoty alebo tlaku vzduchu, pohyb častíc vzdušnej hmoty 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 oscilácií za časové obdobie rovnajúce sa jednej sekunde. Tie. napríklad frekvencia 20 Hz označuje cyklus 20 oscilácií za jednu sekundu. Od frekvencie zvuku závisí aj subjektívne poňatie jeho výšky. Čím viac zvukových vibrácií sa vyskytne za sekundu, tým „vyšší“ sa zvuk objaví. 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 je schopný počuť trochu viac, niekto menej) . To teda neznamená, 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 nie je v priamom kontakte s ľudským sluchovým orgánom, potom takýto zvuk nemusí byť počuť alebo môže byť následne 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 sluchom veľmi dobre rozlíšiteľná, zatiaľ čo zvuky v tomto intervale si môžu byť navzájom veľmi podobné. Oktávou možno nazvať aj zvuk, ktorý v rovnakom časovom úseku vibruje dvakrát viac 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. Oktáva sa zase skladá z tónov a presahov. Premenlivé vibrácie v harmonickej zvukovej vlne rovnakej frekvencie vníma ľudské ucho ako hudobný tón. Oscilácie vysoká frekvencia možno interpretovať ako vysoké zvuky, nízkofrekvenčné vibrácie ako nízke zvuky. Ľudské ucho je schopné zreteľne rozlíšiť zvuky s rozdielom jedného tónu (v rozsahu až 4000 Hz). Napriek tomu hudba používa extrémne malý počet tónov. Je to vysvetlené úvahami 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, bude dôsledne pozorovaný jeden špecifický tón zvuku a budeme počuť požadovanú frekvenciu ladenia. Tento zvuk sa nazýva základný tón. Frekvencia tónu „A“ prvej oktávy je oficiálne akceptovaná ako základný tón v hudobnom poli, rovná sa 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 medzi podtóny v momente, keď sa zvuk objaví.

Alikvoty tvoria špecifické zafarbenie základného tónu, pomocou ktorého 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 podľa definície sú násobky základnej frekvencie. Naopak, ak podtóny nie sú násobky a citeľne sa odchyľujú od hodnôt, tak sa volajú neharmonické. V hudbe je prevádzka s viacerými podtónmi prakticky vylúčená, preto sa tento výraz redukuje na pojem „podtón“, čo znamená harmonický. Pri niektorých nástrojoch, napríklad pri klavíri, sa základný tón ani nestihne sformovať, v krátkom čase sa zvuková energia podtónov zvýši a potom rovnako rýchlo ubúda. Mnoho nástrojov vytvára to, čo sa nazýva efekt „prechodového tónu“, kde je energia určitých podtónov najvyššia 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 na základné frekvencie, ktoré je daný konkrétny nástroj schopný produkovať.

V teórii zvuku existuje aj taký pojem ako HLUČNÝ HLUK. Hluk- ide o akýkoľvek zvuk, ktorý vzniká kombináciou zdrojov, ktoré sú navzájom nekonzistentné. Každý pozná zvuk listov stromov, ktoré sa hojdajú 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 bežnej konverzácii je intenzita približne 9 alebo 10 W/cm2. Ľudské ucho je schopné vnímať zvuky v pomerne širokom rozsahu citlivosti, pričom citlivosť frekvencií je v rámci zvukového spektra heterogénna. Takto sa najlepšie vníma frekvenčný rozsah 1000 Hz - 4000 Hz, ktorý najviac pokrýva ľudskú reč.

Pretože zvuky sa veľmi líšia v intenzite, je vhodnejšie si to predstaviť ako logaritmickú veličinu a merať ju v decibeloch (podľa škótskeho vedca Alexandra Grahama Bella). Dolný prah citlivosti sluchu ľudského ucha je 0 dB, horný 120 dB, nazývaný aj „ prah bolesti"Horná hranica citlivosti tiež nie je ľudským uchom vnímaná rovnako, ale závisí od konkrétnej frekvencie. Nízkofrekvenčné zvuky musia mať oveľa väčšiu intenzitu ako vysoké, aby spôsobili prah bolesti. Napríklad prah bolesti pri nízka frekvencia 31,5 Hz sa vyskytuje pri úrovni sily zvuku 135 dB, keď pri frekvencii 2000 Hz sa pocit bolesti objavuje už pri 112 dB.Existuje aj pojem akustický tlak, ktorý v skutočnosti rozširuje zaužívané vysvetlenie šírenie 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 potrubí naplnenom vzduchom. Ak reproduktor urobí prudký pohyb dopredu, vzduch v bezprostrednej blízkosti difúzora sa na chvíľu stlačí. Vzduch sa potom roztiahne, čím sa oblasť stlačeného vzduchu posunie pozdĺž potrubia.
Tento vlnový pohyb sa následne zmení na zvuk, keď dosiahne sluchový orgán a „vzruší“ ušný bubienok. Keď sa v plyne vyskytne zvuková vlna, vytvorí sa nadmerný tlak a nadmerná hustota a častice sa pohybujú konštantnou rýchlosťou. Pri zvukových vlnách je dôležité pamätať na skutočnosť, že látka sa nepohybuje spolu so zvukovou vlnou, ale dochádza len k dočasnému narušeniu vzdušných hmôt.

Ak si predstavíme piest zavesený vo voľnom priestore na pružine a vykonávajúci opakované pohyby „tam a späť“, potom takéto kmity budeme nazývať harmonické alebo sínusové (ak si vlnu predstavíme ako graf, potom v tomto prípade dostaneme čistý sínusoida s opakovanými poklesmi a vzostupmi). Ak si predstavíme reproduktor v potrubí (ako v príklade popísanom vyššie), ktorý vykonáva harmonické kmity, potom v momente, keď sa reproduktor pohybuje „vpred“, dosiahne sa známy efekt kompresie vzduchu a keď sa reproduktor posunie „dozadu“, dochádza k opačnému efektu riedenia. 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, ale 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 priečne vlnenie má vlastnosť polarizácie (kmitanie prebieha v určitej rovine), zatiaľ čo pozdĺžne vlnenie 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 nastáva bez výmeny tepla s okolitými časticami a nazýva sa adiabatická.
Rýchlosť zvuku v plyne závisí najmä od teploty – s rastúcou teplotou sa zvyšuje a s klesajúcou teplotou klesá. Rýchlosť zvuku v plynnom médiu tiež 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.

V kvapalnom a pevnom prostredí je princíp šírenia a rýchlosť zvuku podobný, ako sa šíri vlna vo vzduchu: kompresiou-výbojom. Ale v týchto prostrediach 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 zložitejšia 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 dochádza k efektu odrazu vĺn od hraníc. V dôsledku toho sa to najčastejšie vyskytuje interferenčný efekt- keď sa dve alebo viac zvukových vĺn navzájom prekrývajú. Špeciálne prípady interferenčné javy sú vytváranie: 1) bicích vĺn alebo 2) stojatých vĺn. Údery vĺn- to je prípad, keď dôjde k pridaniu vĺn s podobnými frekvenciami a amplitúdami. Obrázok výskytu úderov: keď sa dve vlny podobných frekvencií navzájom prekrývajú. V určitom časovom bode, s takýmto prekrytím, sa vrcholy amplitúdy môžu zhodovať „vo fáze“ a poklesy sa môžu zhodovať aj 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. Pre ucho je tento vzor úderov rozlíšený celkom jasne a je počuť ako periodické zvyšovanie a znižovanie hlasitosti. Mechanizmus, ktorým sa tento efekt vyskytuje, je mimoriadne jednoduchý: keď sa vrcholy zhodujú, objem sa zväčšuje a keď sa údolia zhodujú, objem sa 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) sa objaví obraz superpozície dvoch frekvenčných amplitúd so striedajúcimi sa maximami (tzv. antinody) a minimami (takzvané 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 v dôsledku skutočnosti, že dopredné a spätné vlny, ktoré tvoria túto vlnu, prenášajú energiu v rovnakých množstvách v smere dopredu aj v opačnom smere. Pre jasné pochopenie udalosti stojatá vlna, predstavme si príklad z domácej akustiky. Povedzme, že máme stojace reproduktorové sústavy v nejakom obmedzenom priestore (miestnosti). Nútite ich hrať nejakú pesničku veľké množstvo basy, skúsme zmeniť umiestnenie poslucháča v miestnosti. Čiže poslucháč, ktorý sa ocitne v zóne minima (odčítania) stojatej vlny, pocíti efekt, že basov je veľmi málo a ak sa poslucháč ocitne v zóne maxima (sčítania) frekvencií, tak 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 prirodzenú rezonančnú frekvenciu. Tento efekt je celkom ľahké pochopiť na príklade obyčajnej rúry, ktorá je otvorená len na jednom konci. Predstavme si situáciu, že na druhý koniec potrubia je pripojený reproduktor, ktorý dokáže hrať jednu konštantnú frekvenciu, ktorá sa dá aj neskôr zmeniť. Takže potrubie má prirodzenú rezonančnú frekvenciu jednoduchým jazykom je frekvencia, pri ktorej fajka "rezonuje" alebo vytvára svoj vlastný zvuk. Ak sa frekvencia reproduktora (v dôsledku nastavenia) zhoduje s rezonančnou frekvenciou potrubia, dôjde k niekoľkonásobnému zvýšeniu hlasitosti. Stáva sa to preto, že reproduktor vybudí vibrácie vzduchového stĺpca v potrubí so značnou amplitúdou, kým sa nenájde rovnaká „rezonančná frekvencia“ a nenastane efekt sčítania. Výsledný jav možno opísať nasledovne: fajka v tomto príklade „pomáha“ reproduktoru tým, že rezonuje na určitej frekvencii, ich úsilie sa sčítava a „výsledkom je“ počuteľný hlasný efekt. Na príklade hudobných nástrojov je tento jav ľahko viditeľný, pretože dizajn väčšiny nástrojov obsahuje prvky nazývané rezonátory. Nie je ťažké uhádnuť, čo slúži na zvýraznenie určitej frekvencie alebo hudobného tónu. Napríklad: telo gitary s rezonátorom vo forme otvoru zodpovedajúceho hlasitosti; Konštrukcia flautovej trubice (a všetkých rúr 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. Tento graf sa nazýva graf zvukového frekvenčného spektra. Frekvenčné spektrum zvuku Existujú dva typy: diskrétne a spojité. Diskrétny graf spektra zobrazuje jednotlivé frekvencie oddelené prázdnymi medzerami. Spojité spektrum obsahuje všetky zvukové frekvencie naraz.
V prípade hudby alebo akustiky sa najčastejšie používa bežný graf Amplitúdovo-frekvenčné charakteristiky(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 resp slabé stránky konkrétneho reproduktora alebo akustického systému ako celku, najsilnejších oblastí výdaja energie, poklesov a vzostupov frekvencie, útlmu a tiež sledovať strmosť poklesu.

Šírenie zvukových vĺn, fáza a antifáza

Proces šírenia zvukových vĺn prebieha vo všetkých smeroch od zdroja. Najjednoduchším príkladom na pochopenie tohto javu je kamienok hodený do vody.
Od miesta, kde kameň dopadol, sa po hladine vody začnú šíriť vlny na všetky strany. Predstavme si však situáciu s reproduktorom v určitej hlasitosti, povedzme uzavretou skrinkou, ktorá je napojená na zosilňovač a hrá nejaký hudobný signál. Je ľahké si všimnúť (najmä ak použijete silný nízkofrekvenčný signál, napríklad basový bubon), že reproduktor urobí rýchly pohyb „dopredu“ a potom rovnaký rýchly pohyb „dozadu“. Zostáva pochopiť, že keď sa reproduktor pohybuje dopredu, vydáva zvukovú vlnu, ktorú počujeme neskôr. Čo sa však stane, keď sa reproduktor posunie dozadu? A paradoxne sa deje to isté, reproduktor vydáva rovnaký zvuk, len v našom príklade sa šíri celý v rámci objemu boxu, bez toho, aby prekročil jeho hranice (box je zatvorený). Vo všeobecnosti možno vo vyššie uvedenom príklade pozorovať pomerne veľa zaujímavých fyzikálnych javov, z ktorých najvýznamnejší je koncept fázy.

Zvuková vlna, ktorú reproduktor vydáva 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. Najjednoduchší spôsob, ako pochopiť fázu, je na príklade reprodukcie hudobného materiálu konvenčným stojacim stereo párom domácich reproduktorových systémov. Predstavme si, že v určitej miestnosti sú nainštalované dva takéto stojanové reproduktory a hrajú. V tomto prípade oba akustické systémy reprodukujú synchrónny signál premenlivého akustického tlaku a akustický tlak jedného reproduktora sa pripočítava k akustickému tlaku druhého reproduktora. K podobnému efektu dochádza v dôsledku synchronicity reprodukcie signálu z ľavého a pravého reproduktora, inými slovami, vrcholy a minimá vĺn vyžarovaných ľavým a pravým reproduktorom sa zhodujú.

Teraz si predstavme, že akustické tlaky sa stále menia rovnakým spôsobom (neprešli zmenami), ale až teraz sú proti sebe. To sa môže stať, ak pripojíte jeden reproduktorový systém z dvoch v obrátenej polarite („+“ kábel zo zosilňovača do „-“ konektora reproduktorového systému a „-“ kábel zo zosilňovača do „+“ konektora na reproduktorový systém). V tomto prípade opačný signál spôsobí tlakový rozdiel, ktorý môže byť vyjadrený v číslach nasledovne: ľavý reproduktor vytvorí tlak „1 Pa“ a pravý reproduktor vytvorí tlak „mínus 1 Pa“. V dôsledku toho bude celková hlasitosť zvuku v mieste poslucháča nulová. Tento jav sa nazýva antifáza. Ak sa pozrieme na príklad podrobnejšie, aby sme pochopili, ukázalo sa, že dva reproduktory hrajúce „vo fáze“ vytvárajú identické oblasti zhutňovania a riedenia vzduchu, čím si vlastne navzájom pomáhajú. V prípade idealizovanej protifázy bude oblasť stlačeného vzduchu vytvorená jedným reproduktorom sprevádzaná oblasťou zúženého vzdušného priestoru vytvoreného druhým reproduktorom. Vyzerá to približne ako fenomén vzájomného synchrónneho rušenia vĺn. Pravda, v praxi hlasitosť neklesne na nulu a budeme počuť značne skreslený a oslabený zvuk.

Najdostupnejší spôsob, ako opísať tento jav, je nasledovný: dva signály s rovnakými osciláciami (frekvenciou), ale posunuté v čase. Vzhľadom na to je vhodnejšie predstaviť si tieto javy posunutia na príklade obyčajných okrúhlych hodín. Predstavme si, že na stene visí niekoľko rovnakých okrúhlych hodín. Keď sekundové ručičky týchto hodiniek bežia synchrónne, na jedných 30 sekúnd a na druhých 30, potom je to príklad signálu, ktorý je vo fáze. Ak sa sekundové ručičky pohybujú s posunom, ale rýchlosť je stále rovnaká, napríklad na jedných hodinkách je to 30 sekúnd a na iných 24 sekúnd, potom ide o klasický príklad fázového posunu. Rovnakým spôsobom sa fáza meria v stupňoch vo virtuálnom kruhu. V tomto prípade, keď sú signály voči sebe posunuté o 180 stupňov (pol periódy), získa sa klasická protifáza. V praxi sa často vyskytujú menšie fázové posuny, ktoré je možné určiť aj v stupňoch a úspešne ich eliminovať.

Vlny sú rovinné a sférické. Čelo rovinnej vlny sa šíri len jedným smerom a v praxi sa s ním stretávame len zriedka. Sférická vlna je jednoduchý typ vlny, ktorá vychádza z jedného bodu a šíri sa všetkými smermi. Zvukové vlny mať majetok difrakcia, t.j. schopnosť obchádzať prekážky a predmety. Stupeň ohybu závisí od pomeru vlnovej dĺžky zvuku k veľkosti prekážky alebo otvoru. K difrakcii dochádza aj vtedy, keď je v ceste zvuku nejaká prekážka. V tomto prípade sú možné dva scenáre: 1) Ak je veľkosť prekážky oveľa väčšia 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 je veľkosť prekážky porovnateľná s vlnovou dĺžkou alebo dokonca menšia, 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), potom 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 vlnový odpor. jednoduchými slovami, vlnová impedancia média možno nazvať schopnosťou absorbovať zvukové vlny alebo im „odolať“. Koeficienty odrazu a priepustnosti priamo závisia od pomeru vlnových impedancií dvoch médií. Odolnosť voči vlnám v plynnom prostredí je oveľa nižšia ako vo vode alebo pevných látkach. Ak teda zvuková vlna vo vzduchu zasiahne pevný predmet alebo povrch hlboká voda, vtedy sa zvuk buď odráža od povrchu, alebo ho vo významnej miere pohltí. To závisí od hrúbky povrchu (vodného alebo pevného), na ktorý dopadá požadovaná zvuková vlna. Keď je hrúbka pevného alebo tekutého média nízka, zvukové vlny takmer úplne „prechádzajú“ a naopak, keď je hrúbka média veľká, vlny sa častejšie odrážajú. V prípade odrazu zvukových vĺn tento proces prebieha podľa známeho fyzikálneho zákona: „Uhol dopadu rovný uhlu odraz". V tomto prípade, keď vlna z média s nižšou hustotou narazí na hranicu s médiom s vyššou hustotou, nastáva jav lom. Spočíva v ohybe (refrakcii) zvukovej vlny po „stretnutí“ s prekážkou a je nevyhnutne sprevádzaná zmenou rýchlosti. Lom závisí aj od teploty prostredia, v ktorom dochádza k odrazu.

V procese šírenia zvukových vĺn v priestore ich intenzita nevyhnutne klesá, dá sa povedať, že vlnenie sa tlmí a zvuk slabne. Stretnutie s podobným efektom je v praxi celkom jednoduché: napríklad ak dvaja ľudia stoja na poli pri niektorých blízky dosah(meter alebo bližšie) a začnite si niečo hovoriť. Ak následne zväčšíte vzdialenosť medzi ľuďmi (ak sa začnú od seba vzďaľovať), rovnaká úroveň hlasitosti konverzácie bude čoraz menej počuteľná. Tento príklad jasne demonštruje jav poklesu intenzity zvukových vĺn. Prečo sa to deje? Dôvodom sú rôzne procesy výmeny tepla, molekulárnej interakcie a vnútorného trenia zvukových vĺn. Najčastejšie sa v praxi zvuková energia premieňa 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 závisí aj od konkrétnej frekvencie zvuku. Keď sa zvuková vlna šíri kvapalinami alebo plynmi, dochádza k efektu trenia medzi rôznymi časticami, ktorý sa nazýva viskozita. V dôsledku tohto trenia na molekulárnej úrovni dochádza k procesu premeny vlny zo zvuku na teplo. 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, berúc do úvahy vyššie uvedené závislosti viskozity a tepelnej vodivosti, čím vyššia je frekvencia zvuku, tým vyššia je pohltivosť zvuku. Napríklad kedy normálna teplota a tlaku, vo vzduchu je absorpcia vlny s frekvenciou 5000 Hz 3 dB/km a absorpcia vlny s frekvenciou 50 000 Hz bude 300 dB/m.

V tuhých médiách sú všetky vyššie uvedené závislosti (tepelná vodivosť a viskozita) zachované, ale k tomu sa pridáva niekoľko ďalších 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. Pri prechode zvuku pevným telesom dochádza vo vlne k množstvu premien a skreslení, čo najčastejšie vedie k rozptylu a pohlcovaniu zvukovej energie. Na molekulárnej úrovni môže dôjsť k dislokačnému efektu, keď zvuková vlna spôsobí posunutie atómových rovín, ktoré sa potom vrátia do svojej pôvodnej polohy. Alebo pohyb dislokácií vedie ku kolízii s dislokáciami na ne kolmými alebo defektmi v kryštálovej štruktúre, čo spôsobuje ich inhibíciu 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 vyriešiť funkcie sluchové vnímaniečloveka a niektoré jemnosti a črty šírenia zvuku.

Zvuk sú zvukové vlny, ktoré spôsobujú vibrácie malých častíc vzduchu, iných plynov a kvapalných a pevných médií. Zvuk môže vzniknúť len tam, kde existuje látka, bez ohľadu na to, v akom stave agregácie sa nachádza. Vo vákuových podmienkach, kde nie je žiadne médium, sa zvuk nešíri, pretože neexistujú žiadne častice, ktoré fungujú ako rozdeľovače zvukových vĺn. Napríklad vo vesmíre. Zvuk možno upravovať, meniť, premieňať na iné formy energie. Teda zvuk prevedený na rádiové vlny resp elektrická energia môžu byť prenášané na diaľku a zaznamenané na informačné médiá.

Zvuková vlna

Pohyby predmetov a telies takmer vždy spôsobujú vibrácie životné prostredie. Nezáleží na tom, či je to voda alebo vzduch. Počas tohto procesu začnú vibrovať 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 navzájom nahrádzajú. Preto je zvuková vlna pozdĺžna. Nikdy v nej nie je žiadny bočný pohyb hore a dole.

Charakteristika zvukových vĺn

Ako každý fyzikálny jav majú svoje vlastné veličiny, pomocou ktorých možno 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. V prírode a vo svete okolo nás je veľa príkladov nízkofrekvenčných a vysokofrekvenčných zvukov. Cvrlikanie slávika, dunenie hromu, hukot horskej rieky a iné, to všetko sú rôzne zvukové frekvencie. Amplitúda vlny priamo závisí od toho, aký hlasný je zvuk. Hlasitosť sa naopak znižuje so vzdialenosťou od zdroja zvuku. Čím ďalej je vlna od epicentra, tým menšia je amplitúda. 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 vlhkosť aj teplota vzduchu. Pri priemerných poveternostných podmienkach je rýchlosť zvuku približne 340 metrov za sekundu. Vo fyzike existuje niečo ako nadzvuková rýchlosť, ktorá je vždy väčšia ako rýchlosť zvuku. Je to rýchlosť, ktorou sa šíria zvukové vlny pri pohybe lietadla. Lietadlo sa pohybuje nadzvukovou rýchlosťou a dokonca predbieha zvukové vlny, ktoré vytvára. V dôsledku postupne sa zvyšujúceho tlaku za lietadlom vzniká rázová vlna zvuku. Jednotka merania pre túto rýchlosť je zaujímavá a málokto ju pozná. 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

IN Každodenný životľudia sú prítomní 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 k takým zvukom sluchový analyzátor clovek ma schopnost si na to zvyknut. Sú však aj javy, s ktorými si nevedia poradiť ani adaptačné schopnosti ľudského ucha. Napríklad hluk presahujúci 120 dB môže spôsobiť bolesť. Najhlasnejšie zviera je modrá veľryba. Keď vydáva zvuky, je počuť na vzdialenosť vyše 800 kilometrov.

Echo

Ako vzniká ozvena? Všetko je tu veľmi jednoduché. Zvuková vlna má schopnosť odrážať sa od rôznych povrchov: od vody, od skaly, od stien v prázdnej miestnosti. Táto vlna sa k nám vracia, takže počujeme sekundárny zvuk. Nie je taká jasná ako pôvodná, pretože časť energie vo zvukovej vlne sa rozptýli, keď sa pohybuje smerom k prekážke.

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 robia meraním času, ktorý potrebuje ultrazvuk na cestu na miesto a návrat. Mnoho zvierat má schopnosť echolokácie. Napríklad netopiere a delfíny ho používajú na hľadanie potravy. Echolokácia našla ďalšie uplatnenie v medicíne. Pri vyšetrení ultrazvukom sa vytvorí obraz vnútorné orgány osoba. Základom tejto metódy je, že ultrazvuk, ktorý vstupuje do iného média ako vzduch, sa vracia späť a vytvára tak obraz.

Zvukové vlny v hudbe

Prečo hudobné nástroje vydávajú určité zvuky? Brnkanie na gitare, brnkanie na klavíri, nízke tóny bicích a trúbok, pôvabný tenký hlas flauty. Všetky tieto a mnohé ďalšie zvuky vznikajú v dôsledku vibrácií 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 to na príklade sláčikových nástrojov. Pri dotyku strún sa stávajú zdrojom zvuku. V dôsledku toho začnú vibrovať a vysielať do okolia rôzne zvuky. Nízky zvuk akéhokoľvek strunového nástroja je spôsobený väčšou hrúbkou a dĺžkou struny, ako aj slabosťou jej napätia. A naopak, čím pevnejšie 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 sú sila prúdu a povaha zvuku priamo závislé. Vo vnútri každého mikrofónu je tenká kovová platňa. Keď je vystavený zvuku, začne vykonávať oscilačné pohyby. Špirála, ku ktorej je doska pripojená, tiež vibruje, čo má za následok elektriny. Prečo sa objavuje? Mikrofón má totiž zabudované aj magnety. Keď špirála kmitá medzi jej pólmi, vzniká elektrický prúd, ktorý ide po špirále a následne do zvukového stĺpca (reproduktor) alebo do zariadenia na záznam na informačné médium (kazeta, disk, počítač). Mimochodom, mikrofón v telefóne má podobnú štruktúru. Ale ako fungujú mikrofóny na pevnej linke a mobilný telefón? Počiatočná fáza je pre nich rovnaká - zvuk ľudského hlasu prenáša svoje vibrácie na platňu mikrofónu, potom už všetko nasleduje podľa vyššie opísaného scenára: špirála, ktorá pri pohybe uzavrie dva póly, vytvorí sa prúd. Čo bude ďalej? Pri pevnom telefóne je všetko viac-menej jasné – rovnako ako v mikrofóne sa cez drôty tiahne zvuk premenený na elektrický prúd. 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 vytvárajú podmienky, keď sa amplitúda vibrácií fyzického tela prudko zvyšuje. K tomu dochádza v dôsledku konvergencie hodnôt frekvencie vynútených kmitov a prirodzenej frekvencie kmitov objektu (tela). Rezonancia môže byť prospešná aj škodlivá. Napríklad, aby sa auto dostalo z diery, naštartuje sa a zatlačí tam a späť, aby vyvolalo rezonanciu a dodalo autu zotrvačnosť. Ale boli aj prípady negatívne dôsledky rezonancia. Napríklad v Petrohrade sa asi pred sto rokmi zrútil most pod vojakmi pochodujúcimi v súzvuku.

DEFINÍCIA

Zvuk- šíria sa v elastickom prostredí (plyn, kvapalina, pevná látka) a majú frekvenčný rozsah, ktorý ľudské ucho dokáže vnímať (od 16 Hz do 20 kHz).

Vibrácie častíc, ktoré spôsobujú výskyt mechanických vĺn s takouto frekvenciou, sa nazývajú akustické a oblasť fyziky, ktorá študuje vlastnosti zvuku a vlastnosti jeho šírenia - akustika.

Šírenie zvuku vzduchom začína vibráciami vzduchu na povrchu kmitajúceho telesa. Teleso, ktoré vytvára poruchu v hustote média, sa nazýva zdroj zvuku. Zdrojom zvuku môžu byť pevné telesá (struna hudobného nástroja, hlasivky, zemská kôra, listy stromov), kvapaliny (prúd vody alebo vlny na hladine vody) a plyny (prúd vzduchu v hudobných nástrojoch, vietor). Kolísanie hustoty vzduchu vedie k premiestňovaniu molekúl v susedných vrstvách, ktoré následne ovplyvňujú svojich susedov. Takto sa počiatočné rušenie prenáša z jedného bodu v médiu do druhého. Zvuková vlna spôsobuje vynútené vibrácie v bubienku ľudského ucha, ktoré zaregistruje mozog.

Zvukové vlastnosti

Zvuk sa šíri od konca. Rýchlosť zvuku závisí od média šírenia a jeho stavu. Napríklad rýchlosť zvuku vo vzduchu pri teplote je 330 m/s a vo vode pri rovnakej teplote – 1500 m/s.

Produkovaný zvuk sa nazýva hudobný tón. Hluk je chaotickou zmesou hudobných tónov.

Hlasitosť zvuku určená amplitúdou vibrácií vo zvukovej vlne.

Smola závisí od - čím vyššia frekvencia, tým vyšší zvuk.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

Cvičenie	Z vrcholu ľadovca sa odlomil veľký blok ľadu a spadol do vody. Prístroje nainštalované na lodi a prijímajúce zvuk pod vodou zaznamenali špliechanie padajúceho bloku o 10 sekúnd skôr, ako bolo počuť zvuk pádu siahajúceho vzduchom. Ako ďaleko bol ľadovec od lode?
Riešenie	V homogénnom médiu sa zvuk šíri konštantnou rýchlosťou, takže vzdialenosť, ktorú prejde predná časť zvukovej vlny vo vzduchu, je: a vzdialenosť, ktorú prejde predná časť zvukovej vlny vo vode: Časový interval medzi záznamom zvuku nástrojmi a špliechaním padajúceho bloku: takže môžeme napísať: kde je vzdialenosť od ľadovca k lodi: Pomocou tabuliek určíme rýchlosť zvuku vo vzduchu pri m/s a rýchlosť zvuku vo vode pri rovnakej teplote m/s. Poďme počítať:
Odpoveď	Ľadovec sa nachádzal 4491 m od lode.

PRÍKLAD 2

Cvičenie

Do bane spadol kameň. Muž počul zvuk svojho pádu 6 s po začiatku pádu. Nájdite hĺbku bane. Rýchlosť zvuku 332 m/s.

Riešenie

Kresbu dokončíme nasmerovaním súradnicovej osi v smere pohybu kameňa. Kameň padá z . Hĺbka pádu kameňa (jeho súradnica) sa v priebehu času mení podľa zákona: V momente, keď kameň spadne na dno šachty, hĺbka kameňa sa bude rovnať hĺbke šachty, takže môžeme napísať: kde je čas, keď padol kameň: Predná časť zvukovej vlny sa pohybuje rovnomerne, takže čas, kým zvuk zasiahne osobu, je: Čas, po ktorom človek počul zvuk, sa rovná súčtu časov pádu kameňa a pohybu čela zvukovej vlny: Z tejto rovnice určíme hĺbku šachty. Prepíšme rovnicu a izolujme druhú odmocninu: Odmocnime obe strany rovnice: Prepíšme rovnicu takto: vynásobte obe strany rovnice takto:

Zvuk (zvuková vlna ) –ide o elastickú vlnu vnímanú sluchovým orgánom ľudí a zvierat. Inými slovami, zvuk je šírenie kolísania hustoty (alebo tlaku) elastického prostredia, ktoré vzniká pri vzájomnej interakcii častíc média.

Atmosféra (vzduch) je jedným z elastických médií. Šírenie zvuku vo vzduchu sa riadi všeobecnými zákonmi o šírení akustických vĺn v ideálnych plynoch a má tiež vlastnosti v dôsledku premenlivosti hustoty, tlaku, teploty a vlhkosti vzduchu. Rýchlosť zvuku je určená vlastnosťami média a vypočítava sa pomocou vzorcov pre rýchlosť elastickej vlny.

Existujú umelé a prírodné zdrojov zvuk. Medzi umelé žiariče patria:

Vibrácie pevných telies (struny a rezonančné dosky hudobných nástrojov, reproduktorové difúzory, telefónne membrány, piezoelektrické platne);

Vibrácie vzduchu v obmedzenom objeme (organové píšťaly, píšťaly);

Perkusie (klavírne klávesy, zvonček);

Elektrický prúd (elektroakustické meniče).

Prírodné zdroje zahŕňajú:

Výbuch, kolaps;

Prúdenie vzduchu okolo prekážok (vietor fúkajúci roh budovy, hrebeň morskej vlny).

Existujú aj umelé a prírodné prijímačov zvuk:

Elektroakustické prevodníky (mikrofón vo vzduchu, hydrofón vo vode, vstup geofónu zemská kôra) a iné zariadenia;

Sluchový aparát ľudí a zvierat.

Keď sa šíria zvukové vlny, sú možné javy charakteristické pre vlny akejkoľvek povahy:

Odraz od prekážky

Refrakcia na hranici dvoch médií,

Rušenie (dodatok),

Difrakcia (ohyb okolo prekážok),

Disperzia (závislosť rýchlosti zvuku v látke od frekvencie zvuku);

Absorpcia (pokles energie a intenzity zvuku v médiu v dôsledku nevratnej premeny zvukovej energie na teplo).

Objektívne zvukové vlastnosti

Frekvencia zvuku

Frekvencia zvuku počuteľného pre človeka sa pohybuje od 16 Hz predtým 16 - 20 kHz . Elastické vlny s frekvenciou nižšie počuteľný rozsah volal infrazvuk (vrátane otrasu mozgu), s vyššie frekvencia – ultrazvuk a elastické vlny s najvyššou frekvenciou hyperzvuk .

Celý frekvenčný rozsah zvuku možno rozdeliť do troch častí (tabuľka 1).

Hluk má spojité spektrum frekvencií (resp. vlnových dĺžok) v oblasti nízkofrekvenčného zvuku (tab. 1, 2). Pevné spektrum znamená, že frekvencie môžu mať akúkoľvek hodnotu z daného intervalu.

Hudobné , alebo tónový , zvuky majú lineárne frekvenčné spektrum v oblasti stredofrekvenčného a čiastočne vysokofrekvenčného zvuku. Zvyšnú časť vysokofrekvenčného zvuku zaberá pískanie. Čiarové spektrum znamená, že hudobné frekvencie majú iba presne definované (diskrétne) hodnoty zo špecifikovaného intervalu.

Okrem toho je interval hudobných frekvencií rozdelený na oktávy. Oktáva – toto je frekvenčný interval uzavretý medzi dvoma hraničnými hodnotami, z ktorých horná je dvakrát väčšia ako dolná(Tabuľka 3)

Bežné oktávové frekvenčné pásma

Oktávové frekvenčné pásma	 min Hz	 max Hz	 St Hz

Príklady frekvenčných intervalov zvuku vytvoreného ľudským hlasovým aparátom a vnímaného ľudským načúvacím prístrojom sú uvedené v tabuľke 4.

Kontra, alt
Mezzosoprán
Koloratúrny soprán

Príklady frekvenčných rozsahov niektorých hudobných nástrojov sú uvedené v tabuľke 5. Pokrývajú nielen zvukový, ale aj ultrazvukový rozsah.

Hudobný nástroj	Frekvencia Hz
Saxofón

Zvieratá, vtáky a hmyz vytvárajú a vnímajú zvuky iných frekvenčné rozsahy, skôr ako osoba (tabuľka 6).

V hudbe sa každá sínusová zvuková vlna nazýva jednoduchým tónom, alebo tón. Výška závisí od frekvencie: čím vyššia frekvencia, tým vyšší tón. Hlavný tón komplexný hudobný zvuk sa nazýva tón zodpovedajúci najnižšia frekvencia vo svojom spektre. Volajú sa tóny zodpovedajúce iným frekvenciám podtóny. Ak podtóny násobky frekvencia základného tónu, potom sa volajú podtóny harmonický. Podtón s najnižšou frekvenciou sa nazýva prvá harmonická, podtón s nasledujúcou sa nazýva druhá atď.

Hudobné zvuky s rovnakým základným tónom sa môžu líšiť timbre. Zafarbenie závisí od zloženia tónov, ich frekvencií a amplitúd, od charakteru ich vzostupu na začiatku zvuku a poklesu na konci.

Rýchlosť zvuku

Pre zvuk v rôznych médiách platia všeobecné vzorce (22) – (25). Malo by sa vziať do úvahy, že vzorec (22) je použiteľný v prípade suchého atmosférického vzduchu a pri zohľadnení číselných hodnôt Poissonovho pomeru, molárnej hmotnosti a univerzálnej plynovej konštanty možno zapísať ako:

Skutočný atmosférický vzduch má však vždy vlhkosť, ktorá ovplyvňuje rýchlosť zvuku. Je to spôsobené tým, že Poissonov pomer  závisí od pomeru parciálneho tlaku vodnej pary ( p para) Komu atmosferický tlak (p). Vo vlhkom vzduchu je rýchlosť zvuku určená vzorcom:

.

Z poslednej rovnice je vidieť, že rýchlosť zvuku vo vlhkom vzduchu je o niečo väčšia ako v suchom vzduchu.

Numerické odhady rýchlosti zvuku, berúc do úvahy vplyv teploty a vlhkosti atmosférického vzduchu, je možné vykonať pomocou približného vzorca:

Tieto odhady ukazujú, že keď sa zvuk šíri v horizontálnom smere ( 0 X) so zvýšením teploty o 1 0 C rýchlosť zvuku sa zvyšuje o 0,6 m/s. Pod vplyvom vodnej pary s parciálnym tlakom nie väčším ako 10 Pa rýchlosť zvuku sa zvýši o menej ako 0,5 m/s. Vo všeobecnosti však platí, že pri maximálnom možnom parciálnom tlaku vodnej pary na povrchu Zeme sa rýchlosť zvuku nezvýši o viac ako 1 m/s.

Akustický tlak

Pri absencii zvuku je atmosféra (vzduch) nenarušeným médiom a má statický atmosférický tlak (
).

Keď sa zvukové vlny šíria, k tomuto statickému tlaku sa pridáva dodatočný premenlivý tlak v dôsledku kondenzácie a riedenia vzduchu. V prípade rovinných vĺn môžeme písať:

Kde p zvuk, max- amplitúda akustického tlaku,  - cyklická frekvencia zvuku, k – vlnové číslo. V dôsledku toho sa atmosférický tlak v pevnom bode v danom čase rovná súčtu týchto tlakov:

Akustický tlak je premenlivý tlak, ktorý sa rovná rozdielu medzi okamžitým skutočným atmosférickým tlakom v danom bode počas prechodu zvukovej vlny a statickým atmosférickým tlakom v neprítomnosti zvuku:

Akustický tlak mení svoju hodnotu a znamienko počas periódy oscilácie.

Akustický tlak je takmer vždy oveľa nižší ako atmosférický

Keď nastane, stane sa veľkým a úmerným atmosfére rázové vlny pri silných výbuchoch alebo pri prelete prúdového lietadla.

Jednotky akustického tlaku sú nasledovné:

- pascal v SI
,

- bar v GHS
,

- milimeter ortuti,

- atmosféru.

V praxi prístroje nemerajú okamžitú hodnotu akustického tlaku, ale tzv efektívne (alebo prúd )zvuk tlak . Je to rovné druhá odmocnina priemernej hodnoty druhej mocniny okamžitého akustického tlaku v danom bode priestoru v danom čase

(44)

a preto sa aj nazýva akustický tlak . Dosadením výrazu (39) do vzorca (40) dostaneme:

. (45)

Zvuková impedancia

Zvukový (akustický) odpor nazývaný pomer amplitúdyakustický tlak a rýchlosť vibrácií častíc média:

. (46)

Fyzikálny význam zvukovej odolnosti: číselne sa rovná akustickému tlaku, ktorý spôsobuje vibrácie častíc média pri jednotkovej rýchlosti:

Jednotka SI merania zvukovej impedancie – pascal sekunda na meter:

.

V prípade rovinnej vlny rýchlosť oscilácie častíc rovná

.

Potom vzorec (46) bude mať tvar:

. (46*)

Existuje aj iná definícia zvukového odporu ako súčin hustoty média a rýchlosti zvuku v tomto médiu:

. (47)

Potom je to fyzický význam je, že sa číselne rovná hustote prostredia, v ktorom sa elastická vlna šíri jednotkovou rýchlosťou:

.

Okrem akustickej odolnosti využíva akustika koncept mechanická odolnosť (R m). Mechanický odpor je pomer amplitúd periodickej sily a oscilačnej rýchlosti častíc média:

, (48)

Kde S– povrchová plocha žiariča zvuku. Mechanický odpor sa meria v newton sekúnd na meter:

.

Energia a sila zvuku

Zvuková vlna sa vyznačuje rovnakými energetickými veličinami ako elastická vlna.

Každý objem vzduchu, v ktorom sa šíria zvukové vlny, má energiu, ktorá je súčtom kinetickej energie kmitajúcich častíc a potenciálnej energie elastickej deformácie prostredia (pozri vzorec (29)).

Intenzita zvuku sa zvyčajne nazývasila zvuku . Je to rovné

. (49)

Preto fyzikálny význam zvukovej sily je podobný významu hustoty toku energie: číselne sa rovná priemernej hodnote energie, ktorá sa prenesie vlnou za jednotku času cez priečny povrch jednotkovej plochy.

Jednotkou intenzity zvuku je watt na meter štvorcový:

.

Intenzita zvuku je úmerná druhej mocnine efektívneho akustického tlaku a nepriamo úmerná akustickému tlaku:

, (50)

alebo, berúc do úvahy výrazy (45),

, (51)

Kde R ak – akustická odolnosť.

Zvuk možno charakterizovať aj akustickým výkonom. Zvukový výkon je celkové množstvo zvukovej energie vyžarovanej zdrojom za určitý čas cez uzavretý povrch obklopujúci zdroj zvuku:

, (52)

alebo, berúc do úvahy vzorec (49),

. (52*)

Akustický výkon, ako každý iný, sa meria v wattov:

.

Zvuk sú elastické vlny v prostredí (často vo vzduchu), ktoré sú neviditeľné, ale vnímateľné ľudským uchom (vlna pôsobí na bubienok). Zvuková vlna je pozdĺžna vlna kompresia a riedenie.

Ak vytvoríme vákuum, budeme schopní rozlíšiť zvuky? Robert Boyle v roku 1660 umiestnil hodiny do sklenenej nádoby. Po odčerpaní vzduchu nepočul žiaden zvuk. Skúsenosti to dokazujú Na šírenie zvuku je potrebné médium.

Zvuk sa môže šíriť aj cez tekuté a pevné médiá. Pod vodou je zreteľne počuť nárazy kameňov. Položte hodiny na jeden koniec drevenej dosky. Priložením ucha na druhý koniec môžete zreteľne počuť tikanie hodín.

Zvuková vlna prechádza drevom

Zdrojom zvuku sú nevyhnutne oscilujúce telesá. Napríklad struna na gitare v normálnom stave neznie, ale akonáhle ju rozvibrujeme, objaví sa zvuková vlna.

Prax však ukazuje, že nie každé kmitavé teleso je zdrojom zvuku. Napríklad závažie zavesené na nite nevydáva zvuk. Ľudské ucho totiž nevníma všetky vlny, ale len tie, ktoré vytvárajú telesá oscilujúce s frekvenciou od 16 Hz do 20 000 Hz. Takéto vlny sa nazývajú zvuk. Volajú sa oscilácie s frekvenciou menšou ako 16 Hz infrazvuk. Volajú sa oscilácie s frekvenciou väčšou ako 20 000 Hz ultrazvuk.

Rýchlosť zvuku

Zvukové vlny sa nešíria okamžite, ale určitou konečnou rýchlosťou (podobnou rýchlosti rovnomerného pohybu).

Preto počas búrky najskôr vidíme blesk, teda svetlo (rýchlosť svetla je oveľa väčšia ako rýchlosť zvuku) a až potom je počuť zvuk.

Rýchlosť zvuku závisí od média: v pevných látkach a kvapalinách je rýchlosť zvuku oveľa väčšia ako vo vzduchu. Ide o tabuľkové namerané konštanty. So zvyšujúcou sa teplotou média sa rýchlosť zvuku zvyšuje a so znižovaním sa znižuje.

Zvuky sú rôzne. Na charakterizáciu zvuku sa zavádzajú špeciálne veličiny: hlasitosť, výška a zafarbenie zvuku.

Hlasitosť zvuku závisí od amplitúdy vibrácií: čím väčšia je amplitúda vibrácií, tým je zvuk hlasnejší. Okrem toho, vnímanie hlasitosti zvuku našim uchom závisí od frekvencie vibrácií vo zvukovej vlne. Vlny s vyššou frekvenciou sú vnímané ako hlasnejšie.

Frekvencia zvukovej vlny určuje výšku tónu. Čím vyššia je frekvencia vibrácií zdroja zvuku, tým vyšší je zvuk, ktorý produkuje. Ľudské hlasy sú rozdelené do niekoľkých rozsahov výšky.

Zvuky z rôznych zdrojov sú kombináciou harmonických vibrácií rôznych frekvencií. Zložka najdlhšej periódy (najnižšia frekvencia) sa nazýva základný tón. Zvyšné zložky zvuku sú podtóny. Súbor týchto komponentov vytvára farbu a timbre zvuku. Súbor podtextov v hlasoch Iný ľudia aj keď sa mierne líši, určuje farbu konkrétneho hlasu.

Echo. Ozvena vzniká v dôsledku odrazu zvuku od rôznych prekážok – hôr, lesov, múrov, veľkých budov atď. Ozvena vzniká len vtedy, keď odrazený zvuk vnímame oddelene od pôvodne hovoreného zvuku. Ak je odrazových plôch veľa a sú v rôznych vzdialenostiach od človeka, odrazené zvukové vlny sa k nemu dostanú v rôznych časoch. V tomto prípade bude ozvena viacnásobná. Prekážka musí byť od osoby vzdialená 11 m, aby bolo počuť ozvenu.

Odraz zvuku. Zvuk sa odráža od hladkých povrchov. Pri použití klaksónu sa teda zvukové vlny nerozptyľujú do všetkých strán, ale tvoria úzko smerovaný lúč, vďaka čomu sa akustický výkon zvyšuje a šíri sa na väčšiu vzdialenosť.

Niektoré zvieratá (napríklad netopier, delfín) vyžarujú ultrazvukové vibrácie, ktoré potom vnímajú odrazenú vlnu od prekážok. Takto určujú polohu a vzdialenosť k okolitým objektom.

Echolokácia. Toto je spôsob, ako určiť polohu tiel pomocou ultrazvukových signálov, ktoré sa od nich odrazia. Široko používaný pri preprave. Inštalované na lodiach sonary- prístroje na rozpoznávanie predmetov pod vodou a zisťovanie hĺbky a topografie dna. Zvukový vysielač a prijímač sú umiestnené na dne nádoby. Vysielač vydáva krátke signály. Analýzou času oneskorenia a smeru vracajúcich sa signálov počítač určí polohu a veľkosť objektu, ktorý odráža zvuk.

Ultrazvuk sa používa na detekciu a určenie rôznych poškodení častí strojov (dutiny, praskliny atď.). Zariadenie používané na tento účel je tzv ultrazvukový defektoskop. Prúd krátkych ultrazvukových signálov sa posiela do skúmanej časti, ktoré sa odrážajú od nehomogenít nachádzajúcich sa v nej a vracajú sa do prijímača. V tých miestach, kde nie sú žiadne závady, signály prechádzajú cez diel bez výraznejšieho odrazu a prijímač ich neregistruje.

Ultrazvuk je široko používaný v medicíne na diagnostiku a liečbu určitých chorôb. Na rozdiel od röntgenových lúčov jeho vlny nie škodlivý vplyv na tkanine. Diagnostické ultrazvukové vyšetrenia(ultrazvuk) dovoliť bez chirurgická intervencia rozpoznať patologické zmeny orgánov a tkanív. Špeciálne zariadenie usmerňuje ultrazvukové vlny s frekvenciou od 0,5 do 15 MHz do určitú časť tela, odrážajú sa od skúmaného orgánu a počítač zobrazuje jeho obraz na obrazovke.

Infrazvuk sa vyznačuje nízkou absorpciou v rôznych médiách, v dôsledku čoho sa infrazvukové vlny vo vzduchu, vode a zemskej kôre môžu šíriť na veľmi veľké vzdialenosti. Tento jav nájde praktické využitie pri určovanie miest silnými výbuchmi alebo polohou strieľajúcej zbrane. Umožňuje to šírenie infrazvuku na veľké vzdialenosti v mori predpovede prírodných katastrof- cunami. Medúzy, kôrovce atď. sú schopné vnímať infrazvuky a vnímať ich priblíženie dlho pred vypuknutím búrky.