ZVUK: POVIJEST, KARAKTERISTIKE, NAČIN NA KOJI SE PROIZVODI, VRSTE - FIZIČKA - 2024

Zvuk definira kao perturbacija na propagiranju u mediju kao što je zrak, naizmjenično proizvodi kompresije i proširenja u njemu. Te promjene tlaka i gustoće zraka dopiru do uha i mozak ih tumači kao slušne senzacije.

Zvuci su pratili život od njegovog nastanka, čineći alat kojim životinje moraju komunicirati međusobno i sa okolinom. Neki tvrde da i biljke slušaju, ali u svakom slučaju mogle bi uočiti vibracije okoliša čak i ako nemaju slušni uređaj poput viših životinja.

Slika 1. Ruptura zvučne barijere

Osim što zvuk koriste za komuniciranje putem govora, ljudi ga koriste i kao umjetnički izraz kroz glazbu. Sve kulture, drevne i novije, imaju glazbene manifestacije svih vrsta, kroz koje ispričaju svoje priče, običaje, vjerska uvjerenja i osjećaje.

Povijest

Čovječanstvo je zbog svoje važnosti postalo zainteresirano za proučavanje njegove prirode i stvorilo je akustiku, granu fizike posvećenu svojstvima i ponašanju zvučnih valova.

Poznato je da je poznati matematičar Pitagora (569-475. Pr. Kr.) Dugo vremena proučavao razlike u visini (frekvenciji) između zvukova. S druge strane, Aristotel, koji je nagađao o svim aspektima prirode, ispravno je ustvrdio da se zvuk sastoji od širenja i kompresije u zraku.

Kasnije je poznati rimski inženjer Vitruvije (80-15. Pr. Kr.) Napisao traktat o akustici i njegovim primjenama u gradnji kazališta. Isaac Newton (1642-1727) proučavao je širenje zvuka u čvrstim medijima i odredio formulu za njegovu brzinu širenja.

S vremenom su matematički alati izračunavanja omogućili adekvatno iskazati svu složenost valnog ponašanja.

Zvučne karakteristike (svojstva)

U svom najjednostavnijem obliku zvučni val se može opisati kao sinusoidni val, koji se širi u vremenu i prostoru, poput onoga prikazanog na slici 2. Tamo je uočeno da je val periodičan, odnosno da ima način koji se ponavlja u vremenu.

Budući da je uzdužni val, smjer širenja i smjer kretanja čestica vibracijskog medija su isti.

Parametri zvučnog vala

Slika 2. Zvuk je uzdužni val, smetnja se širi u istom smjeru u kojem molekule doživljavaju svoje pomicanje. Izvor: Wikimedia Commons.

Parametri zvučnog vala su:

Period T: vrijeme je potrebno da se ponovi faza vala. U međunarodnom sustavu mjeri se u sekundama.

Ciklus: je dio vala sadržan unutar razdoblja i pokriva se od jedne do druge točke koja ima istu visinu i isti nagib. Može biti od jedne doline do druge, od jednog grebena do drugog ili od jedne do druge točke koja zadovoljava opisane specifikacije.

Valna duljina λ: je udaljenost između jednog grebena i drugog vala, između jedne doline i druge doline, ili općenito između jedne i druge točke iste visine i nagiba. Budući da je duljina, mjeri se u metrima, iako su druge jedinice prikladnije ovisno o vrsti vala.

Učestalost f: definira se kao broj ciklusa po jedinici vremena. Njegova jedinica je Hertz (Hz).

Amplituda A: odgovara maksimalnoj visini vala u odnosu na vodoravnu os.

Kako se zvuk proizvodi i širi?

Zvuk nastaje kada objekt koji je uronjen u materijalni medij vibrira, kao što je prikazano na dnu slike 2. Nategnuta membrana zvučnika s lijeve strane vibrira i prenosi smetnju kroz zrak dok dopire do slušatelja.

Kako se poremećaj širi, energija se prenosi molekulima u okolišu koji međusobno djeluju kroz širenja i kompresije. Uvijek vam je potreban materijal za širenje zvuka, bilo da je čvrst, tekuć ili plin.

Kada poremećaj u zraku dosegne uho, razlike u tlaku zraka uzrokuju da bubnjić bubri. To stvara električne impulse koji se dovode do mozga putem slušnog živca, a kad se tamo impulsi pretvore u zvuk.

Brzina zvuka

Brzina mehaničkih valova u određenom mediju slijedi ovaj odnos:

Na primjer, prilikom širenja u plinu poput zraka, brzina zvuka može se izračunati kao:

Kako temperatura raste, povećava se i brzina zvuka, jer su molekule u mediju spremnije vibrirati i prenositi vibraciju svojim pokretima. Pritisak s druge strane ne utječe na njegovu vrijednost.

Odnos valne duljine i frekvencije

Već smo vidjeli da je vrijeme potrebno da val dovrši ciklus razdoblje, dok je udaljenost prijeđena u tom razdoblju jednaka valnoj duljini. Stoga se brzina v zvuka definira kao:

S druge strane, frekvencija i razdoblje su povezani, jedno je obrnuto, kao što je ovo:

Što dovodi do:

Zvučni raspon frekvencija kod ljudi je između 20 i 20 000 Hz, zbog čega je zvučna valna duljina između 1,7 cm i 17 m pri zamjeni vrijednosti u gornjoj jednadžbi.

Ove valne duljine su veličine uobičajenih predmeta, što utječe na širenje zvuka, budući da je val, ono doživljava refleksiju, refrakciju i difrakciju kad naiđe na prepreke.

Doživljavanje difrakcije znači da na zvuk utječe kada naiđe na prepreke i otvore koji su veličine ili valne duljine blizu ili manje.

Zvukovi basa mogu se bolje proširiti na velike udaljenosti, zbog čega slonovi koriste infrazvuk (vrlo niskofrekventni zvukovi, nečuveni ljudskom uhu) za komunikaciju na svojim ogromnim teritorijima.

Također kada se u obližnjoj sobi nalazi glazba, bas se bolje čuje od visokih tonova, jer se njegova valna duljina kreće oko veličine vrata i prozora. S druge strane, kad napuštate sobu, visoki zvukovi se lako gube i stoga se prestaju čuti.

Kako se mjeri zvuk?

Zvuk se sastoji od niza kompresija i razgraničenja zraka, na način da zvuk, proširivši se, povećava i smanjuje pritisak. U Međunarodnom sustavu tlak se mjeri u paskalima, što je skraćeno Pa.

Dogodilo se da su ove promjene vrlo malene u usporedbi s atmosferskim tlakom, koji vrijedi oko 101 000 Pa.

Čak i najglasniji zvukovi stvaraju fluktuacije od samo 20-30 Pa (prag boli), što je prilično mala količina u usporedbi. Ali ako možete izmjeriti te promjene, tada imate način mjerenja zvuka.

Zvučni tlak je razlika između atmosferskog tlaka sa zvukom i atmosferskog tlaka bez zvuka. Kao što smo rekli, najglasniji zvukovi proizvode zvučne pritiske od 20 Pa, dok najslabiji uzrokuju oko 0,00002 Pa (zvučni prag).

Budući da raspon zvučnih tlaka obuhvaća nekoliko sila od 10, za njihovo označavanje treba se upotrijebiti logaritamska ljestvica.

S druge strane, eksperimentalno je utvrđeno da ljudi percipiraju promjene u zvukovima slabog intenziteta primjetno više od promjena iste veličine, ali kod intenzivnih zvukova.

Na primjer, ako se zvučni tlak poveća za 1, 2, 4, 8, 16…, uho primjećuje povećanje jačine od 1, 2, 3, 4…. Iz tog razloga je prikladno definirati novu količinu koja se naziva nivoom zvučnog tlaka (razina zvučnog tlaka) L _P, definiranom kao:

Gdje je P _O je referentni tlak koji se uzima kao prag sluha i P ₁ je srednji tlak ili učinkovita RMS tlak. Ovaj RMS ili prosječni tlak ono je što uho doživljava kao prosječnu energiju zvučnog signala.

decibela

Rezultat gore izraz za L _P, kad je procijenjena za različite vrijednosti P ₁, prikazan je u decibelima, količinu bezdimenzionalnu. Ovako izražavanje razine zvučnog tlaka je vrlo povoljno jer logaritmi pretvaraju velike brojeve u manje i upravljive brojeve.

Međutim, u mnogim se slučajevima preferira uporaba intenziteta zvuka za određivanje decibela, a ne zvučni tlak.

Intenzitet zvuka je energija koja teče u jednoj sekundi (snaga) kroz jedinstvenu površinu orijentiranu okomito na smjer u kojem se val širi. Poput zvučnog tlaka, to je skalarna količina, a označava se s I. Jedinice I su W / m ², odnosno snaga po jedinici površine.

Može se pokazati da je intenzitet zvuka proporcionalan kvadratu zvučnog tlaka:

U ovom je izrazu ρ gustoća medija, a c brzina zvuka. Tada je razina intenziteta zvuka L _I definirana kao:

Koji je također izražen u decibelima, a ponekad je označen grčkim slovom β. Referentna vrijednost I _o je 1 x 10 ^-12 W / m ². Dakle, 0 dB predstavlja donju granicu ljudskog sluha, dok je prag boli 120 dB.

Budući da se radi o logaritamskoj skali, mora se naglasiti da male razlike u broju decibela čine veliku razliku u pogledu intenziteta zvuka.

Mjerač razine zvuka

Mjerač razine zvuka ili decibelmetar uređaj je koji se koristi za mjerenje zvučnog tlaka, a označava mjerenje u decibelima. Osmišljeno je da na njega reagira na isti način kao što bi to učinilo ljudsko uho.

Slika 3. Mjerenje razine zvuka ili decibelmetar koristi se za mjerenje razine zvučnog tlaka. Izvor: Wikimedia Commons.

Sastoji se od mikrofona za prikupljanje signala, više sklopova s ​​pojačalima i filtrima, koji su odgovorni za adekvatnu pretvorbu ovog signala u električnu struju, te na kraju vage ili ekrana kako bi se prikazao rezultat očitanja.

Oni se široko koriste za određivanje utjecaja koji određeni zvukovi imaju na ljude i okoliš. Na primjer, buke u tvornicama, industrijama, zračnim lukama, prometna buka i mnoge druge.

Vrste zvuka (infrazvuk, ultrazvuk, mono, stereo, polifoni, homofoni, bas, visoki tonovi)

Zvuk karakterizira njegova frekvencija. Prema onima koje ljudsko uho može uhvatiti, svi zvukovi su svrstani u tri kategorije: one koje možemo čuti ili zvučni spektar, one koji imaju frekvenciju ispod donje granice zvučnog spektra ili infrazvuka, i one koji su iznad zvučnog spektra. gornja granica, naziva se ultrazvuk.

U svakom slučaju, budući da se zvučni valovi mogu linearno preklapati, svakodnevni zvukovi, koje ponekad tumačimo kao jedinstveni, zapravo se sastoje od različitih zvukova s ​​različitim, ali bliskim frekvencijama.

Slika 4. Raspon spektra i frekvencije zvuka. Izvor: Wikimedia Commons.

Zvučni spektar

Ljudsko uho dizajnirano je tako da prihvati širok raspon frekvencija: između 20 i 20 000 Hz, ali nisu sve frekvencije u ovom rasponu opažene istim intenzitetom.

Uho je osjetljivije u frekvencijskom pojasu između 500 i 6.000 Hz, međutim postoje i drugi čimbenici koji utječu na sposobnost percipiranja zvuka, poput dobi.

infrazvuk

To su zvukovi čija frekvencija je manja od 20 Hz, ali to što ih ljudi ne mogu čuti ne znači da i druge životinje ne mogu. Na primjer, slonovi ih koriste za komunikaciju jer infrazvuk može prijeći velike udaljenosti.

Ostale životinje, poput tigra, koriste ih za omamljivanje svog plijena. Infrazvuk se koristi i za otkrivanje velikih predmeta.

Ultrazvuk

Imaju frekvencije veće od 20 000 Hz i naširoko se koriste u mnogim poljima. Jedna od najistaknutijih primjena ultrazvuka je kao alat medicine, i dijagnostike i liječenja. Slike dobivene ultrazvukom su neinvazivne i ne koriste ionizirajuće zračenje.

Ultrazvuci se također koriste za pronalaženje grešaka u strukturama, određivanje udaljenosti, otkrivanje prepreka tijekom navigacije i još mnogo toga. Životinje se također koriste ultrazvukom i zapravo je tako otkriveno njegovo postojanje.

Šišmiši emitiraju zvučne impulse, a zatim interpretiraju odjek koji proizvode kako bi procijenili udaljenosti i pronašli plijen. Sa svoje strane, psi također mogu čuti ultrazvuk i zato reagiraju na pseće zvižduke koje njihov vlasnik ne može čuti.

Monofonski zvuk i stereofonski zvuk

Slika 4. U studiju za snimanje zvuk elektronički uređaji prikladno mijenjaju. Izvor: Pixabay.

Monofonski zvuk je signal snimljen jednim mikrofonom ili audio kanalom. Kad slušaju slušalice ili zvučne rogove, oba uha čuju potpuno isto. Suprotno tome, stereofonski zvuk bilježi signale s dva neovisna mikrofona.

Mikrofoni se nalaze u različitim položajima tako da mogu pokupiti različite zvučne pritiske onoga što želite snimiti.

Tada svako uho primi jedan od tih skupova signala, a kad ih mozak sabere i interpretira, rezultat je mnogo realniji nego kad slušamo monofone zvukove. Stoga je to preferirana metoda kada je u pitanju glazba i film, mada se monofonični ili monauralni zvuk još uvijek koristi u radiju, posebno za intervjue i razgovore.

Homofonija i polifonija

Glazbeno gledano, homofonija se sastoji od iste melodije koju sviraju dva ili više glasova ili instrumenata. S druge strane, u polifoniji postoje dva ili više glasova ili instrumenata jednake važnosti koji prate melodije i čak različite ritmove. Nastala cjelina ovih zvukova je skladna, poput Bachove glazbe.

Bass i visoki zvukovi

Ljudsko uho razlikuje zvučne frekvencije kao visoke, niske ili srednje. To je ono što se naziva visina zvuka.

Najveće frekvencije, između 1600 i 20 000 Hz, smatraju se akutnim zvukovima, opseg između 400 i 1600 Hz odgovara zvukovima srednjeg tona i na kraju, frekvencije u rasponu od 20 do 400 Hz predstavljaju tonove basa.

Bass zvukovi razlikuju se od visokih tonova po tome što se prvi percipiraju kao duboki, mračni i gromoglasni, dok su potonji lagani, jasni, radosni i prodorni. Također, uho ih tumači kao intenzivnije, za razliku od bas zvukova, koji proizvode osjećaj manjeg intenziteta.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Valovi i kvantna fizika. Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Uredio D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6.. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Bilješke o glazbenoj akustici. Oporavak od: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Akustika. Oporavilo sa: es.wikipedia.org.