ZVOK: ZGODOVINA, ZNAČILNOSTI, NAČIN NASTAJANJA, VRSTE - FIZIČNO - 2025

Zvok je definiran kot motnje z razmnoževalnim v mediju, kot je zrak, izmenično proizvaja stiskanje in širitev v njem. Te spremembe zračnega tlaka in gostote dosežejo uho in jih možgani razlagajo kot slušne občutke.

Zvoki spremljajo življenje od njegovega nastanka in so del orodij, s katerimi morajo živali komunicirati med seboj in s svojim okoljem. Nekateri trdijo, da tudi rastline poslušajo, vsekakor pa bi lahko zaznale vibracije okolja, tudi če nimajo slušne naprave kot višje živali.

Slika 1. Ruptura zvočne pregrade

Poleg tega, da z zvokom komunicirajo skozi govor, ga ljudje uporabljajo tudi kot umetniški izraz skozi glasbo. Vse kulture, starodavne in novejše, imajo glasbene manifestacije vseh vrst, skozi katere pripovedujejo svoje zgodbe, običaje, verska prepričanja in občutke.

Zgodovina

Človeštvo se je zaradi svojega pomena začelo zanimati za preučevanje njegove narave in ustvarilo je akustiko, vejo fizike, ki se posveča lastnostim in obnašanju zvočnih valov.

Znano je, da je slavni matematik Pitagora (569–475 pr.n.št.) dolgo časa preučeval razlike v višini (frekvenci) med zvoki. Po drugi strani je Aristotel, ki je špekuliral o vseh vidikih narave, pravilno trdil, da je zvok sestavljen iz širitev in stiskanja v zraku.

Pozneje je slavni rimski inženir Vitruvij (80–15 pr.n.št.) napisal traktat o akustiki in njenih aplikacijah pri gradnji gledališč. Tudi Isaac Newton (1642–1727) je preučeval širjenje zvoka v trdnih medijih in določil formulo za njegovo hitrost širjenja.

Sčasoma so matematična orodja za izračun omogočila ustrezen izraz vse kompleksnosti vedenja valov.

Zvočne značilnosti (lastnosti)

Zvočni val lahko v svoji najpreprostejši obliki opišemo kot sinusoidni val, ki se širi v času in prostoru, kot je prikazan na sliki 2. Tam opazimo, da je val periodičen, torej da ima način, ki se ponavlja v času.

Glede na vzdolžni val, sta smer širjenja in smer gibanja delcev vibrirajočega medija enaki.

Parametri zvočnega vala

Slika 2. Zvok je vzdolžni val, motnja se širi v isti smeri, v kateri molekule doživljajo svoje premike. Vir: Wikimedia Commons.

Parametri zvočnega vala so:

Obdobje T: je čas, potreben za ponovitev faze valovanja. V mednarodnem sistemu se meri v sekundah.

Ciklus : je del vala, ki ga vsebuje obdobje in zajema od ene točke do druge, ki ima enako višino in nagib. Lahko je iz ene doline v drugo, od enega grebena do drugega ali od ene do druge točke, ki ustreza opisani specifikaciji.

Valovna dolžina λ : je razdalja med enim grebenom in drugim valom, med eno dolino in drugo ali na splošno med eno in drugo točko z isto višino in naklonom. Ker je dolžina, se meri v metrih, čeprav so druge enote primernejše glede na vrsto vala.

Frekvenca f : je definirana kot število ciklov na enoto časa. Njena enota je Hertz (Hz).

Amplituda A: ustreza največji višini vala glede na vodoravno os.

Kako se zvok proizvaja in širi?

Zvok nastane, ko predmet, ki je potopljen v materialni medij, vibrira, kot je prikazano na dnu slike 2. Napeta membrana zvočnika na levi vibrira in moti prenaša skozi zrak, dokler doseže poslušalca.

Ko se motnja širi, se energija prenaša na molekule v okolju, ki medsebojno vplivajo s pomočjo raztezkov in stiskanj. Vedno potrebujete material za širjenje zvoka, naj bo to trden, tekoč ali plin.

Ko motnja v zraku doseže uho, spremembe v zračnem tlaku povzročijo, da ušesni rob vibrira. Tako nastanejo električni impulzi, ki se prenašajo v možgane preko slušnega živca, in ko se tam impulzi prevedejo v zvok.

Hitrost zvoka

Hitrost mehanskih valov v danem mediju sledi temu razmerju:

Na primer pri širjenju v plinu, kot je zrak, lahko hitrost zvoka izračunamo kot:

Ko se temperatura povečuje, se poveča tudi hitrost zvoka, saj so molekule v mediju pripravljene vibrirati in vibracije prenašati s svojimi gibi. Pritisk na drugi strani ne vpliva na njegovo vrednost.

Razmerje med valovno dolžino in frekvenco

Videli smo že, da je čas, ki ga val potrebuje za dokončanje cikla, obdobje, medtem ko je razdalja, ki jo je prevozila v tem času, enaka valovni dolžini. Zato je hitrost v zvoku opredeljena kot:

Po drugi strani sta frekvenca in obdobje povezana, eno je obratno kot drugo:

Kar vodi do:

Občutljivo frekvenčno območje pri ljudeh je med 20 in 20 000 Hz, zato je pri zamenjavi vrednosti v zgornji enačbi valovna dolžina zvoka med 1,7 cm in 17 m.

Te valovne dolžine so velikosti običajnih predmetov, kar vpliva na širjenje zvoka, saj je valovanje, ko naleti na ovire, doživlja odboj, lom in difrakcijo.

Izkušnja difrakcije pomeni, da na zvok vpliva, ko naleti na ovire in odprtine, ki so po valovni dolžini blizu ali manjše velikosti.

Bass zvoki se lahko bolje širijo na dolge razdalje, zato sloni uporabljajo infrazvok (zelo nizkofrekvenčni zvoki, neslišni človeškemu ušesu) za komunikacijo po svojih velikih območjih.

Tudi kadar je v bližnji sobi glasba, se bas sliši bolje kot visoki, saj je njegova valovna dolžina približno velikost vrat in oken. Po drugi strani pa se visoki zvoki, ko zapustite sobo, zlahka izgubijo in zato nehajo slišati.

Kako se meri zvok?

Zvok je sestavljen iz vrste stiskanja in redčenja zraka, in sicer tako, da se med širjenjem zvok povečuje in zmanjša tlak. V mednarodnem sistemu se tlak meri v paskalih, kar je skrajšano Pa.

Zgodi se, da so te spremembe zelo majhne v primerjavi z atmosferskim tlakom, ki je vreden približno 101.000 Pa.

Tudi najglasnejši zvoki povzročajo nihanja v višini od 20 do 30 Pa (prag bolečine), kar je v primerjavi z dokaj majhno količino. Če pa lahko merite te spremembe, potem imate način merjenja zvoka.

Zvočni tlak je razlika med atmosferskim tlakom z zvokom in atmosferskim tlakom brez zvoka. Kot smo že rekli, najglasnejši zvoki proizvajajo zvočne pritiske 20 Pa, medtem ko najšibkejši povzročajo približno 0,00002 Pa (zvočni prag).

Ker razpon zvočnih tlakov obsega več moči 10, je treba za njihovo označevanje uporabiti logaritmično lestvico.

Po drugi strani pa je bilo eksperimentalno ugotovljeno, da ljudje zaznavajo spremembe v zvokih nizke intenzivnosti bolj opazno kot spremembe enake velikosti, vendar pri intenzivnih zvokih.

Na primer, če se zvočni tlak poveča za 1, 2, 4, 8, 16…, uho zazna povečanje 1, 2, 3, 4… po intenzivnosti. Zaradi tega je priročno določiti novo količino, imenovano raven zvočnega tlaka (nivo zvočnega tlaka) L _P , ki je definirana kot:

Kje P _o je referenčni tlak, ki se upošteva kot prag sluha in P ₁ je srednja učinkovita tlak ali RMS tlak. Ta RMS ali povprečni tlak je tisto, kar uho zazna kot povprečno energijo zvočnega signala.

Decibele

Rezultat zgornjega izraza za L _P , ko ga ocenjujemo za različne vrednosti P ₁ , je podan v decibelih, brezdimenzijska količina. Tako izraženo raven zvočnega tlaka je zelo priročno, saj logaritmi pretvorijo velika števila v manjša in bolj vodljiva števila.

Vendar je v mnogih primerih za določitev decibelov raje uporabljena jakost zvoka, ne pa zvočni tlak.

Intenzivnost zvoka je energija, ki teče eno sekundo (moč) skozi enotno površino, usmerjeno pravokotno na smer, v kateri se val širi. Tako kot zvočni tlak je skalarna količina in je označena s I. Enote I so W / m ² , torej moč na enoto površine.

Pokaže se, da je intenzivnost zvoka sorazmerna s kvadraturo zvočnega tlaka:

V tem izrazu je ρ gostota medija in c hitrost zvoka. Nato je nivo jakosti zvoka L _I opredeljen kot:

Ki je izražen tudi v decibelih in je včasih označen z grško črko β. Referenčna vrednost I _o je 1 x 10 ^-12 W / m ² . Tako 0 dB predstavlja spodnjo mejo človekovega sluha, medtem ko je prag bolečine 120 dB.

Ker gre za logaritmično lestvico, je treba poudariti, da majhne razlike v številu decibelov močno vplivajo na jakost zvoka.

Merilnik nivoja zvoka

Merilnik nivoja zvoka ali decibelmeter je naprava, ki se uporablja za merjenje zvočnega tlaka in označuje meritev v decibelih. Zasnovan je tako, da se nanj odzove tako, kot bi ga človeško uho.

Slika 3. Merilnik nivoja zvoka ali decibelmeter se uporablja za merjenje ravni zvočnega tlaka. Vir: Wikimedia Commons.

Sestavljen je iz mikrofona za zbiranje signala, več vezij z ojačevalniki in filtri, ki so odgovorni za ustrezno pretvorbo tega signala v električni tok, in na koncu lestvica ali zaslon, ki prikazuje rezultat odčitka.

Široko se uporabljajo za določanje vpliva, ki ga imajo določeni hrup na ljudi in okolje. Na primer hrup v tovarnah, panogah, letališčih, prometni hrup in mnogi drugi.

Vrste zvokov (infrazvojevanje, ultrazvok, mono, stereo, večglasje, homofonični, bas, visoki tonski)

Za zvok je značilna njegova frekvenca. Glede na tiste, ki jih človeško uho lahko zajame, so vsi zvoki razvrščeni v tri kategorije: tiste, ki jih slišimo ali slišni spekter, tiste, ki imajo frekvenco pod spodnjo mejo zvočnega spektra ali infrazvoja, in tiste, ki so nad slišnim spektrom. zgornja meja, imenovana ultrazvok.

Vsekakor, ker se zvočni valovi lahko linearno prekrivajo, vsakdanje zvoke, ki jih včasih razlagamo kot edinstvene, pravzaprav sestavljajo različni zvoki z različnimi, a tesnimi frekvencami.

Slika 4. Razpon zvoka in frekvenca. Vir: Wikimedia Commons.

Zvočni spekter

Človeško uho je zasnovano tako, da sprejme širok razpon frekvenc: med 20 in 20 000 Hz, vendar vseh frekvenc v tem območju ni zaznati z enako intenzivnostjo.

Uho je občutljivejše v frekvenčnem pasu med 500 in 6000 Hz, vendar obstajajo tudi drugi dejavniki, ki vplivajo na sposobnost zaznavanja zvoka, na primer starost.

Infrazvok

So zvoki, katerih frekvenca je manjša od 20 Hz, a to, da jih ljudje ne slišijo, še ne pomeni, da druge živali ne zmorejo. Sloni jih na primer uporabljajo za sporazumevanje, saj lahko infrazvok prevozi velike razdalje.

Druge živali, kot je tiger, jih uporabljajo za omamljanje svojega plena. Infrazvok se uporablja tudi pri odkrivanju velikih predmetov.

Ultrazvok

Imajo frekvence, večje od 20.000 Hz in jih pogosto uporabljajo na številnih področjih. Ena najbolj opaznih uporab ultrazvoka je orodje medicine, tako diagnostike kot zdravljenja. Slike, pridobljene z ultrazvokom, so neinvazivne in ne uporabljajo ionizirajočega sevanja.

Ultrazvoki se uporabljajo tudi za iskanje napak v strukturah, določanje razdalj, odkrivanje ovir med navigacijo in drugo. Živali uporabljajo tudi ultrazvok in dejansko je bil odkrit njegov obstoj.

Netopirji oddajajo zvočne impulze in nato interpretirajo odmev, ki ga proizvedejo, da ocenijo razdalje in najdejo plen. Psi lahko slišijo tudi ultrazvok in zato se odzovejo na pasje žvižganje, ki ga njihov lastnik ne sliši.

Monofonski zvok in stereofonični zvok

Slika 4. V snemalnem studiu zvok ustrezno spreminjajo elektronske naprave. Vir: Pixabay.

Monofonski zvok je signal, posnet z enim samim mikrofonom ali zvočnim kanalom. Ob poslušanju s slušalkami ali zvočnimi rogovi obe ušesi slišita popolnoma isto stvar. V nasprotju s tem stereofonski zvok snema signale z dvema neodvisnima mikrofonoma.

Mikrofoni so nameščeni v različnih položajih, tako da lahko pobirajo različne zvočne pritiske tistega, kar želite posneti.

Nato vsako uho prejme enega od teh nizov signalov in ko jih možgani zberejo in razlagajo, je rezultat veliko bolj realen kot pri poslušanju monofonskih zvokov. Zato je najprimernejša metoda, ko gre za glasbo in film, čeprav se na radiu še vedno uporablja monofonični ali monarni zvok, zlasti za intervjuje in pogovore.

Homofonija in polifonija

Glasbeno gledano je homofonija sestavljena iz iste melodije, ki jo igrata dva ali več glasov ali instrumentov. Po drugi strani sta v večglasju dva ali več glasov ali instrumentov enakega pomena, ki sledijo melodijam in celo različnim ritmom. Nastala zasedba teh zvokov je harmonična, kot je Bachova glasba.

Bass in visoki zvoki

Človeško uho razlikuje zvočne frekvence kot visoke, nizke ali srednje. To je tisto, kar je znano kot zvok.

Najvišje frekvence, med 1600 in 20.000 Hz, veljajo za akutne zvoke, pas med 400 in 1600 Hz ustreza zvokom s srednjim tonom in nazadnje, frekvence v območju od 20 do 400 Hz so toni nizkih tonov.

Bass zvoki se razlikujejo od visokih, saj prvi dojemajo globok, temen in cvetoč, drugi pa lahki, jasni, veseli in prodorni. Tudi uho jih razlaga kot bolj intenzivne, za razliko od basovskih zvokov, ki proizvajajo občutek manj intenzivnosti.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Valovi in ​​kvantna fizika. Serija: Fizika za znanost in tehniko. Uredil D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. 6. Dvorana Ed Prentice.
3. Rocamora, A. Opombe o glasbeni akustiki. Pridobljeno: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 1. 7. Ed Cengage Learning.
5. Wikipedija. Akustika. Pridobljeno: es.wikipedia.org.