Zvuk

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 31. října 2022; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Zvuk je fyzikální jev , kterým je šíření elastických vln v plynném, kapalném nebo pevném prostředí . V úzkém smyslu se zvukem rozumí tyto vlny, uvažované v souvislosti s tím, jak jsou vnímány smyslovými orgány lidí nebo zvířat [1] .

Zdrojem zvuku může být těleso, které vykonává mechanické vibrace podle určitého zákona.

Obecně je zvuk souborem vln různých frekvencí . Distribuce intenzity na frekvencích jsou plynulé (spojité) nebo s výraznými maximy na (diskrétní). Pro zjednodušení se často zaměřte na jednu vlnu konkrétní frekvence. $dI/df$ $f=f_{1},\,f_{2},..$

Běžný člověk je schopen slyšet zvukové vibrace ve frekvenčním rozsahu od 16-20 Hz do 15-20 kHz [2] . Zvuk pod dosahem lidského sluchu se nazývá infrazvuk ; vyšší: do 1 GHz - ultrazvukem , od 1 GHz - hyperzvukem .

V první aproximaci je hlasitost zvuku diktována amplitudou vlny a tón , výška zvuku , je diktována frekvencí. Přesněji řečeno, hlasitost závisí komplexním způsobem na efektivním akustickém tlaku, frekvenci a tvaru režimu, zatímco výška tónu závisí nejen na frekvenci, ale také na velikosti akustického tlaku.

Mezi slyšitelnými zvuky vynikají hlásky, zvuky řeči a fonémy (z nichž se skládá řeč ústní ) a zvuky hudební (ze kterých se skládá hudba ). Hudební zvuky neobsahují jeden, ale několik tónů (vlny pevných frekvencí ) a někdy i šumové složky v širokém akustickém rozsahu. $f_{i}$

Pojem zvuku

Zvukové vlny mohou sloužit jako příklad oscilačního procesu . Jakékoli kolísání je spojeno s porušením rovnovážného stavu systému a je vyjádřeno odchylkou jeho charakteristik od rovnovážných hodnot s následným návratem k původní hodnotě. Pro zvukové vibrace je takovou charakteristikou tlak v určitém bodě média a jeho odchylkou je akustický tlak .

Pokud provedete prudký posun částic elastického média na jednom místě, například pomocí pístu, pak se v tomto místě zvýší tlak. Díky elastickým vazbám částic se tlak přenáší na sousední částice, které zase působí na další, a oblast zvýšeného tlaku se jakoby pohybuje v elastickém médiu. Po oblasti vysokého tlaku následuje oblast nízkého tlaku, a tak se vytvoří řada střídajících se oblastí komprese a zředění, šířících se v médiu ve formě vlny. Každá částice elastického média bude v tomto případě oscilovat.

podrobnější informace

Rychlost oscilačního pohybu částic pružného prostředí - rychlost oscilace - se měří v m/s nebo cm/s. Energeticky se skutečné oscilační systémy vyznačují změnou energie v důsledku jejího částečného vynaložení na práci proti třecím silám a záření do okolního prostoru. V elastickém prostředí oscilace postupně upadají. K charakterizaci tlumených kmitů se používá faktor tlumení (S), logaritmický dekrement (D) a faktor kvality (Q).

Faktor tlumení odráží rychlost, jakou amplituda klesá v průběhu času. Označíme-li čas, během kterého se amplituda sníží faktorem e = 2,718, až , pak: $\tau$

S=\frac{1}{\tau}

Pokles amplitudy v jednom cyklu je charakterizován logaritmickým úbytkem. Logaritmický dekrement se rovná poměru periody oscilace k době doznívání : $\tau$

D=\frac{T}{\tau}

Působí-li periodická síla na oscilační systém se ztrátami, dochází k vynuceným oscilacím , jejichž povaha do určité míry opakuje změny vnější síly. Frekvence vynucených kmitů nezávisí na parametrech oscilačního systému. Naopak amplituda závisí na hmotnosti, mechanické odolnosti a pružnosti systému. Takový jev, kdy amplituda vibrační rychlosti dosáhne své maximální hodnoty, se nazývá mechanická rezonance. V tomto případě se frekvence vynucených kmitů shoduje s frekvencí vlastních netlumených kmitů mechanického systému.

Při expozičních frekvencích, které jsou mnohem nižší než rezonanční, je vnější harmonická síla vyvážena téměř výhradně silou pružnou. Při budicích frekvencích blízkých rezonančním hrají hlavní roli třecí síly. Za předpokladu, že frekvence vnějšího působení je mnohem větší než rezonanční, závisí chování oscilačního systému na síle setrvačnosti nebo hmotnosti.

Vlastnost média vést akustickou energii, včetně energie ultrazvukové, se vyznačuje akustickým odporem. Akustický odpor média je vyjádřen jako poměr hustoty zvuku k objemové rychlosti ultrazvukových vln. Měrný akustický odpor média je dán poměrem amplitudy akustického tlaku v médiu k amplitudě vibrační rychlosti jeho částic. Čím větší je akustický odpor, tím vyšší je stupeň stlačení a zředění média při dané amplitudě kmitání částic média. Číselně se měrný akustický odpor prostředí (Z) zjistí jako součin hustoty prostředí ( ) a rychlosti (s) šíření zvukových vln v něm. $\rho$

Z=\rho c

Specifická akustická impedance se měří v pascal sekundách na metr ( Pa s/m) nebo dyne•s/cm3 (CGS); 1 Pa s/m = 10 −1 dyn • s/cm³.

Specifická akustická impedance média se často vyjadřuje v g/s cm², přičemž 1 g/s cm² = 1 dyn·s/cm³. Akustický odpor média je určen absorpcí, lomem a odrazem ultrazvukových vln.

Zvukový neboli akustický tlak v médiu je rozdíl mezi okamžitou hodnotou tlaku v daném místě v médiu za přítomnosti zvukových vibrací a statickým tlakem ve stejném bodě za jejich nepřítomnosti. Jinými slovy, akustický tlak je proměnlivý tlak v médiu v důsledku akustických vibrací. Maximální hodnotu proměnného akustického tlaku (amplitudu tlaku) lze vypočítat z amplitudy oscilace částic:

P=2\pi f\rho cA

kde P je maximální akustický tlak (amplituda tlaku);

f je frekvence;
c je rychlost šíření ultrazvuku;
$\rho$ je hustota média;
A je amplituda oscilace částic média.

Ve vzdálenosti poloviny vlnové délky (λ/2) se hodnota akustického tlaku mění z kladné na zápornou. Tlakový rozdíl ve dvou bodech s jeho maximálními a minimálními hodnotami (vzdálenými od sebe o λ/2 podél směru šíření vlny) je roven 2Р.

Pascal (Pa) se používá k vyjádření akustického tlaku v jednotkách SI , který se rovná tlaku jednoho newtonu na metr čtvereční (N/m²). Akustický tlak v systému CGS se měří v dynech/cm²; 1 dyn/cm2 = 10 -1 Pa = 10 -1 N/m2. Spolu s uvedenými jednotkami se často používají jednotky nesystémového tlaku - atmosféra (atm) a technická atmosféra (at), přičemž 1 at = 0,98⋅10 6 dynů / cm² = 0,98⋅10 5 N / m². Někdy se používá jednotka zvaná bar nebo microbar (akustická tyč); 1 bar = 106 dynů /cm².

Tlak vyvíjený na částice média při šíření vln je výsledkem působení elastických a setrvačných sil. Ty jsou způsobeny zrychleními , jejichž velikost také roste za dobu od nuly do maxima (hodnota amplitudy zrychlení). V průběhu periody navíc zrychlení mění své znaménko.

Maximální hodnoty zrychlení a tlaku, které vznikají v médiu při průchodu ultrazvukových vln v něm, se pro danou částici časově neshodují. V okamžiku, kdy rozdíl zrychlení dosáhne maxima, tlakový rozdíl se rovná nule. Hodnota amplitudy zrychlení (a) je určena výrazem:

a=\omega ^{2}A=(2\pi f)^{2}A

Pokud se putující ultrazvukové vlny střetnou s překážkou, zažije nejen proměnlivý tlak, ale také konstantní. Oblasti zahušťování a řídnutí média, které vznikají při průchodu ultrazvukových vln, vytvářejí dodatečné tlakové změny v médiu ve vztahu k vnějšímu tlaku, který je obklopuje. Tento dodatečný vnější tlak se nazývá radiační tlak (radiační tlak). To je důvod, že když ultrazvukové vlny procházejí hranicí kapaliny se vzduchem, vytvářejí se fontány kapaliny a jednotlivé kapičky se oddělují od povrchu. Tento mechanismus našel uplatnění při tvorbě aerosolů léčivých látek. Radiační tlak se často používá k měření síly ultrazvukových vibrací ve speciálních měřičích - ultrazvukových vahách.

V kapalných a plynných médiích, kde nedochází k výrazným výkyvům hustoty, jsou akustické vlny podélné povahy, to znamená, že směr kmitání částic se shoduje se směrem pohybu vln. U pevných látek dochází kromě podélných deformací také k elastickým smykovým deformacím, které způsobují buzení příčných (smykových) vln; v tomto případě částice kmitají kolmo ke směru šíření vlny ( příčná vlna ). Rychlost šíření podélných vln je mnohem větší než rychlost šíření smykových vln.

Ve filozofii, psychologii a ekologii komunikačních prostředků se zvuk zkoumá v souvislosti s jeho vlivem na vnímání a myšlení (hovoříme např. o akustickém prostoru jako prostoru vzniklém vlivem elektronických komunikačních prostředků).

Fyzikální parametry zvuku

Spektrum zvuku

Spektrum se týká frekvenčního rozložení zvukové energie , tj. funkce ukazující relativní zastoupení různých frekvencí ve studovaném zvuku. Pokud je toto rozdělení diskrétní, pak se zapíše jako součet delta funkcí formuláře ; v takovém případě lze uvést seznam přítomných kmitočtů s jejich příspěvky k celkové intenzitě: a tak dále. $dI/df$ $dI/df$ $\sum I_{i}\delta (f-f_{i})$ $(f_{1},\,I_{1}),\,\,(f_{2},\,I_{2}),..$

Ve vztahu k hudebním zvukům se místo slova "spektrum" používá ve stejném významu pojem " timbre ".

Intenzita zvuku

Intenzita (síla) zvuku je skalární fyzikální veličina, která charakterizuje výkon přenášený ve směru šíření zvuku. Bere v úvahu celý frekvenční rozsah, jmenovitě . Rozlišujte mezi okamžitou, tedy v daném okamžiku , a intenzitou zprůměrovanou za určité časové období . $I=\int (dI/df)\,df$ $To)$ $<I(t)>$

Délka zvuku

Doba trvání zvuku je celková doba trvání kmitů zdroje elastických vln v sekundách nebo v hudbě v jednotkách hudebního rytmu (viz doba trvání (hudba) ).

Rychlost zvuku

Rychlost zvuku je rychlost šíření zvukových vln v médiu.

Rychlost zvuku v plynech je zpravidla nižší než v kapalinách .

Rychlost zvuku ve vzduchu závisí na teplotě a za normálních podmínek je přibližně 340 m/s.

Rychlost zvuku v jakémkoli médiu se vypočítá podle vzorce:

c = \sqrt{\frac{1}{\beta\rho}}

kde je adiabatická stlačitelnost média; - hustota. $\beta$ $\rho$

Hlasitost zvuku

Hlasitost zvuku je subjektivní vjem síly zvuku (absolutní hodnota sluchového vjemu). Hlasitost závisí především na akustickém tlaku , amplitudě a frekvenci zvukových vibrací. Také hlasitost zvuku je ovlivněna jeho spektrálním složením, lokalizací v prostoru, zabarvením, dobou expozice zvukovým vibracím, individuální citlivostí lidského sluchového analyzátoru a dalšími faktory [3] [4] .

Generování zvuku

Obvykle se pro generování zvuku používají oscilující tělesa různé povahy, která způsobují vibrace v okolním vzduchu. Příkladem takové generace by bylo použití hlasivek , reproduktorů nebo ladičky . Většina hudebních nástrojů je založena na stejném principu. Výjimkou jsou dechové nástroje , u kterých je zvuk generován interakcí proudění vzduchu s heterogenitami v nástroji. K vytvoření koherentního zvuku se používají tzv. zvukové nebo fononové lasery [5] .

V technice se používají zvukové generátory .

Ultrazvuk

Ultrazvukově elastické zvukové vibrace vysoké frekvence . Lidské ucho vnímá elastické vlny šířící se prostředím s frekvencí přibližně do 16 Hz-20 kHz ; vibrace s vyšší frekvencí představují ultrazvuk (mimo sluch). Ultrazvuková diagnostika je založena na fenoménu odrazu .

Absorpce ultrazvukových vln

Vzhledem k tomu, že médium, ve kterém se šíří ultrazvuk, má viskozitu, tepelnou vodivost a další příčiny vnitřního tření, dochází během šíření vln k absorpci , to znamená, že jak se vzdálenost od zdroje zvětšuje, amplituda a energie ultrazvukových vibrací se zmenšují. Prostředí, ve kterém se ultrazvuk šíří, interaguje s procházející energií a její část pohlcuje. Převážná část pohlcené energie se přeměňuje na teplo, menší část způsobuje nevratné strukturální změny v přenášející látce.

Pod hloubkou pronikání ultrazvuku rozumíme hloubku, ve které se intenzita sníží na polovinu. Tato hodnota je nepřímo úměrná absorpci: čím silněji médium absorbuje ultrazvuk, tím menší je vzdálenost, na kterou je intenzita ultrazvuku zeslabena na polovinu.

Pokud jsou v prostředí nehomogenity, pak dochází k rozptylu zvuku, který může výrazně změnit jednoduchý obraz šíření ultrazvuku a v konečném důsledku také způsobit útlum vlny v původním směru šíření.

Na rozhraní mezi médii (např. epidermis - dermis - fascia - sval) bude pozorován lom ultrazvukových vln.

Pohyblivé a stojaté ultrazvukové vlny

Pokud se při šíření ultrazvukových vln prostředím neodrážejí, vznikají postupné vlny . V důsledku energetických ztrát se oscilační pohyby částic média postupně rozpadají a čím dále se částice nacházejí od vyzařovací plochy, tím menší je amplituda jejich kmitů. Pokud se na dráze šíření ultrazvukových vln nacházejí tkáně s různými specifickými akustickými odpory, pak se ultrazvukové vlny do určité míry odrážejí od hraničního řezu. Superpozice dopadajících a odražených ultrazvukových vln může vést ke stojatému vlnění . Pro vznik stojatého vlnění musí být vzdálenost od povrchu emitoru k odraznému povrchu násobkem poloviny vlnové délky.

Infrazvuk

Infrazvuk (z lat. infra - pod, pod) - zvukové vibrace, které mají frekvence nižší než ty, které vnímá lidské ucho. Pro horní hranici frekvenčního rozsahu infrazvuku obvykle trvá 16-25 Hz. Spodní hranice infrazvukového rozsahu je konvenčně definována jako 0,001 Hz . Prakticky zajímavé mohou být oscilace od desetin a dokonce setin hertzu, tedy s periodami deseti sekund.

Vzhledem k tomu, že povaha výskytu infrazvukových vibrací je stejná jako u slyšitelného zvuku, infrazvuk se řídí stejnými zákony a k jeho popisu se používá stejný matematický aparát jako u běžného slyšitelného zvuku (kromě pojmů souvisejících s hladinou zvuku). . Infrazvuk je médiem slabě absorbován, takže se může šířit na značné vzdálenosti od zdroje. Díky velmi dlouhé vlnové délce je difrakce výrazná .

Infrazvuk generovaný v moři je označován za jeden z možných důvodů pro nalezení lodí opuštěných posádkou [6] .

Experimenty a demonstrace

Rubensova trubice se používá k demonstraci stojatých vln zvuku .

Rozdíl v rychlostech šíření zvuku je patrný, když se místo vzduchu nadechne helium a oni něco řeknou, vydechnou to - hlas se zvýší. Pokud je plynem fluorid sírový SF 6 , pak hlas zní níže [7] . Je to dáno tím, že plyny jsou přibližně stejně stlačitelné, proto v heliu, které má velmi nízkou hustotu ve srovnání se vzduchem, dochází ke zvýšení rychlosti zvuku a ke snížení fluoridu sírového s velmi vysokou hustotou. pro plyny, zatímco rozměry lidského ústního rezonátoru zůstávají nezměněny, v důsledku toho se mění rezonanční frekvence, protože čím vyšší je rychlost zvuku, tím vyšší je rezonanční frekvence za jiných nezměněných podmínek.

Rychlost zvuku ve vodě může být vizualizována ve zkušenosti s difrakcí světla ultrazvukem ve vodě . Ve vodě je ve srovnání se vzduchem rychlost zvuku vyšší, protože i při výrazně vyšší hustotě vody (což by mělo vést k poklesu rychlosti zvuku) je voda tak špatně stlačitelná, že v důsledku zvuk v něm je ještě několikrát vyšší.

V roce 2014 byla představena instalace, která zvedá centimetrové předměty pomocí zvukových vln [8] .

Viz také

Poznámky

↑ I. P. Golyamina. Zvuk // Fyzická encyklopedie : [v 5 svazcích] / Kap. vyd. A. M. Prochorov . - M .: Sovětská encyklopedie (sv. 1-2); Velká ruská encyklopedie (sv. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ Fáma - obecné informace (nepřístupný odkaz) . Získáno 25. srpna 2010. Archivováno z originálu 12. ledna 2013. (neurčitý)
↑ Sound Engineer Archive, 2000, #8 Archivováno 27. února 2007 na Wayback Machine
↑ Archiv časopisu "Sound Engineer", 2000, #9 Archivováno 27. února 2007.
↑ Jacob B. Khurgin. Fononové lasery získávají zdravý základ // Fyzika . - 2010. - Sv. 3 . — S. 16 .
↑ Mezentsev V. A. Ve slepých uličkách mystiky. Moskva: Moskevský dělník , 1987.
↑ Ukázka změny hlasu fluoridu sírového na YouTube
↑ Akustický "elektrický paprsek" přitahuje objekty na dálku Archivováno 17. května 2014 na Wayback Machine // Popular Mechanics

Literatura

Zvuk // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
Radzishevsky A. Yu. Základy analogového a digitálního zvuku. - M .: Williams , 2006. - S. 288. - ISBN 5-8459-1002-1 .

Odkazy

Zní to úžasně; výukový zdroj KS3/4 pro zvuk a vlny Archivováno 13. března 2012 na Wayback Machine (používá Flash )
HyperPhysics: Sound and Hearing archivováno 2. února 2009 na Wayback Machine
Úvod do fyziky zvuku Archivováno 23. prosince 2008 na Wayback Machine
Sluchové křivky a on-line test sluchu Archivováno 21. ledna 2009 na Wayback Machine
Audio pro 21. století
Konverze zvukových jednotek a úrovní Archivováno 18. ledna 2009 na Wayback Machine
Zvukové výpočty Archivováno 18. ledna 2009 na Wayback Machine
Kontrola zvuku: bezplatná sbírka zvukových testů a testovacích tónů, které lze přehrát online Archivováno 3. října 2019 na Wayback Machine
více zní úžasně; výukový zdroj šesté formy o zvukových vlnách Archivováno 10. února 2019 na Wayback Machine

Slovníky a encyklopedie

Velká dánština
Skvělý norský
Velký Rus
Brockhaus a Efron
okolo světa
Malý Brockhaus a Efron
Muzikál Riemann
V. Dahl
Britannica (online)
Universalis
Moderní Ukrajina

V bibliografických katalozích
BNE : XX524570 BNF : 119348192 GND : 4129541-9 J9U : 987007558440305171 LCCN : sh85125363 NDL : 00568989 NKC : ph127699