ЗВУК: ИСТОРИЈА, КАРАКТЕРИСТИКЕ, НАЧИН НА КОЈИ СЕ ПРОИЗВОДИ, ВРСТЕ - ФИЗИЧКИ

Звук се дефинише као пертурбације за размножавање у медијуму као што су ваздух, наизменично производи компресије и експанзије у њој. Ове промене притиска и густине ваздуха допиру до уха и мозак их тумачи као слушне сензације.

Звуци су пратили живот од његовог настанка, чинећи део алата којим животиње морају да комуницирају међусобно и са околином. Неки тврде да и биљке слушају, али у сваком случају би могле уочити вибрације околине чак и ако немају слушни уређај попут виших животиња.

Слика 1. Руптура звучне баријере

Поред тога што звук користе за комуникацију кроз говор, људи га користе и као уметнички израз кроз музику. Све културе, древне и новије, имају музичке манифестације свих врста, кроз које говоре своје приче, обичаје, верска веровања и осећања.

Историја

Због свог значаја, човечанство се заинтересовало за проучавање његове природе и створило је акустику, грану физике посвећену својствима и понашању звучних таласа.

Познато је да је славни математичар Питагора (569-475. Пр. Кр.) Провео дуго времена проучавајући разлике у висини (фреквенцији) између звукова. С друге стране, Аристотел, који је нагађао о свим аспектима природе, тачно је тврдио да се звук састоји од ширења и компресије у ваздуху.

Касније је познати римски инжењер Витрувије (80-15 пне) написао трактат о акустици и његовим применама у изградњи позоришта. Сам Исаац Невтон (1642-1727) проучавао је ширење звука у чврстим медијима и одредио формулу за његову брзину ширења.

Временом су математички алати израчунавања омогућили да се адекватно изрази сва сложеност таласног понашања.

Звучне карактеристике (својства)

У свом најједноставнијем облику звучни талас може се описати као синусоидни талас, који се шири у времену и простору, попут оног приказаног на слици 2. Тамо се примећује да је талас периодичан, односно да има начин који се понавља у времену.

Пошто се ради о уздужном таласу, смер ширења и правац кретања честица вибрационог медија су исти.

Параметри звучног таласа

Слика 2. Звук је уздужни талас, сметња се шири у истом правцу у коме молекули доживљавају своје померање. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Параметри звучног таласа су:

Период Т: време је потребно да се понови фаза таласа. У међународном систему се мери у секунди.

Циклус : је део таласа који се налази у периоду и покрива се од једне до друге тачке која има исту висину и исти нагиб. Може бити од једне долине до друге, од једног гребена до другог или од једне до друге тачке која испуњава описане спецификације.

Таласна дужина λ : то је удаљеност између једног гребена и другог таласа, између једне долине и друге, или уопште између једне тачке и друге тачке, исте висине и нагиба. Будући да је дужина, мери се у метрима, иако су друге јединице погодније зависно од врсте таласа.

Фреквенција ф : дефинише се као број циклуса по јединици времена. Његова јединица је Хертз (Хз).

Амплитуда А: одговара максималној висини таласа у односу на хоризонталну ос.

Како се звук производи и шири?

Звук настаје када вибрира предмет који је уроњен у материјални медијум, као што је приказано на доњем делу слике 2. Напета мембрана звучника са леве стране вибрира и преноси сметњу кроз ваздух све док допире до слушаоца.

Како се поремећај шири, енергија се преноси молекулима у окружењу, који међусобно делују, кроз ширења и компресије. Увек вам је потребан материјал за ширење звука, било да је чврст, течан или гас.

Када поремећаји у ваздуху дођу до уха, разлике у притиску ваздуха узрокују да бубњић вибрира. То ствара електричне импулсе који се доводе до мозга путем слушног живца, а кад се тамо импулси преточе у звук.

Брзина звука

Брзина механичких таласа у датом медијуму прати овај однос:

На пример, када се шири ваздухом попут гаса, брзина звука се може израчунати као:

Како температура расте, повећава се и брзина звука, јер су молекули у медијуму спремнији да вибрирају и преносе вибрацију својим покретима. Притисак са друге стране не утиче на његову вредност.

Однос између таласне дужине и фреквенције

Већ смо видели да је потребно време таласу да заврши циклус, а раздаљина у том периоду једнака је таласној дужини. Због тога је брзина в звука дефинисана као:

Са друге стране, фреквенција и период су повезани, један је обрнут од другог, овако:

Што води до:

Звучни распон фреквенција код људи је између 20 и 20 000 Хз, дакле таласна дужина звука је између 1,7 цм и 17 м приликом замјене вриједности у горњој једначини.

Ове таласне дужине су величине уобичајених предмета, што утиче на ширење звука, будући да је талас, доживљава рефлексију, рефракцију и дифракцију када наиђе на препреке.

Доживљавање дифракције значи да на звук утиче када наиђе на препреке и отворе који су величине или таласне дужине мање или мање.

Звукови баса могу се најбоље проширити на велике удаљености, због чега слонови користе инфразвук (звук врло ниске фреквенције, нечујан људском уху) за комуникацију на својим огромним територијама.

Такође, када се у оближњој соби налази музика, бас се боље чује од високих тонова, јер је његова таласна дужина приближно величини врата и прозора. Са друге стране, кад напустите собу, високи звукови се лако губе и стога престају да се чују.

Како се мери звук?

Звук се састоји од низа компресија и разграничења ваздуха, на начин да звук, који се шири, изазива повећање и смањење притиска. У међународном систему притисак се мери у паскалима, што је скраћено Па.

Оно што се дешава је да су ове промене веома мале у поређењу са атмосферским притиском, који вреди око 101 000 Па.

Чак и најгласнији звукови производе флуктуације од само 20-30 Па (праг боли), прилично мала количина у поређењу. Али ако можете да измерите те промене, онда имате начин мерења звука.

Звучни притисак је разлика између атмосферског притиска са звуком и атмосферског притиска без звука. Као што смо рекли, најгласнији звукови производе звучне притиске од 20 Па, док најслабији изазивају око 0,00002 Па (звучни праг).

Пошто се распон звучних притисака креће од неколико сила од 10, треба их користити за логаритмичку скалу.

Са друге стране, експериментално је утврђено да људи примећују промене звукова слабог интензитета приметније од промена исте величине, али код интензивних звукова.

На пример, ако се звучни притисак повећа за 1, 2, 4, 8, 16 …, ухо примети повећање од 1, 2, 3, 4 … по интензитету. Из тог разлога је прикладно дефинисати нову количину која се зове ниво звучног притиска (ниво звучног притиска) Л _П , дефинисана као:

Где је П _О референтна је притисак који се узима као праг слуха и П ₁ је средња ефективна притисак или рмс притисак. Овај РМС или просечни притисак је оно што ухо доживљава као просечну енергију звучног сигнала.

Децибеле

Резултат горњег израза за Л _П , када оцењује за различите вредности П ₁ , дат је у децибелима, количину бездимензиони. Овако изражавање нивоа звучног притиска је врло погодно, јер логаритми претварају велике бројеве у мање, управљиве бројеве.

Међутим, у многим случајевима се преферира употреба интензитета звука за одређивање децибела, а не звучни притисак.

Интензитет звука је енергија која тече у једној секунди (снага) кроз јединствену површину оријентисану окомито на смер у којем се талас шири. Попут звучног притиска, то је скаларна количина и означава се И. Јединице И су В / м ² , односно снага по јединици површине.

Може се показати да је интензитет звука пропорционалан квадрату звучног притиска:

У овом изразу, ρ је густина медијума, а ц брзина звука. Тада је ниво јачине звука Л _И дефинисан као:

Који је такође изражен у децибелима, а понекад је означен и грчким словом β. Референтна вредност И _о је 1 к 10 ^-12 В / м ² . Дакле, 0 дБ представља доњу границу људског слуха, док је праг бола 120 дБ.

Пошто је то логаритамска скала, мора се нагласити да мале разлике у броју децибела чине велику разлику у погледу интензитета звука.

Мерач нивоа звука

Мерач нивоа звука или децибелметар је уређај који се користи за мерење звучног притиска, указује на мерење у децибелима. Дизајнирана је да на њу реагује на исти начин као што би то учинило људско ухо.

Слика 3. Мерач нивоа звука или децибелметар користи се за мерење нивоа звучног притиска. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Састоји се од микрофона за прикупљање сигнала, више кола са појачавачима и филтрима, који су одговорни за адекватну претварање овог сигнала у електричну струју, и на крају ваге или екрана како би се приказао резултат очитања.

Они се широко користе да одреде утицај који одређени звукови имају на људе и околину. На пример, бука у фабрикама, индустријама, аеродромима, бука у саобраћају и многе друге.

Типови звука (инфразвук, ултразвук, моно, стерео, полифони, хомофони, бас, високи тонови)

Звук карактерише његова фреквенција. Према онима које људско ухо може да ухвати, сви звукови су сврстани у три категорије: оне које можемо чути или звучни спектар, оне који имају фреквенцију испод доње границе звучног спектра или инфразвука, и оне који су изнад звучног спектра. горња граница, која се зове ултразвук.

У сваком случају, будући да се звучни таласи линеарно преклапају, свакодневни звукови, које понекад тумачимо као јединствени, заправо се састоје од различитих звукова са различитим, али блиским фреквенцијама.

Слика 4. Опсег звука и фреквенција. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Звучни спектар

Људско ухо је дизајнирано да прихвати широк распон фреквенција: између 20 и 20 000 Хз, али нису све фреквенције у овом распону уочене истим интензитетом.

Ухо је осетљивије у фреквенцијском опсегу између 500 и 6.000 Хз, али постоје и други фактори који утичу на способност перцепције звука, као што је старост.

Инфрасоунд

То су звукови чија је фреквенција мања од 20 Хз, али то што их људи не могу чути не значи да и друге животиње не могу. На пример, слонови их користе за комуникацију, јер инфразвук може да пређе велике удаљености.

Остале животиње, попут тигра, користе их за омамљивање плена. Инфразвук се такође користи за откривање великих предмета.

Ултразвук

Имају фреквенције веће од 20 000 Хз и широко се користе у многим пољима. Једна од најистакнутијих примена ултразвука је средство медицине, и дијагностике и лечења. Слике добијене ултразвуком су неинвазивне и не користе јонизујуће зрачење.

Ултразвуци се такође користе за проналажење грешака у структурама, одређивање удаљености, откривање препрека током навигације и још много тога. Животиње такође користе ултразвук, а у ствари је тако откривено његово постојање.

Шишмиши емитују звучне импулсе, а затим тумаче одјек који производе како би проценили удаљености и пронашли плен. Са своје стране, пси такође могу чути ултразвук и зато реагују на псеће звиждуке које њихов власник не може чути.

Монофонски звук и стереофонски звук

Слика 4. У студију за снимање звук је на одговарајући начин модификован од стране електронских уређаја. Извор: Пикабаи.

Монофонски звук је сигнал снимљен једним микрофоном или аудио каналом. Када слушају слушалице или звучне рогове, оба уха чују потпуно исту ствар. Супротно томе, стереофонски звук снима сигнале са два независна микрофона.

Микрофони се налазе у различитим положајима тако да могу да покупе различите звучне притиске онога што желите да снимите.

Тада свако ухо прима један од ових скупова сигнала, а кад их мозак сабере и интерпретира, резултат је много реалнији него када слушамо монофоне звукове. Стога је то преферирана метода када је у питању музика и филм, мада се монофонични или монаурални звук и даље користи на радију, посебно за интервјуе и разговоре.

Хомофонија и полифонија

Глазбено гледано, хомофонија се састоји од исте мелодије коју свирају два или више гласова или инструмената. Са друге стране, у полифонији постоје два или више гласова или инструмената једнаког значаја који прате мелодије и чак различите ритмове. Резултирајући ансамбл ових звукова је складан, као што је Бацхова музика.

Басс и високи звукови

Људско ухо разликује звучне фреквенције као високе, ниске или средње. То је оно што се назива висина звука.

Највеће фреквенције, између 1600 и 20 000 Хз, сматрају се акутним звуцима, опсег између 400 и 1600 Хз одговара звуцима средњег тона и на крају, фреквенције у опсегу од 20 до 400 Хз представљају тонове баса.

Басс звукови се разликују од високих тонова по томе што се први доживљавају као дубоки, мрачни и громогласни, док су други лагани, јасни, весели и продорни. Такође, ухо их тумачи као интензивније, за разлику од бас звукова, који производе осећај мањег интензитета.

Референце

Фигуероа, Д. 2005. Таласи и квантна физика. Серија: Физика за науку и инжењерство. Уредио Д. Фигуероа.
Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. 6. Ед Прентице Халл.
Роцамора, А. Бележке музичке акустике. Опоравак од: еумус.еду.уи.
Серваи, Р., Јеветт, Ј. (2008). Физика за науку и инжењерство. Том 1. 7тх. Ед. Ценгаге Леарнинг.
Википедиа. Акустика. Опоравак од: ес.википедиа.орг.

ЗВУК: ИСТОРИЈА, КАРАКТЕРИСТИКЕ, НАЧИН НА КОЈИ СЕ ПРОИЗВОДИ, ВРСТЕ - ФИЗИЧКИ - 2025