Zvok: definicija, nastanek in lastnosti zvočnih valov
Zvok lahko pomeni tudi vodno telo, na primer zaliv ali kanal.
Zvočni val lahko opredelimo kot motnjo, ki potuje po nekem mediju. Zvok je izraz za opis tega, kar slišimo, ko zvočni valovi potujejo skozi medij do ušesa. Vsi zvoki nastanejo zaradi vibracij molekul, skozi katere potuje zvok. Ko na primer udarimo po bobnu ali činelu, predmet vibrira. Zaradi teh vibracij se gibljejo molekule zraka. Zvočni valovi se oddaljujejo od vira zvoka (od koder so prišli) in potujejo po molekulah zraka. Ko vibrirajoče molekule zraka dosežejo naša ušesa, vibrira tudi bobnič. Kosti ušesa vibrirajo enako kot predmet, ki je sprožil zvočni val.
Nastanek in prenos zvoka
Zvok nastane, ko nek predmet ali sistem začne periodično ali naključno vibrirati. Te vibracije povzročijo izmenično stiskanje in redčenje sosednjih molekul v mediju, po katerem se prenašajo. V zraku se to izraža kot spremembe tlaka okoli normalnega atmosferskega tlaka. Zvočni valovi se lahko širijo v različnih medijih:
- V plinih (npr. zrak) — pogost način prenosa zvoka v vsakdanjem okolju.
- V tekočinah (npr. voda) — zvok se širi hitreje kot v zraku; tukaj se nanaša tudi izraz iz uvodne vrstice (vodno telo).
- V trdnih snoveh — zvok se prenaša še hitreje zaradi tesneje povezanih delcev; trdna telesa lahko vodijo zvok na velike razdalje.
Lastnosti zvočnih valov
Zvočne valove opisujemo z več fizikalnimi veličinami, ki določajo, kako zvok dojemamo:
- Frekvenca (Hz) — število nihajev na sekundo; višja frekvenca pomeni višji ton (višji pitch). Ljudje običajno slišimo frekvence približno od 20 Hz do 20 000 Hz.
- Amplituda — povezana z jakostjo ali glasnostjo zvoka; večja amplituda povzroči glasnejši zvok.
- Valovna dolžina — razdalja med zaporednima istima fazama vala (npr. med dvema kompresijama).
- Hitrost zvoka — odvisna od medija in njegove temperature; v zraku pri 20 °C znaša približno 343 m/s, v vodi pa približno 1500 m/s.
- Timbre (barva zvoka) — lastnost, ki omogoča razlikovanje med različnimi glasili ali glasovi, tudi če imajo enako frekvenco in glasnost; odvisna je od spektra harmoničnih sestavin.
Vzdolžni valovi: kompresija in redčenje
Zvočni valovi so tipično vzdolžni valovi z dvema deloma: kompresijo in redčenjem. Kompresija je del zvočnega valovanja, pri katerem se molekule zraka potiskajo (stiskajo) skupaj. Redčenje je del valovanja, kjer so molekule daleč druga od druge. Zvočni valovi so zaporedje stiskanja in redčenja, ki se širijo skozi medij kot valovna fronta.
Kako zaznava človek zvok
Ko zvočni val priteče v uho, ga najprej ujame zunanje uho in ga usmeri proti bobniču. Vibracije bobniča se preko srednjega ušesa in slušnih koščic prenašajo na notranje uho, kjer se v tekočini zavrti koklea. Notranje dlake v koklei pretvorijo mehanske vibracije v živčne signale, ki jih možgani obdelajo kot zvok. Različne frekvence stimulirajo različne dele koklee, kar omogoča zaznavanje višine tona in kompleksnosti zvoka.
Vrste in uporabe zvoka
- Infrasound — frekvence pod 20 Hz; lahko jih zaznavajo nekateri sesalci in jih uporablja tehnika za preiskovanje strukturalnih lastnosti in v naravoslovju.
- Audible zvok — frekvenčno območje, ki ga slišimo; uporablja se v govorjeni komunikaciji, glasbi, signalizaciji.
- Ultrazvok — frekvence nad 20 kHz; uporabljamo ga v medicini (diagnostični ultrazvok), industriji (detekcija napak), sonarju in za raziskave pri živalih.
Dodatne pojave
- Refleksija — zvok se odbije od trdnih površin (odmev).
- Absorpcija — materiali spreminjajo energijo zvočnega vala v toploto, kar utiša zvok.
- Interferenca — pri seštevanju dveh valov se lahko pojavita konstruktivna (ojačanje) ali destruktivna (oslabitev) interferenca.
- Dopplerjev učinek — sprememba zaznane frekvence zaradi relativnega gibanja vira zvoka in opazovalca.
Zvok v vsakdanjem življenju
S temi vibracijami lahko slišite različne zvoke. Tudi glasba je vibracija. Nepravilne vibracije so hrup. Ljudje lahko ustvarjajo zelo zapletene zvoke. Uporabljamo jih za govor in druge oblike komunikacije. Poleg tega ima zvok pomembno vlogo v tehnologiji (npr. ultrazvok, sonar, akustične meritve), medicini in pri oblikovanju bivalnih in koncertnih prostorov, kjer akustična zasnova močno vpliva na kakovost zvoka.
Razumevanje fizike zvoka pomaga izboljšati prenos govora, zmanjševati hrup in razvijati naprave, ki omogočajo natančno merjenje, diagnostiko ali komunikacijo na področjih, kjer je svetloba ali radiofrekvence manj uporabna.
Hitrost zvoka
Zvočni valovi lahko potujejo skozi trdne snovi, tekočine in pline, ne morejo pa potovati skozi vakuum (prostor, v katerem ni ničesar). Zato se astronavti v vesolju ne morejo pogovarjati med seboj: da bi se slišali, potrebujejo radio. Zvok lahko potuje skozi vodo hitreje kot skozi zrak, v trdnih snoveh, kot so kamen, železo in jeklo, pa še hitreje. V zraku zvok potuje s hitrostjo 335 metrov na sekundo.
Stopnja in intenzivnost
Višina zvoka je višina ali nižina zvoka. Z višino zvoka ljudje slišimo različne frekvence. Frekvenca je določena s številom vibracij na sekundo. Najvišja tipka na klavirju na primer zavibrira 4000-krat na sekundo. Njena frekvenca je 4000 hercev (Hz) ali 4 kiloherci (kHz). Nižje tipke imajo nižje frekvence. Nota, ki je oktavo višja od druge note, ima dvakrat višjo frekvenco od te note.
Intenzivnost zvoka je količina zvočne energije, ki v eni sekundi preide skozi kvadratni meter. Zvočni valovi z večjo amplitudo (večjim nihanjem) imajo večjo jakost. Intenzivnost zvoka je večja bližje viru zvoka. Bolj oddaljen je manj intenziven. Zakon obratnega kvadrata prikazuje, kako postaja intenzivnost zvoka manjša, ko je bolj oddaljen od vira zvoka. "Inverzni kvadrat" pravi, da ko razdaljo pomnožimo s številom, se jakost zvoka deli s tem številom v kvadratu (število pomnožimo s samim seboj). Tako dvakrat večja razdalja pomeni četrtino manjšo jakost zvoka.
Intenzivnost zvoka je lahko zelo različna. Od 0,000000000001, ki se komaj sliši, do 1 W/m2 (boleče glasno). Zaradi decibelske lestvice je s številkami jakosti zvoka lažje delati. Intenzivnost 0,000000000001 W/m2 je 0 dB (decibelov). Ko se število decibelov poveča za 10, je jakost desetkrat večja. Tako je jakost 1 W/m2 120 dB.
Glasnost je način, kako ljudje zaznavajo jakost zvoka. Glasnost je odvisna od jakosti zvoka, frekvence zvoka in človekovega sluha.
Slišano in ne videno
Slišni zvok ima frekvence od 20 Hz do 20 kHz. Ljudje lahko slišimo slišni zvok. Zvočni valovi s frekvenco nad 20 kHz se imenujejo ultrazvočni valovi. Zvočni valovi s frekvenco pod 20 Hz se imenujejo infrazvočni valovi. Ljudje ne slišimo ultrazvočnih in infrazvočnih valov, vendar jih nekatere živali, kot so netopirji in delfini, uporabljajo. Starejši ljudje imajo še manjše območje slišnosti. Ljudje najbolje slišijo zvoke med 1000 Hz in 6000 Hz.
Dopplerjev učinek
Ko se vir zvoka premika proti nekomu, se zdi, da se frekvenca povečuje. Enako se zgodi, ko se nekdo pomakne proti viru zvoka. Ko se nekdo oddalji od vira zvoka, se frekvenca zmanjša. Prav tako se zdi, da se frekvenca zmanjša, ko se vir zvoka od nekoga oddalji. Temu pravimo Dopplerjev učinek.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je zvok?
O: Zvok je vrsta valovanja, ki nastane zaradi vibracij molekul. Slišimo ga, ko pride skozi medij do ušesa.
V: Kako nastanejo zvoki?
O: Zvoki nastajajo zaradi vibracij molekul. Ko na primer nekdo udarja po bobnu ali činelu, predmet vibrira in povzroči gibanje molekul zraka, ki ustvarjajo zvočne valove.
V: Po katerih treh različnih medijih potuje zvok?
O: Trije različni mediji, skozi katere potuje zvok, so trdne snovi, tekočine in plin.
V: Kaj povzroča zvočne valove?
O: Zvočne valove povzročajo vibracije molekul v zraku. Ko predmet vibrira, se gibljejo molekule zraka, ki nato ustvarjajo zvočne valove.
V: Kako slišimo zvoke?
O: Zvoke slišimo, ko vibrirajoče molekule zraka dosežejo naša ušesa in povzročijo vibriranje bobniča na enak način, kot je prvotno vibriral predmet, ki je sprožil zvočni val.
V: Ali so vsi zvoki pravilne vibracije?
O: Ne, vsi zvoki niso pravilne vibracije; nepravilne vibracije sestavljajo hrup, medtem ko lahko ljudje ustvarjajo zelo zapletene zvoke za govor.
V: Kaj sta kompresija in redčenje pri zvočnih valovih?
O: Kompresija je del zvočnega vala, pri katerem so molekule zraka potisnjene skupaj, redčenje pa je del vala, pri katerem so molekule zraka daleč druga od druge - ta dva dela ustvarita zaporedje, znano kot zvočni val.
