Longitudinalno valovanje zvoka

Zvok je vzdolžno ali longitudinalno valovanje zračnih delcev.

Kot primer vzemimo zvočnik kot izvir zvoka: pri premiku membrane desno od mirovne lege A (glej sliko) nastane zgoščina molekul zraka (večja gostota zraka) in posledično povečan zračni tlak. Ko se premika membrana v levo, povzroča razredčino (gostota zraka se zmanjša) in znižanje zračnega tlaka. Nihanje membrane y(t) prehiteva p(t) za kot , kot kaže slika:

Na sprejemni strani poteka proces v obratni smeri: povečan in zmanjšan zračni tlak povzročata nihanje bobniča v ušesu ali membrane mikrofona.

Zvok, ki ga lahko slišimo, je v frekvenčnem področju 20 Hz do 20 kHz. Zvok z nižjimi frekvencami je infrazvok, z višjimi pa ultrazvok.

Zgoščine in razredčine se širijo v okolico s hitrostjo zvoka c. V času naredijo pot , v času enega nihaja pa pot, ki je enaka valovni dolžini valovanja:

Upoštevali smo, da sta frekvenca in perioda recipročni:

Pri določeni frekveci bo valovna dolžina odvisna samo od hitrosti zvoka. Iz enačbe (1) izrazimo še frekvenco:

Tlak, ki ga povzroča potujoči zvočni val je odvisen od razdalje in od časa. Zapišemo ga v obliki:

Zvok se ne širi samo po zraku, pač pa po vsaki snovi, ki se pod vplivom tlaka lahko stisne. Stisljivost snovi izračunamo po enačbi:

Stisljivost snovi in modul elastičnosti E sta obratno sorazmerna.

Hitrost valovanja smo izpeljali v gradivu Potujoče transverzalno valovanje in je:

ali z uporabo enačbe (2):

Hitrost zvoka v zraku izračunamo s pomočjo enačbe (3) in z uporabo plinskih zakonov. Brez izpeljave zapišimo rezultat:

Tu je razmerje med specifično toploto pri stalnem tlaku in specifično toploto pri stalnem volumnu. Pri dvoatomskih molekulah, iz katerih je večinoma sestavljen zrak je njegova vrednost 1,40.

M je kilomolska masa zraka (M=29 kg), R splošna plinska konstanta in T absolutna temperatura.

Vidimo, da je v zraku hitrost zvoka sorazmerna korenu iz absolutne temperature. Faktor sorazmernosti izračunamo iz enačbe (4) in dobimo: