Širjenje in odboj zvoka fb
 

Zvok in širjenje zvoka




Friderika Lavrič, avtor/ica gradiva, nudi inštrukcije fizike v naslednjih krajih: Ljubljana.

Skype Učitelj/ica omogoča inštrukcije tudi prek Skypa.


V gradivu Potujoče longitudinalno valovanje smo se na primeru vijačne vzmeti naučili, kako nastane in kako se širi longitudinalni val.


V tem gradivu bomo pridobljeno znanje uporabili na zvoku, saj je tudi zvok longitudinalno valovanje. Zvok proizvajajo zvočila, to so glasilke, glasbeni inštrumenti, zvočniki itd. Širi se po zraku, lahko pa tudi po kapljevini ali trdni snovi. Videli bomo, da se širi tem hitreje, čim manjša je stisljivost snovi, po kateri se širi. Najbolj je stisljiv plin (npr. zrak), zato je hitrost zvoka v plinu najmanjša. Sledita pa kapljevina in trdna snov, kjer je hitrost zvoka precej večja.


Ko pride zvok do naših ušes, ga lahko slišimo ali pa ne. Ljudje slišimo le zvok s frekvencami (približno) od 20 Hz do 20 kHz. Nižjim frekvencam pravimo infrazvok, višjim pa ultrazvok in jih ne slišimo.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


V tem gradivu se bomo naučili:

  • kako nastane zvok,

  • kako se zvok širi,

  • kakšna je njegova hitrost.


Zvok, ki ga ljudje slišimo, ima frekvence od 20 Hz do 20 kHz. Nižje frekvence imenujemo infrazvok, višje pa ultrazvok.



Nastanek in sprejem zvoka



Izvir zvoka je vedno nekaj, kar niha. Z nihanjem povzroča, da nastajajo v snovi (običajno v zraku) razredčine in zgoščine. Na mestu razredčine nastane podtlak zraka, na mestu zgoščine pa nadtlak. Podtlak in nadtlak se širita stran od izvora kot potujoče longitudinalno valovanje.


Kako nastane zvok, kako se širi in kako ga sprejemamo, si oglejmo na spodnjem primeru.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Zračni tlak in odmik delcev pri nihanju



Nihanje membrane se prenaša tudi na molekule v zraku v bližini membrane. Tako nastanejo razredčine in zgoščine, ki potujejo po zraku stran od izvora. Zamislimo si, da v nekem trenutku zajamemo sliko nihanja molekul in na pogledamo:

  • kje so molekule najbolj zgoščene in razredčene,

  • kje je tlak največji in najmanjši,

  • kje so odmiki molekul pri nihanju največji in najmanjši.


Na spodnji sliki je prikazan potujoči longitudinalni val v trenutku :

  • zgoraj so naznačene razredčine in zgoščine vzdolž vala,

  • v sredini je graf spremembe tlaka od položaja x,

  • spodaj je graf trenutnega odmika od ravnovesne lege delcev zraka v odvisnosti od položaja x.


Slika3: Razredčine - zgoščine, spremembe tlaka in odmik od ravnovesne lege v času



Kot smo spoznali že v gradivu Potujoče longitudinalno valovanje, je največji odmik delcev zraka od ravnovesne lege v tisti legi, kjer je sprememba zračnega tlaka enaka nič.


Točke na sliki 3 pomenijo:

  • A - razredčina zraka. Na mestu, kjer je trenutno razredčina, je maksimalni podtlak zraka . Trenutna vrednost odmika delcev zraka .

  • B - nevtralna lega. Tu ni spremembe tlaka, je pa največji odmik od ravnovesne lege .

  • C - zgoščina zraka. Tu je maksimalni nadtlak , vrednost trenutne odmika pa je nič.


Zvok je longitudinalno ali vzdolžno valovanje delcev snovi, to je plina, kapljevine ali trdne snovi. Delci ne nihajo istočasno po celem mediju, zato ob nihalu nastajajo zgoščine in razredčine. V zgoščini je tlak povečan, v razredčinah pa zmanjšan. Zgoščine in razredčine se širijo po snovi kot vzdolžni valovi.



Izvir zvoka



Izvir zvoka je lahko vsako nihalo, ki povzroča longitudinalno valovanje. Človek proizvaja zvok z glasilkami, s pomočjo glasbenih inštrumentov ali s pomočjo elektronskih naprav.


Nihanje izvira zvoka je lahko vsiljeno nihanje ali lastno nihanje (npr. napete strune ali zraka v piščali).


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Izvir zvoka lahko oddaja zvok z eno samo frekvenco. Pravimo mu ton. Glasbeni inštrumenti poleg tona določene frekvence oddajajo še mnogokratnike teh frekvenc. Takemu zvoku pravimo zven. Več o tem je v gradivu Energija zvoka.


Glasbeni inštrumenti običajno delujejo na osnovi lastnega nihanja napete vrvi ali zraka v cevi.


  • lastno nihanje strune v: godalih (npr. violina, čelo), brenkalih (npr. kitara), glasbilih s tipkami (npr. klavir),

  • lastno nihanje lesenih ali kovinskih ploščic: v ksilofonih, vibrafonih itd.,

  • lastno nihanje napete opne v tolkalih (npr. bobni).


Na osnovi lastnega nihanja zraka v cevi delujejo:

  • pihala: piščali, flavta, klarinet, saksofon, orgle itd.,


    Primer

    Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
     
     
    Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


  • trobila: rog, trobenta, pozavna.


Za uglaševanje glasbenih inštrumentov uporabljamo glasbene vilice - slika 6. Največkrat so uglašene na glasbeni ton s frekvenco 440 Hz.


Slika 6: Glasbene vilice



Glasbene vilice nihajo harmonično, torej proizvajajo ton z obliko sinusa. Prislonimo jih ob glasbeni inštrument npr. klavir tako, da ploskev klavirja ojača zvok, ter primerjamo frekvenco tona glasbenih vilic in inštrumenta.


Za oblikovanje zvoka si lahko pomagamo tudi z elektronskimi sintetizatorji. Elektronski sintetizatorji zvoka obogatijo zvok s pomočjo elektronskih vezij. Osnovni ton opremijo z višjimi harmoničnimi komponentami osnovnega tona. Proizvajajo zven različnih glasbenih inštrumentov, dodajajo ritem, spremljavo ter posebne zvočne učinke - npr. umetni odmev.


Širjenje zvoka



Longitudinalni val v prostoru si lahko predstavljamo s pomočjo valovnih žarkov in valovnih front (glej spodnjo sliko):

  • Valovni žarek je navidezna črta, ki nakazuje, v katero smer se širi val.

  • Valovna fronta je ploskev, ki povezuje vsa mesta v prostoru, kjer se trenutno nahaja ista zgoščina. Razdalja med dvema valovnima frontama je enaka valovni dolžini. Valovna fronta je pravokotna na žarek.


Če je izvir zvoka ravnina, potem proizvaja planarne (ravninske) valovne fronte in vzporedne žarke. Če pa je izvir točka ali majhno telo, potem proizvaja sferične (krogelne) valovne fronte in radialne žarke.


Slika 7: Planarni in krogelni zvočni val. Vrisane so valovne fronte in valovni žarki



Odboj zvoka



Zvok, ki zadene oviro, se lahko od nje odbije ali pa ga ovira vpije (absorbira). Kolikšen del zvočnega valovanja ovira odbija, pove koeficient odbojnosti. V nadaljevanju bomo predpostavili, da ovira popolnoma odbije zvok. V tem primeru pravimo, da je koeficient odbojnosti enak 1.


Val se odbije tako, kot bi izhajal iz zrcalnega izvira za odbojno površino. Velja zakon odboja: vpadni kot (merjen od navpičnice na vpadno ploskev) je enak odbojnemu kotu. Pri tem predpostavimo, da je hrapavost odbojne površine dovolj majhna v primerjavi z valovno dolžino, da se žarek ne razprši.


Slika 8: Odboj planarnega in sferičnega vala



Hitrost zvoka



Hitrost zvoka je odvisna od snovi, po kateri se širi zvok. Izračunamo jo lahko po enačbi:




Vidimo, da je hitrost zvoka tem večja, čim manjša je stisljivost snovi in čim manjša je gostota snovi. Zaradi majhne stisljivosti sklepamo, da je hitrost zvoka največja v trdnih snoveh, sledijo kapljevine in plini.


Namesto stisljivosti lahko uporabimo tudi modul elastičnosti E. Kako sta obe količini med sabo povezani?





Stisljivosti snovi podaja izraz:



Modul elastičnosti in stisljivost sta obratno sorazmerna. Vstavimo to v enačbo za hitrost zvoka in dobimo:




Hitrost zvoka v zraku pa lahko izračunamo tudi s pomočjo enačbe (1) 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 dvoatomnih 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.


V spodnji tabeli so podane hitrosti zvoka za nekatere snovi:



Vidimo, da ima največjo hitrost aluminij. To je posledica mahne gostote in stisljivosti aluminija.


Kot zanimivost povejmo še, da se lahko po trdnini širi tako longitudinalno kot transverzalno valovanje. Pri tem je hitrost transverzalnega valovanja približno dvakrat manjša od longitudinalnega valovanja.


Hitrost zvoka je odvisna od snovi, po kateri se širi zvok in od temperature. Odčitamo jo lahko iz tabele, ali pa uporabimo eno od enačb:








Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


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





glavni avtor in urednik gradiva: Satcitananda podjetje za proizvodnjo, trgovino in izobraževanje d.o.o., Ljubljana