Звук — определение и свойства (акустика и водни басейни)
Звук — ясно определение и свойства: акустика, звукови вълни и вибрации, разпространение в твърди тела, течности и водни басейни. Научете как звукът се образува и предава.
Звук може да означава и воден басейн, например залив или канал.
Звукът се причинява от звукови вълни. Той може да бъде чут, когато преминава през среда до ухото. Всички звуци се образуват от вибрации на молекули. Например, когато човек удари барабан или цимбал, предметът вибрира. Тези вибрации карат молекулите на въздуха да се движат. Звуковите вълни се отдалечават от мястото, откъдето са дошли. Когато вибриращите въздушни молекули достигнат до ушите ни, тъпанчето също вибрира. Костите на ухото вибрират по начина, по който е вибрирал обектът, който е предизвикал звуковата вълна.
Съществуват три различни медии. Това са твърди вещества, течности и газ. Звукът се разпространява най-бързо в твърдите тела, тъй като частиците в твърдото тяло са по-близо една до друга, отколкото в газа и течността.
Тези вибрации ви позволяват да чувате различни неща. Дори музиката е вибрация. Неправилните вибрации са шум. Хората могат да създават много сложни звуци. Ние ги използваме за реч.
Звуковите вълни са надлъжни вълни с две части: компресия и разреждане. Компресията е частта от звуковите вълни, при която молекулите на въздуха се притискат (компресират) една към друга. Редуването е частта от вълните, при която молекулите се отдалечават една от друга. Звуковите вълни са последователност от компресия и редуване.
Какво още е важно да се знае за звука
Звукът не може да се разпространява във вакуум — той изисква среда, в която частици да се предават помежду си. Скоростта на звука зависи от свойствата на средата: плътност, еластичност и температура. Приблизителни стойности са около 343 m/s в сух въздух при 20 °C, около 1480 m/s в морска вода и няколко хиляди метра в секунда в различни метали (например около 5960 m/s в стомана). Температурното изменение на въздуха пряко влияе на скоростта на звука — обикновено тя се увеличава с увеличение на температурата.
Основни характеристики на звука
- Честота (Hz) — брой колебания в секунда; определя височината (питча). Човешкото ухо обикновено възприема от около 20 Hz до 20 000 Hz.
- Дължина на вълната — разстоянието, което вълната изминава за един период; свързана е със скоростта и честотата (λ = v / f).
- Амплитуда — максималното отклонение на вълната; определя как звученето е силно (субективно възприемане като сила на звука).
- Интензитет и ниво на звука (dB) — енергията на звука, измервана в децибели; скалата е логаритмична. 0 dB приблизително съответства на границата на човешкото слышане, а над 120–130 dB звукът може да причинява болка и трайни увреждания.
- Тембър — качеството на звука, което позволява да различим два тона с еднаква височина и сила; определя се от хармониците и формата на вълната.
Явления при разпространение на звука
Звукът може да се отразява (ехо), пречупва (към промяна на посоката при преминаване през различни среди), поглъща (звукоизолация, загуба на енергия), дифрактира (огъва се около препятствия) и интерферира (наслагване на вълни — конструктивна или деструктивна интерференция). Друг важен ефект е ефектът Доплер — промяна в честотата и височината на звука при относително движение на източника и наблюдателя.
Подводна акустика и „водни басейни“
Когато говорим за звук в контекста на водни басейни (в значението на „sound“ като залив или канал), подводният звук има свои особености: скоростта на звука в морската вода е значително по-голяма от тази в въздуха и зависи от температурата, солеността и налягането. Подводните звукови вълни се използват широко в сонарните системи за откриване, навигация и картографиране на морското дъно. Съществуват и специфични явления като SOFAR-канала — дълбок слой, в който звукът се предава на големи разстояния с малки загуби.
Морските бозайници (делфини, китове) използват звукови сигнали за комуникация и ехолокация; човешката дейност (корабен трафик, подводни взривове, сонар) може да има силно въздействие върху подводния акустичен пейзаж и върху животните.
Приложения и безопасност
Акустиката има приложения в много области: музика, телекомуникации, медицина (ултразвук), индустрия (контрол на качеството чрез акустични метода), строителство (звукоизолация) и военни технологии (сонар). Шумът и прекомерните нива на звук са сериозен здравен проблем — те могат да предизвикат временна или трайна загуба на слух, стрес и други здравни последици. За това се използват норми за безопасно излагане и средства за защита.
Кратко резюме: звукът е механично колебателно явление, което се предава чрез среда под формата на надлъжни вълни (компресии и разредения). Неговите свойства — честота, амплитуда, скорост и спектър — определят как го възприемаме и как се използва в практиката, включително и в подводни среди.
Вакуум
Тъй като звукът е вибрация на среда, той не може да преминава през вакуум. Вакуумът е място, където няма среда, например в космическото пространство. Думата идва от латинското прилагателно vacuus за "празен" или "празнота".
Скорост на звука
Звуковите вълни могат да преминават през твърди тела, течности и газове. Колкото по-дебела е средата, толкова по-бързо се разпространяват, но не могат да преминат през вакуум (място, в което няма нищо). Ето защо астронавтите не могат да разговарят помежду си в космоса: за да се чуят, им е необходимо радио. Звукът може да преминава през вода по-бързо, отколкото през въздух; и дори по-бързо в твърди тела като камък, желязо и стомана. При стайна температура и нормално атмосферно налягане звукът се разпространява със скорост 344 м/сек (1134 фута/сек), 761 мили в час). Тъй като температурата и налягането се променят с височината в атмосферата, скоростта също ще се променя.
Височина и интензивност
Височината е височината или низината на звука. Хората чуват различните честоти по височина. Честотата се определя от броя на трептенията в секунда. Най-високият клавиш на пиано например вибрира 4000 пъти в секунда. Честотата му е 4000 херца (Hz) или 4 килохерца (kHz). По-ниските клавиши имат по-ниски честоти. Нота, която е с една октава по-висока от друга, има два пъти по-висока честота от тази нота.
Интензитетът на звука е количеството звукова енергия, което преминава през един квадратен метър за една секунда. Звуковите вълни с по-висока амплитуда (по-големи вибрации) имат по-голям интензитет. Интензитетът на звука е по-висок по-близо до източника на звука. По-далеч той е по-слаб. Законът за обратния квадрат показва как интензивността на звука става по-малка, когато е по-далеч от източника. "Обратният квадрат" гласи, че когато разстоянието се умножава по число, интензивността на звука се разделя на това число на квадрат (числото се умножава по себе си). Така два пъти по-голямо разстояние означава една четвърт по-малък интензитет.
Интензитетът на звука може да бъде много различен. Те могат да варират от 0,000000000001, които едва се чуват, до 1 W/m2 (болезнено силен звук). Скалата на децибелите улеснява работата с числата за интензивност на звука. Интензитет от 0,000000000001 W/m2 е 0 dB (децибела). Това е експоненциална скала, така че когато числото на децибелите се увеличи с 10, интензивността е десет пъти по-голяма. Така интензитетът от 1 W/m2 е 120 dB.
Силата на звука е начинът, по който хората усещат интензивността на звука. Силата на звука зависи от интензивността на звука, честотата на звука и слуха на човека.
Чуто, но не видяно
Звукът, който се чува, има честоти между 20 Hz и 20 kHz. Човешките същества могат да чуват чуваем звук. Звуковите вълни с честота над 20 kHz се наричат ултразвукови вълни. Звуковите вълни с честота под 20 Hz се наричат инфразвукови вълни. Човешките същества не могат да чуват ултразвукови и инфразвукови вълни, но някои животни, като прилепите и делфините, ги използват. Възрастните хора имат още по-малък диапазон на чуване. Хората чуват най-добре звуци с честота между 1000 Hz и 6000 Hz.
Ефектът на Доплер
Когато източникът на звук се движи към някого, честотата му сякаш се увеличава. Същото се случва, когато някой се движи към източника на звук. Честотата изглежда намалява, когато някой се отдалечава от източника на звук. Изглежда, че тя също намалява, когато източникът на звук се отдалечава от някого. Това се нарича ефект на Доплер.
Въпроси и отговори
В: Какво е звук?
О: Звукът е вид вълна, създадена от вибрациите на молекулите. Той може да бъде чут, когато премине през среда до ухото.
В: Как се създават звуците?
О: Звуците се създават от вибрациите на молекулите. Например, когато някой удари барабан или кимвал, предметът вибрира и кара молекулите на въздуха да се движат, което създава звукови вълни.
В: Кои са трите различни среди, през които се разпространява звукът?
О: Трите различни среди, през които преминава звукът, са твърди тела, течности и газове.
В: Какво предизвиква звуковите вълни?
О: Звуковите вълни се предизвикват от вибрациите на молекулите на въздуха. Когато даден обект вибрира, той предизвиква движение на молекулите на въздуха, които след това създават звукови вълни.
В: Как чуваме звуци?
О: Чуваме звуци, когато вибриращите въздушни молекули достигнат до ушите ни и накарат тъпанчето ни да вибрира по същия начин, както първоначално е вибрирал обектът, който е предизвикал звуковата вълна.
В: Всички звуци ли са обикновени вибрации?
О: Не, не всички звуци са правилни вибрации; неправилните вибрации съставляват шума, докато хората могат да създават много сложни звуци за реч.
В: Какво е компресия и разреждане по отношение на звуковите вълни?
О: Компресията е част от звуковата вълна, при която молекулите на въздуха се притискат една към друга, докато разреждането е част от вълната, при която молекулите на въздуха се отдалечават една от друга - тези две части създават последователност, известна като звукова вълна.
обискирам