Zvuk - Sound

Buben produkuje zvuk prostřednictvím vibrační membrány

Ve fyzice , zvuk je vibrace , který se šíří jako akustické vlny , prostřednictvím přenosového média , jako je plyn, kapalina nebo pevná látka.

V lidské fyziologie a psychologie , zvuk je příjem těchto vln a jejich vnímání pomocí mozku . Pouze akustické vlny, jejichž frekvence leží mezi 20 Hz a 20 kHz, rozsah frekvencí zvuku , vyvolávají u lidí sluchové vnímání. Ve vzduchu za atmosférického tlaku představují zvukové vlny o vlnových délkách 17 metrů (56 stop) až 1,7 centimetrů (0,67 palce). Zvukové vlny nad 20  kHz jsou známé jako ultrazvuk a nejsou pro člověka slyšitelné. Zvukové vlny pod 20 Hz jsou známé jako infrazvuk . Různé druhy zvířat mají různé rozsahy sluchu .

Akustika

Akustika je interdisciplinární věda, která se zabývá studiem mechanických vln v plynech, kapalinách a pevných látkách včetně vibrací , zvuku, ultrazvuku a infrazvuku. Vědec, který pracuje v oblasti akustiky, je akustik , zatímco někdo pracující v oblasti akustického inženýrství může být nazýván akustickým inženýrem . Zvukový inženýr , na druhé straně, se zabývá záznam, manipulaci, míchání a reprodukci zvuku.

Aplikace akustiky se nacházejí téměř ve všech aspektech moderní společnosti, subdisciplíny zahrnují aeroakustiku , zpracování zvukových signálů , architektonickou akustiku , bioakustiku , elektroakustiku, hluk z prostředí , hudební akustiku , ovládání hluku , psychoakustiku , řeč , ultrazvuk , podvodní akustiku a vibrace .

Definice

Zvuk je definován jako „(a) Oscilace v tlaku, napětí, výtlaku částic, rychlosti částic atd., Šířená v médiu s vnitřními silami (např. Elastickými nebo viskózními), nebo superpozice takto šířené oscilace. (B) Sluchová pocit vyvolaný oscilací popsanou v písmenu a). " Na zvuk lze pohlížet jako na vlnový pohyb ve vzduchu nebo jiných elastických médiích. V tomto případě je zvuk stimulem. Na zvuk lze také pohlížet jako na buzení sluchového mechanismu, které má za následek vnímání zvuku. V tomto případě je zvuk senzací .

Fyzika

Přehrávejte média

Experimentujte se dvěma ladicími vidlicemi oscilujícími obvykle na stejné frekvenci . Jedna z vidlic je zasažena pogumovanou paličkou. Přestože byla zasažena pouze první ladicí vidlice, druhá vidlice je viditelně vzrušená kvůli kmitání způsobenému periodickou změnou tlaku a hustoty vzduchu nárazem na druhou vidlici, což vytváří akustickou rezonanci mezi vidlicemi. Pokud však umístíme kus kovu na hrot, uvidíme, že účinek tlumí a excitace jsou stále méně výrazné, protože rezonance není dosahována tak efektivně.

Zvuk se může šířit médiem, jako je vzduch, voda a pevné látky, jako podélné vlny a také jako příčné vlny v pevných látkách . Zvukové vlny jsou generovány zdrojem zvuku, jako je vibrační membrána stereofonního reproduktoru. Zdroj zvuku vytváří vibrace v okolním médiu. Jak zdroj dále vibruje médiem, vibrace se šíří směrem od zdroje rychlostí zvuku , čímž vzniká zvuková vlna. V pevné vzdálenosti od zdroje se tlak , rychlost a výtlak média v čase mění. V okamžiku se tlak, rychlost a výtlak v prostoru mění. Částice média se nepohybují se zvukovou vlnou. To je pro tuhou látku intuitivně zřejmé a totéž platí pro kapaliny a plyny (to znamená, že vibrace částic v plynu nebo kapalině přenášejí vibrace, zatímco průměrná poloha částic v čase se nemění). Během šíření se vlny mohou odrážet , lámat nebo tlumit médiem.

Chování šíření zvuku je obecně ovlivněno třemi věcmi:

• Složitý vztah mezi hustotou a tlakem média. Tento vztah, ovlivněný teplotou, určuje rychlost zvuku v médiu.
• Pohyb samotného média. Pokud se médium pohybuje, tento pohyb může zvýšit nebo snížit absolutní rychlost zvukové vlny v závislosti na směru pohybu. Například zvuk pohybující se větrem bude mít svoji rychlost šíření zvýšenou o rychlost větru, pokud se zvuk a vítr pohybují stejným směrem. Pokud se zvuk a vítr pohybují v opačných směrech, rychlost zvukové vlny se sníží o rychlost větru.
• Viskozita média. Střední viskozita určuje rychlost, jakou je zvuk utlumen. U mnoha médií, jako je vzduch nebo voda, je útlum způsobený viskozitou zanedbatelný.

Když se zvuk pohybuje médiem, které nemá konstantní fyzikální vlastnosti, může dojít k jeho lomu (buď rozptýlenému nebo zaostřenému).

Sférické kompresní (podélné) vlny

Mechanické vibrace, které lze interpretovat jako zvuk, mohou cestovat všemi formami hmoty : plyny, kapaliny, pevné látky a plazmy . Hmota, která podporuje zvuk, se nazývá médium . Zvuk nemůže cestovat vakuem .

Vlny

Zvuk je přenášen plyny, plazmatem a kapalinami jako podélné vlny , nazývané také kompresní vlny. K šíření vyžaduje médium. Prostřednictvím pevných látek však může být přenášen jako podélné i příčné vlny . Podélné zvukové vlny jsou vlny se střídavými tlakovými odchylkami od rovnovážného tlaku, způsobující lokální oblasti komprese a řídnutí , zatímco příčné vlny (v pevných látkách) jsou vlny se střídavým smykovým napětím v pravém úhlu ke směru šíření.

Zvukové vlny lze sledovat pomocí parabolických zrcadel a předmětů, které produkují zvuk.

Energie přenášená oscilující zvukovou vlnou se převádí tam a zpět mezi potenciální energií extra komprese (v případě podélných vln) nebo deformací postranního posunu (v případě příčných vln) hmoty a kinetickou energií rychlosti posunu částic média.

Podélná rovinná vlna

Příčná rovinná vlna

Podélná a příčná rovinná vlna

Graf „tlaku v čase“ 20 ms záznamu klarinetového tónu ukazuje dva základní prvky zvuku: tlak a čas.

Zvuky mohou být reprezentovány jako směs jejich složek Sinusové vlny různých frekvencí. Spodní vlny mají vyšší frekvence než ty výše. Vodorovná osa představuje čas.

Přestože existuje mnoho složitostí souvisejících s přenosem zvuků, v místě příjmu (tj. Uší) je zvuk snadno rozdělen na dva jednoduché prvky: tlak a čas. Tyto základní prvky tvoří základ všech zvukových vln. Mohou být použity k absolutnímu popisu každého zvuku, který slyšíme.

Abychom porozuměli zvuku úplněji, je složitá vlna, jako je ta, která je zobrazena na modrém pozadí vpravo od tohoto textu, obvykle rozdělena na její součásti, které jsou kombinací různých frekvencí zvukové vlny (a šumu).

Zvukové vlny jsou často zjednodušeny na popis z hlediska sinusových rovinných vln , které se vyznačují těmito obecnými vlastnostmi:

• Frekvence , nebo její inverzní, vlnová délka
• Amplituda , akustický tlak nebo intenzita
• Rychlost zvuku
• Směr

Lidem vnímatelný zvuk má frekvence od přibližně 20 Hz do 20 000 Hz. Ve vzduchu při standardní teplotě a tlaku se odpovídající vlnové délky zvukových vln pohybují od 17 m (56 stop) do 17 mm (0,67 palce). Někdy jsou rychlost a směr kombinovány jako vektor rychlosti ; číslo vlny a směr jsou kombinovány jako vektor vlny .

Příčné vlny , také známé jako smykové vlny, mají další vlastnost, polarizaci a nejsou charakteristickými vlastnostmi zvukových vln.

Rychlost

Americké námořnictvo F/A-18 se blíží rychlosti zvuku. Bílé halo je tvořeno zkondenzovanými kapičkami vody, o nichž se předpokládá, že jsou výsledkem poklesu tlaku vzduchu kolem letadla (viz singularita Prandtl – Glauert ).

Rychlost zvuku závisí na médiu, kterým vlny procházejí, a je základní vlastností materiálu. První významnou snahu o měření rychlosti zvuku provedl Isaac Newton . Věřil, že rychlost zvuku v konkrétní látce se rovná druhé odmocnině tlaku, který na ni působí, děleném její hustotou:

${\ Displaystyle c = {\ sqrt {\ frac {p} {\ rho}}}.}$

To se později ukázalo jako špatné a francouzský matematik Laplace vzorec opravil dedukcí, že fenomén cestování zvuku není izotermický, jak věří Newton, ale adiabatický . Byl přidán další faktor do equation- gama -A násobený o , a tak přichází s rovnicí . Od té doby přišla konečná rovnice , která je také známá jako Newton -Laplaceova rovnice. V této rovnici K je modul pružného objemu, c je rychlost zvuku a je hustota. To znamená, že rychlost zvuku je úměrná druhé odmocnině z poměru na objemový modul média k jeho hustotě. ${\ displaystyle {\ sqrt {\ gamma}}}$${\ displaystyle {\ sqrt {p/\ rho}}}$${\ Displaystyle c = {\ sqrt {\ gamma \ cdot p/\ rho}}}$${\ Displaystyle K = \ gamma \ cdot p}$${\ Displaystyle c = {\ sqrt {K/\ rho}}}$${\ Displaystyle \ rho}$

Tyto fyzikální vlastnosti a rychlost zvuku se mění s okolními podmínkami. Například rychlost zvuku v plynech závisí na teplotě. Ve vzduchu o teplotě 20 ° C (68 ° F) na úrovni hladiny moře je rychlost zvuku přibližně 343 m/s (1230 km/h; 767 mph) podle vzorce v  [m/s] = 331 + 0,6  T  [° C ] . Rychlost zvuku je také mírně citlivá, podléhá anharmonickému efektu druhého řádu , amplitudě zvuku, což znamená, že existují nelineární efekty šíření, jako je produkce harmonických a smíšených tónů, které nejsou přítomny v původním zvuku ( viz parametrické pole ). Pokud jsou důležité relativistické efekty, rychlost zvuku se vypočítá z relativistických Eulerových rovnic .

Ve sladké vodě je rychlost zvuku přibližně 1482 m/s (5335 km/h; 3315 mph). V oceli je rychlost zvuku asi 5 960 m/s (21 460 km/h; 13 330 mph). Zvuk se pohybuje nejrychleji v pevném atomovém vodíku rychlostí přibližně 36 000 m/s (129 600 km/h; 80 530 mph).

Hladina akustického tlaku

Akustický tlak je rozdíl v daném médiu mezi průměrným místním tlakem a tlakem ve zvukové vlně. Druhá mocnina tohoto rozdílu (tj. Druhá mocnina odchylky od rovnovážného tlaku) se obvykle zprůměruje v čase a/nebo prostoru a druhá odmocnina z tohoto průměru poskytuje hodnotu střední odmocniny (RMS). Například 1 Pa RMS akustický tlak (94 dBSPL) v atmosférickém vzduchu znamená, že skutečný tlak ve zvukové vlně osciluje mezi (1 atm Pa) a (1 atm Pa), tj. Mezi 101323,6 a 101326,4 Pa. Jako lidské ucho dokáže detekovat zvuky s širokým rozsahem amplitud, akustický tlak se často měří jako hladina na logaritmické decibelové stupnici. Hladina akustického tlaku (SPL) nebo L _p je definována jako ${\ displaystyle -{\ sqrt {2}}}$${\ displaystyle +{\ sqrt {2}}}$

${\ Displaystyle L _ {\ mathrm {p}} = 10 \, \ log _ {10} \ left ({\ frac {{p}^{2}} {{p _ {\ mathrm {ref}}}^{2 }}} \ right) = 20 \, \ log _ {10} \ left ({\ frac {p} {p _ {\ mathrm {ref}}}} \ right) {\ mbox {dB}} \,}$

kde p je průměrný akustický tlak a je referenční akustický tlak. Běžně používané referenční zvukové tlaky, definované ve standardu ANSI S1.1-1994 , jsou 20 µPa ve vzduchu a 1 µPa ve vodě. Bez specifikovaného referenčního akustického tlaku nemůže hodnota vyjádřená v decibelech představovat hladinu akustického tlaku.${\ displaystyle p _ {\ mathrm {ref}}}$

Vzhledem k tomu, že lidské ucho nemá plochou spektrální odezvu , jsou zvukové tlaky často frekvenčně váženy, takže naměřená hladina odpovídá vnímaným úrovním těsněji. Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) definovalo několik režimů vážení. Pokusy s vážením A, aby odpovídaly reakci lidského ucha na hluk, a vážené hladiny akustického tlaku A jsou označeny dBA. K měření špičkových hladin se používá vážení C.

Vnímání

Výrazné použití termínu zvuk z jeho použití ve fyzice je ve fyziologii a psychologii, kde se termín vztahuje k předmětu vnímání mozkem. Pole psychoacoustics se zaměřuje na tyto studie. Websterův slovník z roku 1936 definoval zvuk jako: „1. Pocit sluchu, to, co je slyšet; upřesněte: a. Psychofyzika. Pocit způsobený stimulací sluchových nervů a sluchových center v mozku, obvykle vibracemi přenášenými v hmotném médiu b. fyzika. Vibrační energie, která vyvolává takový pocit. Zvuk se šíří postupnými podélnými vibračními poruchami (zvukové vlny). “ To znamená, že správná odpověď na otázku: „ padne -li strom v lese a nikdo ho neslyší, vydá zvuk? “ Zní „ano“ a „ne“, podle toho, zda bude odpovězeno pomocí fyzická, respektive psychofyzická definice.

Fyzický příjem zvuku v jakémkoli sluchovém organismu je omezen na řadu frekvencí. Lidé normálně slyší zvukové frekvence mezi přibližně 20  Hz a 20 000 Hz (20  kHz ). Horní hranice klesá s věkem. Někdy se zvuk týká pouze vibrací s frekvencemi, které jsou pro lidi v dosahu sluchu, nebo se někdy týká konkrétního zvířete. Jiné druhy mají různé rozsahy sluchu. Psi mohou například vnímat vibrace vyšší než 20 kHz.

Jako signál vnímaný jedním z hlavních smyslů používá zvuk mnoho druhů k detekci nebezpečí , navigace , predace a komunikace. Zemská atmosféra , voda a prakticky jakýkoli fyzický jev , jako je oheň, déšť, vítr, surfování nebo zemětřesení, produkují (a charakterizují) své jedinečné zvuky. Mnoho druhů, jako jsou žáby, ptáci, mořští a suchozemští savci , také vyvinuli speciální orgány k produkci zvuku. U některých druhů produkují zpěv a řeč . Kromě toho lidé vyvinuli kulturu a technologii (jako je hudba, telefon a rádio), která jim umožňuje generovat, nahrávat, vysílat a vysílat zvuk.

Hluk je termín, který se často používá k označení nežádoucího zvuku. Ve vědě a technice je šum nežádoucí složkou, která zakrývá požadovaný signál. Ve vnímání zvuku však může být často použit k identifikaci zdroje zvuku a je důležitou součástí vnímání zabarvení (viz výše).

Soundscape je složka akustického prostředí, kterou mohou lidé vnímat. Akustické prostředí je kombinací všech zvuků (ať už slyšitelných lidmi nebo ne) v dané oblasti, jak je modifikováno prostředím a chápáno lidmi v kontextu okolního prostředí.

Historicky existuje šest experimentálně oddělitelných způsobů, kterými jsou analyzovány zvukové vlny. Jsou to: výška tónu , trvání , hlasitost , zabarvení , zvuková struktura a prostorové umístění . Některé z těchto termínů mají standardizovanou definici (například v ANSI Acoustical Terminology ANSI/ASA S1.1-2013 ). Novější přístupy také považovaly časovou obálku a dočasnou jemnou strukturu za percepčně relevantní analýzy.

Rozteč

Obrázek 1. Vnímání rozteče

Rozteč je vnímána jako „nízký“ nebo „vysoký“ zvuk a představuje cyklickou, opakující se povahu vibrací, které zvuk tvoří. U jednoduchých zvuků se výška tónu vztahuje na frekvenci nejpomalejších vibrací ve zvuku (nazývá se základní harmonická). V případě složitých zvuků se vnímání výšky může lišit. Někdy jednotlivci identifikují pro stejný zvuk různé výšky, na základě své osobní zkušenosti s konkrétními zvukovými vzory. Výběr konkrétní výšky je určen pre-vědomým zkoumáním vibrací, včetně jejich frekvencí a rovnováhy mezi nimi. Zvláštní pozornost je věnována rozpoznávání potenciálních harmonických. Každý zvuk je umístěn na kontinuální výšce od nejnižší po nejvyšší. Například: bílý šum (náhodný šum se šíří rovnoměrně napříč všemi frekvencemi) zní výškově než růžový šum (náhodný šum se šíří rovnoměrně napříč oktávami), protože bílý šum má více vysokofrekvenčního obsahu. Obrázek 1 ukazuje příklad rozpoznávání výšky tónu. Během procesu poslechu je každý zvuk analyzován na opakující se vzor (viz obrázek 1: oranžové šipky) a výsledky jsou předávány do sluchové kůry jako jediné hřiště určité výšky (oktáva) a chroma (název noty).

Doba trvání

Obrázek 2. Vnímání doby trvání

Trvání je vnímáno jako „dlouhý“ nebo „krátký“ zvuk a vztahuje se k počátečním a kompenzovaným signálům vytvářeným nervovými reakcemi na zvuky. Trvání zvuku obvykle trvá od okamžiku, kdy je zvuk poprvé zaznamenán, dokud není zvuk identifikován jako změněný nebo ukončený. Někdy to nesouvisí přímo s fyzickým trváním zvuku. Například; v hlučném prostředí mohou mezerní zvuky (zvuky, které se zastaví a začnou) znít, jako by byly souvislé, protože zprávy s posunem jsou vynechány kvůli rušení způsobenému zvuky ve stejné obecné šířce pásma. To může být velkým přínosem pro porozumění zkresleným zprávám, jako jsou rádiové signály, které trpí interferencí, protože (vzhledem k tomuto efektu) je zpráva slyšena, jako by byla spojitá. Obrázek 2 uvádí příklad identifikace doby trvání. Když je zaznamenán nový zvuk (viz obrázek 2, zelené šipky), do sluchové kůry se odešle zpráva o zahájení zvuku. Když je opakující se vzor vynechán, odešlou se zvukové offsetové zprávy.

Hlasitost

Obrázek 3. Vnímání hlasitosti

Hlasitost je vnímána jako „hlasitý“ nebo „měkký“ zvuk a souvisí s celkovým počtem stimulací sluchových nervů během krátkých cyklických časových období, s největší pravděpodobností během trvání cyklů theta vlny. To znamená, že při krátkých dobách může velmi krátký zvuk znít měkčeji než delší, přestože jsou prezentovány na stejné úrovni intenzity. Po přibližně 200 ms to již neplatí a doba trvání zvuku již nemá vliv na zjevnou hlasitost zvuku. Obrázek 3 poskytuje dojem, jak jsou informace o hlasitosti shrnuty po dobu asi 200 ms, než jsou odeslány do sluchové kůry. Hlasitější signály vytvářejí větší „tlak“ na bazilární membránu, a tím stimulují více nervů a vytvářejí silnější signál hlasitosti. Složitější signál také vytváří více nervových výbojů, a proto zní hlasitěji (pro stejnou amplitudu vlny) než jednodušší zvuk, například sinusová vlna.

Témbr

Obrázek 4. Vnímání zabarvení

Timbre je vnímán jako kvalita různých zvuků (např. Rachot padlé skály, vrčení vrtačky, tón hudebního nástroje nebo kvalita hlasu) a představuje předvědomé přidělení zvukové identity zvuk (např. „je to hoboj!“). Tato identita je založena na informacích získaných z frekvenčních přechodových jevů, hlučnosti, nestability, vnímané výšky a šíření a intenzity podtónů ve zvuku v prodlouženém časovém rámci. Způsob, jakým se zvuk mění čas (viz obrázek 4) poskytuje většinu informací pro identifikaci zabarvení. Přestože malá část tvaru vlny z každého nástroje vypadá velmi podobně (viz rozšířené části označené oranžovými šipkami na obrázku 4), rozdíly v čase se mění mezi klarinetem a klavírem jsou patrné jak v hlasitosti, tak v harmonickém obsahu. Méně nápadné jsou různé slyšené zvuky, jako je syčení vzduchu na klarinet a údery kladiva na klavír.

Textura

Zvuková struktura se týká počtu zdrojů zvuku a interakce mezi nimi. Slovo textura se v tomto kontextu vztahuje na kognitivní oddělení sluchových objektů. V hudbě je textura často označována jako rozdíl mezi unisono , polyfonií a homofonií , ale může se také týkat (například) rušné kavárny; zvuk, který by mohl být označován jako kakofonie .

Prostorové umístění

Prostorová poloha (viz: Lokalizace zvuku ) představuje kognitivní umístění zvuku v kontextu prostředí; včetně umístění zvuku na horizontální i vertikální rovině, vzdálenosti od zdroje zvuku a charakteristik zvukového prostředí. V husté struktuře je možné identifikovat více zdrojů zvuku pomocí kombinace prostorového umístění a identifikace zabarvení. To je hlavní důvod, proč si můžeme vybrat zvuk hoboje v orchestru a slova jedné osoby na koktejlové párty.

Ultrazvuk

Přibližné frekvenční rozsahy odpovídající ultrazvuku, s hrubým vedením některých aplikací

Ultrazvuk jsou zvukové vlny s frekvencemi vyššími než 20 000 Hz. Ultrazvuk se svými fyzikálními vlastnostmi neliší od slyšitelného zvuku, ale lidé ho prostě neslyší. Ultrazvuková zařízení pracují s frekvencemi od 20 kHz do několika gigahertzů.

Lékařský ultrazvuk se běžně používá k diagnostice a léčbě.

Infrazvuk

Infrazvuk jsou zvukové vlny s frekvencemi nižšími než 20 Hz. Ačkoli zvuky tak nízké frekvence jsou příliš nízké na to, aby je lidé slyšeli, velryby, sloni a další zvířata mohou infrazvuk detekovat a používat jej ke komunikaci. Lze jej použít k detekci sopečných erupcí a používá se v některých typech hudby.

Viz také

Reference

externí odkazy

• Eric Mack (20. května 2019). „Stanfordští vědci vytvořili zvuk tak hlasitý, že okamžitě vaří vodu“ . CNET .
• Zní to úžasně; učební zdroj KS3/4 pro zvuk a vlny (používá Flash)
• HyperPhysics: Zvuk a sluch
• Úvod do fyziky zvuku
• Křivky sluchu a on-line test sluchu
• Zvuk pro 21. století
• Konverze zvukových jednotek a úrovní
• Zvukové výpočty
• Kontrola zvuku: bezplatná sbírka zvukových testů a testovacích tónů, které lze přehrávat online
• Další zvuky úžasné; studijní zdroj šesté formy o zvukových vlnách