Povahy zvukové vlny

Jak víme, vzduch který je složený z molekul se sám o sobě nikam nepohybuje, a proto je pro vznik přenosu zvuku zapotřebí jakýkoliv mechanický impuls. Jestliže tento impuls má frekvenci mezi 20 – 20.000 cykly pak hovoříme o vzniku zvukové vlny kterou je lidský sluch schopen zachytit. Zvuková vlna se dá popsat třemi charakteristickými povahami a to jako vlna mechanická, podélná a tlaková.

Zvuk je vlna mechanická

Mechanickou vlnou je vlna která potřebuje k přenosu své energie do jiné lokace přenosové médium. Pohyb mechanických vln závisí na interakci částic přenosového média potřebného pro přenos jejich energie. Proto se mechanické vlny nemohou pohybovat v médiu kde se tyto částice nevyskytují. To znamená že zvuk se nemůže šířit vakuem.

Zvuková vlna potřebuje ke svému přenosu energie médium stejně tak jako “Mexická vlna” potřebuje fanoušky a stadion či vodní vlny potřebují vodu a rybník.

Médium je jednoduše řečeno řada vzájemně propojených a interaktivních molekul. V našem případě je médium vzduch, ale může to být jakýkoliv materiál jako je voda nebo ocel. Dále tu musí být nějaký zdroj který vytvoří vychýlení prvních molekul.

Tyto poruchy mohou být vytvořeny hlasem, vibrující strunou a ozvučnicí kytary či houslí, vibrací ladicí vidlice nebo vibrací reproduktoru. Tato vibrace je přenášena médiem z místa zdroje molekulu po molekule. To znamená, že jakmile je první molekula vychýlena ze své klidové pozice, začne se tato enegie přenášet na molekuly v jejich nejbližším okolí.

Nyní již víme že zvuk je mechanická vlna která je vytvořena vibrací objektu. Vibrace tohoto objektu způsobí vibrační pohyb molekul media obklopujícího objekt a přenos této energie způsobí pohyb zvukové vlny skrze médium.  Zvuková vlna pohybující se médiem čili vibrační pohyb molekul vzduchu se dá nejlépe popsat jako vlna podélná.

Zvuk je vlna podélná

Základní charakteristikou podélné vlny která ji odlišuje od ostatních druhů vln je to, že její počáteční síla je paralelní s přenosem vlny. Zatím co klasická vlna například na vodní hladině je způsobována vertikální silou, tedy kolmo k hladině

tak u zvukové vlny je počáteční síla  souběžná se směrem přenosu vln a proto se molekuly média se pohybují paralelně se směrem přenášené energie.

Zvuková vlna je tedy vlna podélná, protože je přenášena částicemi média (molekulami) které vibrují paralelně se směrem počáteční energie a to bez ohledu na zdroj počáteční energie.

Názorný příklad najdete u reproduktoru. Jestliže reproduktor začne vibrovat dvěmi směry, pak při pohybu dopředu začne reproduktor tlačit molekuly média ve svém okolí směrem dopředu. To způsobí, že molekuly se přiblíží k jejich nejblíže sousedícím molekulám, čímž jsou stlačeny do malé části prostoru.

Jakmile se začne reproduktor pohybovat směrem zpět, zmenší se tlak na stlačené molekuly a ty se vrátí zpět na původní místo a tím se opětovně zvětší prostor mezi molekulami.

Tento vibrační pohyb reproduktoru způsobuje, že jednotlivé molekuly /či celé vrstvy molekul/ v bezprostřední blízkosti reproduktoru se neustále pohybují dopředu a zpět stejně tak jako reproduktor samotný. Tyto pohyby jsou pak přeneseny na sousední molekuly a vlna těchto interakcí začne pohybovat daným směrem.

Když se molekuly vzduchu se pohybují směrem, který je paralelní ke směru pohybu vlny vyplývá z toho, že zvuková vlna je vlna podélná, která vzniká kompresemi a dekompresemi vzduchu. Bez ohledu na to zda je zdrojem vibrací reproduktor, struna či vibrující ladička, se zvuková vlna pohybuje vždy v podélných vlnách.

Na této animaci vidíte že molekuly se pohybují paralelně s pohybem počátečního impulsu, a proto můžeme popsat tento jev jako vlnu podélnou. Podélné vlny jsou vlny jednotlivých molekul média které se pohybují paralelně (rovnoběžně) se směrem přenosu energie. A jelikož zvuk se přenáší médiem pomocí podélných vln můžeme zvuk popsat jako vlnu podélnou.

Pro snadnější pochopení uvedu příklad na napnutém drátu který je pevně uchycen na obou koncích, tak jako je tomu u kytarové struny.

Na této animaci vidíte jak se struna po impulsu začne pohybovat a tím začne přenášet svoji energii na nejbližší molekuly. Tyto nejbližší molekuly přenesou svoji energii na své nejbližší sousední molekuly a poté se hned vrátí do své původní pozice.

Zvuk je vlna tlaková

Tlaková vlna je složena z opakujících se oblastí přetlaku a rozptylu které se přenáší médiem. Zvukové vlny jsou vneseny do média pomocí vibrace zdroje a v tomto případě si vezmeme jako příklad membránu reproduktoru.

Tato membrána vytváří svými vibracemi změny tlaku na částice vzduchu v jejím nejbližším okolí a tím dochází ke kompresím a rozptylům těchto částic. Zvuk je přenášen vzduchem pomocí těchto změn tlaku molekul, a proto můžeme popsat zvuk jako vlnu tlakovou.

Komprese a Rarefrakce

Nyní již víme že zvuková vlna je vlna mechanická která se pohybuje v podélných vlnách skrze médium. Již také víme že podélná vlna je tvořena pohybem molekul, kde se tyto molekuly přibližují a vzdalují v poměru k sousedním molekulám. A právě tímto přibližováním a vzdalováním vznikají dvě oblasti. V jedné oblasti vzniká komprese a v druhé rarefrakce neboli rozptyl. Jak již vyplývá z názvu oblastí, komprese je oblast s vysokým tlakem vzduchu, zatímco rarefrakce má tlak vzduchu nízký.

a) Komprese – kde molekuly jsou stlačené k sobě /komprese/

b) Rarefrakce – oblasti kde jsou molekuly rozptýleny /rozptyl/

Tlaková vlna je vlna, která je složena z opakujících se oblastí komprese a rozptylu jež se pohybují médiem a tyto dva mechanické procesy mají největší význam pro šíření zvukové vlny. Nejpříhodnější si bude ukázat princip na reproduktoru který bude náš zdroj vibrací.

Jakmile se membrána reproduktoru začne pohybovat směrem v před pak nejbližší molekuly před membránou budou stlačeny blíže k jejich nebližším molekulám a tím vznikne komprese čili nárůst tlaku mezi sousedními molekulami.

V určitém momentu tyto první molekuly přenesou svoji enegii na nejbližší molekuly a tímto přenesím enegie vzniká pohyb zvukové vlny. Následně se membrána začne pohybovat směrem zpět a pokračuje až za svoji výchozí pozici. Toto uvolnění tlatku umožní molekulám se nejen vrátit na svoji původní pozici (equilibrium) ale zároveň jsou vychýleny z této pozice opačným směrem způsobeného inverzním pohybem membrány. Toto ¨zředění¨ neboli zvětšení odstupu sousedních molekul se nazývá rarefrakce.

Níže uvedený diagram znázorňuje kompresi a rarefrakci zvukové vlny pohybující se skrze skleněnou trubici vytvořené pomocí ladící vidlice.

 

Označení “vlnová délka” se vztahuje pouze na vzdálenost kterou vlna přenášená médiem urazí v jednom kompletním cyklu, a protože vlna opakuje svůj vzor(patern) jednou v každém vlnovém cyklu je vlnová délka označována jako vlna opakujícího se vzorku nebo délka jedné kompletní vlny.

Pro kolmé (transversní) vlny se používá měření od jednoho hřebenu k dalšímu nejbližšímu hřebenu či od žlabu ke žlabu. Jelikož podélná vlna nemá žádné hřebeny a žlaby jejich délka se měří odlišně. Podélná vlna obsahuje opakující se cyklus komprese a rozptylu, z toho vyplývá, že vlnová délka zvukové vlny se měří od komprese ke kompresi od rozptylu k rozptylu.

V našem případě se budeme setkávat většinou s měřením od tzv.”Nulového bodu” neboli “uzlu”. Protože zvuková vlna je složena z opakujícího se paternu komprese a rozptylu pohybujícího se skrze médium je často označována jako tlaková vlna. Tlaková vlna je vlna ,která je složena z opakujících se oblastí komprese a rozptylu jež se pohybují médiem. Pokud je detektor /ucho či jiné zařízení schopné detekovat zvuk/ použit pro zachycení zvuku, tak bude zachytávat kolísavé proměny tlaku vzduchu jakmile zvukové vlny dosáhnou detektor.

 

V jednom časovém okamžiku detektor zachytí příchozí vysoký tlak, což je komprese molekul, v dalším průběhu zaznamená oblast s normálním tlakem a následně dorazí oblast s podtlakem. Kolísání tlaku, tak jak jej zaznamenává detektor se vyskytuje v pravidelných časových intervalech. Jestliže tyto změny tlaku aplikujeme na časovou linku, dají se tyto změny vyjádřit pomocí sinusové křivky. Pozitivní vrchol křivky znamená nejvyšší přetlak, následuje tzv.nulový bod-uzel kde je tlak beze změn a nakonec negativní vrchol vyjadřuje nejvyšší rozptyl.

Ještě jednou chci upozonit že je třeba věnovat pozornost tomu že diagram “průběh tlaku” znázorňuje průběh tlaku v časové ose. Nezaměňujte podobnost mezi podélnou povahou vlny zvuku a výkyvy tlaku v časové lince.

Tags:

KONTAKT

Napište svoji zprávu a já se s vámi v nejbližší době spojím

Sending

©2018 ADM magazín

Designed by Stan Skrivanek at FineDiv Studio

or

Log in with your credentials

Forgot your details?