Zvočni val je vrsta tlačnega vala, ki ga povzroči vibracija predmeta v prevodnem mediju, kot je zrak. Ko predmet vibrira, odda vrsto valov, ki jih je mogoče razlagati kot zvok. Na primer, ko nekdo udari v boben, povzroči vibriranje membrane bobna, vibracija pa se prenaša po zraku, kjer lahko doseže uho poslušalca. Vibracije potujejo z različnimi hitrostmi skozi različne medije, ne morejo pa potovati skozi vakuum. Poleg tega, da se uporabljajo za komunikacijo, se zvočni valovi uporabljajo za zagotavljanje slik nedostopnih predmetov in struktur, v oceanskih raziskavah ter v geologiji in seizmologiji.
Vrste valov
Zvok potuje skozi pline, tekočine in trdne snovi kot vzdolžni valovi. To pomeni, da je stiskanje medija v isti smeri kot tista, v kateri potuje zvok. V trdnih snoveh in na površinah tekočin lahko vibracije potujejo tudi kot prečni valovi. Pri teh je stiskanje pravokotno na smer gibanja.
Hitrost zvoka
Hitrost, s katero potuje zvok, je odvisna od gostote medija, skozi katerega potuje. Hitreje potuje skozi gostejše medije in je zato hitrejši v trdnih snoveh kot v tekočinah in hitrejši v tekočinah kot v plinih. V znanih zemeljskih razmerah je hitrost zvoka vedno enormno manjša od hitrosti svetlobe, v super gostem materialu nevtronske zvezde pa se lahko precej približa svetlobni hitrosti. Razlika v hitrostih skozi zrak je prikazana z zamudo med bliskom strele in zvokom groma za oddaljenega opazovalca: svetloba prispe skoraj v trenutku, vendar zvok traja opazno veliko časa.
Hitrost zvoka v zraku se spreminja glede na tlak in temperaturo, pri čemer višji tlaki in temperature dajejo višje hitrosti. Na primer, pri 68°F (20°C) in standardnem tlaku na morski gladini je 1,126 čevljev na sekundo (343.3 metra na sekundo). V vodi je hitrost spet odvisna od temperature; pri 68°F (20°C) je 4,859 ft/s (1,481 m/s). Hitrost v trdnih snoveh je zelo spremenljiva, vendar so nekatere tipične vrednosti 13,700 ft/s (4,176 m/s) v opeki, 20,000 ft/s (6,100 m/s) v jeklu in 39,400 ft/s (12,000 m/s). v diamantu.
Valovna dolžina, frekvenca in amplituda
Zvok lahko opišemo z valovno dolžino, frekvenco in amplitudo. Valovna dolžina je opredeljena kot razdalja, ki je potrebna za dokončanje celotnega cikla. Celoten cikel se premika od vrha do vrha ali od najnižje do najnižje.
Frekvenca je izraz, ki se uporablja za opis števila popolnih ciklov v določenem časovnem obdobju, zato imajo krajše valovne dolžine višje frekvence. Meri se v hercih (Hz), pri čemer je en hertz en cikel na sekundo in kilohertz (kHz), pri čemer je en kHz 1,000 Hz. Ljudje lahko slišimo zvoke v razponu od 20 Hz do približno 20 kHz, vendar imajo vibracije lahko veliko nižje ali višje frekvence. Sluh mnogih živali sega izven človeškega dosega. Vibracije, ki so pod dosegom človeškega sluha, se imenujejo infrazvok, tiste, ki so nad tem območjem, pa ultrazvok.
Višina zvoka je odvisna od frekvence, pri čemer imajo višji toni višje frekvence. Amplituda je višina valov in opisuje količino prenesene energije. Visoke amplitude imajo večje količine.
Valovni fenomeni
Zvočni valovi so podvrženi številnim pojavom, povezanim s svetlobnimi valovi. Na primer, lahko se odbijajo od površin, lahko se lomijo okoli ovir in lahko doživijo lom pri prehodu med dvema različnima medijema, kot sta zrak in voda, vse na podoben način kot svetloba. Drug skupni pojav je interferenca. Ko se zvočni valovi iz dveh različnih virov srečajo, lahko okrepijo drug drugega, kjer vrhovi in padci sovpadajo, in izničijo drug drugega, kjer se vrh sreča s koritom, in ustvari interferenčni vzorec z glasnimi in tihimi območji. Če imajo vibracije različne frekvence, lahko to ustvari impulzni učinek ali “utrip” v kombiniranem zvoku.
Aplikacije
Zvočni valovi imajo veliko uporab v znanosti in medicini. Ultrazvočno slikanje se lahko uporablja za raziskovanje zdravstvenih težav in izvajanje pomembnih pregledov. Ena od dobro znanih aplikacij je ultrazvočni pregled, ki se uporablja za izdelavo slike nerojenega otroka, da se preveri njegovo zdravje, kjer rentgenski posnetek ne bi bil varen. Zvočne impulze, znane kot sonar, je mogoče uporabiti za preslikavo oceanskega dna z natančnim merjenjem časa, potrebnega za sprejem odmeva.
V seizmologiji lahko notranjo strukturo Zemlje raziščemo z opazovanjem širjenja zvočnih valov. Ker prečni valovi ne morejo potovati skozi tekočine, lahko to tehniko uporabimo za kartiranje območij staljene kamnine pod površino. Običajno zvok nastane zaradi eksplozije, vibracije pa se poberejo na različnih oddaljenih točkah, ko potujejo skozi Zemljo. S preučevanjem vzorca prečnih valov – v tem kontekstu znanih kot “s-valovi” – in vzdolžnih valov – znanih kot “p-valovi” – je mogoče sestaviti natančen tridimenzionalni zemljevid, ki prikazuje porazdelitev trdne in staljene kamnine. .