Zvuk i Dopplerov efekt

Zvuk je longitudinalni mehanički val koji nastajem titranjem izvora zvuka. To titranje može biti pravilno i zovemo ga ton i nepravilno koje zovemo šum. Skup tonova i šumova zovemo buka. S obzirom na to da je zvuk mehanički val njemu je neophodno sredstvo da bi se mogao širiti i prenositi energiju.

Titranje membrane zvučnika izaziva zgušnjenje i razrjeđenje čestica zraka ili nekog drugog sredstva pa se zvuk prostorom širi kao longitudinalni val. Jedna valna duljina ovakvog vala je udaljenost dva susjedna zgušnjenja ili razrjeđenja. Brzina širenja zvuka nekim sredstvom određuje se poznavajući valnu duljinu i period tog zvuka, a u brzina zvuka u zraku iznosi \(v_z \approx 343 m/s\). Brzina zvuka veća je u vodi nego u zraku, a najveća je u čvrstim tijelima.

Intenzitet i razina jakosti zvuka

Svaki zvuk karakterizira njegova frekvencija. Frekvencija određuje visinu tona. Ljudsko uho čuje samo određeni raspon frekvencija, a neka druga živa bića mogu čuti frekvencije izvan ljudskog praga čujnosti. Raspon frekvencija koje čovjek čuje je od 20 Hz do 20 kHz. Zvukovi frekvencije veće od 20 kHz zovu se ultrazvuk, a frekvencije manje od 20 Hz zovemo infrazvukom.

Jačinu zvuka (glasnoću) opisujemo veličinom koju zovemo intenzitet zvuka. Definiramo ga kao omjer snage izvora zvuka i površine koju probada zvučni val. Zvuk se prostorom širi radijalno (u svim smjerovima) pa su površine koje promatramo jednake površini sfere na udaljenosti \(r\) od izvora:

Osim intenzitetom, jačinu nekog zvučnog impulsa opisujemo veličinom koju zovemo razina jakosti zvuka \(L\). Razina jakosti nekog zvuka računa se po formuli:

Intenzitet zvuka čiju razinu određujemo je \(I\) dok je veličina \(I_0 = 10^{-12} \mathrm{W/m^2}\) konstanta koju zovemo prag čujnosti. Mjerna jedinica za razinu jakosti zvuka je decibel [dB].

Dopplerov efekt

Dopplerov efekt opisuje frekvenciju koju opaža promatrač u nekoj točki prostora ovisno o tome kako se giba izvor zvuka \(v_i\) te frekvencije i kako se giba sami promatrač \(v_p\). Formula kojom općenito opisujemo frekvenciju koju čuje promatrač \(f_p\) u odnosu na frekvenciju izvora \(f_i\) dana je izrazom:

U slučaju kada se izvor i/ili promatrač približava koristimo gornje predznake u navedenoj formuli, a u slučaju udaljavanja koristimo donje predznake.

Na slici je primjer mirnog promatrača s izvorom koji mu se približava. Brzina promatrača jednaka je nuli, a za približavanje izvora koristimo gornji predznak u nazivniku formule.

Odbijanje zvuka

Zvučni se valovi mogu odbijati od neku prepreku ako je ona dovoljno daleko i ima svojstva takva da se zvuk od nje može odbijati. Takvo odbijanje zvučnog vala zovemo jeka. Neke životinje koriste jeku kako bi lovile plijen (npr. šišmiši). Te životinje emitiraju zvuk koji se odbija od njihova plijena i vraća nazad. Na temelju toga znaju gdje se nalazi njihov plijen. Kada promatramo Dopplerov efekt, ponekad se može dogoditi da se izvor giba emitirajući zvuk koji se odbija od neke prepreke. U tom slučaju, zvuk putuje do prepreke i vraća se nazad prema izvoru pa u slučaju povratka ulogu izvora preuzima prepreka od koje se zvuk odbija, a početni izvor postaje promatrač.