Zvučni val je vrsta tlačnog vala uzrokovanog vibracijom objekta u vodljivom mediju kao što je zrak. Kada objekt vibrira, on odašilje niz valova koji se mogu protumačiti kao zvuk. Na primjer, kada netko udari u bubanj, to uzrokuje da membrana bubnja vibrira, a vibracija se prenosi zrakom, gdje može doći do uha slušatelja. Vibracije putuju različitim brzinama kroz različite medije, ali ne mogu putovati kroz vakuum. Osim što se koriste za komunikaciju, zvučni valovi se koriste za dobivanje slika nepristupačnih objekata i struktura, u oceanskim istraživanjima, te u geologiji i seizmologiji.
Vrste valova
Zvuk putuje kroz plinove, tekućine i čvrste tvari kao uzdužni valovi. To znači da je kompresija medija u istom smjeru kao i onaj u kojem putuje zvuk. U čvrstim tijelima i na površinama tekućina, vibracije također mogu putovati kao poprečni valovi. Kod njih je kompresija pod pravim kutom u odnosu na smjer kretanja.
Brzina zvuka
Brzina kojom zvuk putuje ovisi o gustoći medija kroz koji putuje. Putuje brže kroz gušće medije, pa je stoga brži u krutim tvarima nego u tekućinama, a brži u tekućinama nego u plinovima. U poznatim, zemaljskim uvjetima, brzina zvuka je uvijek enormno manja od brzine svjetlosti, ali u supergustom materijalu neutronske zvijezde, može se približiti brzini svjetlosti. Razlika u brzinama kroz zrak prikazana je kašnjenjem između bljeska munje i zvuka grmljavine za udaljenog promatrača: svjetlost stiže gotovo trenutno, ali zvuku je potrebno znatno vrijeme.
Brzina zvuka u zraku varira s tlakom i temperaturom, a viši pritisci i temperature daju veće brzine. Na primjer, pri 68°F (20°C) i standardnom tlaku na razini mora, to je 1,126 stopa u sekundi (343.3 metra u sekundi). U vodi je brzina opet ovisna o temperaturi; na 68°F (20°C) iznosi 4,859 ft/s (1,481 m/s). Brzina u krutim tvarima je vrlo varijabilna, ali neke tipične vrijednosti su 13,700 ft/s (4,176 m/s) u cigli, 20,000 ft/s (6,100 m/s) u čeliku i 39,400 ft/s (12,000 m/s) u dijamantu.
Valna duljina, frekvencija i amplituda
Zvuk se može opisati u smislu valne duljine, frekvencije i amplitude. Valna duljina je definirana kao udaljenost koja je potrebna da bi se kompletan ciklus završio. Potpuni ciklus se kreće od vrha do vrha ili donjeg do najnižeg.
Frekvencija je izraz koji se koristi za opisivanje broja kompletnih ciklusa unutar određenog vremenskog razdoblja, tako da kraće valne duljine imaju veće frekvencije. Mjeri se u hercima (Hz), pri čemu je jedan herc jedan ciklus u sekundi, a kilohertz (kHz), pri čemu je jedan kHz 1,000 Hz. Ljudi mogu čuti zvukove u rasponu od 20 Hz do oko 20 kHz, ali vibracije mogu imati mnogo niže ili više frekvencije. Sluh mnogih životinja seže izvan ljudskog dometa. Vibracije koje su ispod opsega ljudskog sluha nazivaju se infrazvukom, dok se one iznad tog raspona nazivaju ultrazvukom.
Visina zvuka ovisi o frekvenciji, pri čemu viši tonovi imaju više frekvencije. Amplituda je visina valova i opisuje količinu prenesene energije. Velike amplitude imaju veći volumen.
Fenomeni valova
Zvučni valovi su podložni mnogim fenomenima povezanim sa svjetlosnim valovima. Na primjer, mogu se reflektirati od površina, mogu se podvrgnuti difrakciji oko prepreka i mogu doživjeti lom prilikom prolaska između dva različita medija, poput zraka i vode, sve na sličan način kao i svjetlost. Drugi zajednički fenomen je smetnja. Kada se zvučni valovi iz dva različita izvora susreću, oni mogu pojačati jedan drugoga gdje se vrhovi i dna poklapaju i poništiti jedan drugog gdje se vrh spaja s koritom, stvarajući interferencijski uzorak, s glasnim i tihim područjima. Ako vibracije imaju različite frekvencije, to može stvoriti impulsni efekt ili “otkucaj” u kombiniranom zvuku.
Aplikacije
Zvučni valovi imaju mnoge primjene u znanosti i medicini. Ultrazvučno snimanje može se koristiti za istraživanje zdravstvenih problema i provođenje važnih provjera. Jedna od poznatih primjena je ultrazvučni pregled, koji se koristi za dobivanje slike nerođenog djeteta, kako bi se provjerilo njegovo zdravlje tamo gdje rendgenski snimak ne bi bio siguran. Zvučni impulsi, poznati kao sonar, mogu se koristiti za mapiranje oceanskog dna preciznim mjerenjem vremena potrebnog za prijem jeke.
U seizmologiji se unutarnja struktura Zemlje može istražiti promatranjem širenja zvučnih valova. Budući da poprečni valovi ne mogu putovati kroz tekućine, ova tehnika se može koristiti za mapiranje područja rastaljene stijene ispod površine. Tipično, zvuk nastaje eksplozijom, a vibracije se pokupe na različitim udaljenim točkama, proputujući Zemlju. Ispitivanjem uzorka poprečnih valova – poznatih kao “s-valovi” u ovom kontekstu – i uzdužnih valova – poznatih kao “p-valovi” – može se napraviti točna trodimenzionalna mapa koja pokazuje raspodjelu čvrste i rastaljene stijene .