Valovi zvuka
Zvuk je val koji čujemo. Ljudsko uho čuje valove frekvencije 20 Hz do 20 000 Hz. Valove više frekvencije nazivamo ultrazvuk, a niže frekvencije infrazvuk. Ove vrijednosti su okvirne. Za razne ljude mogu biti različite.
U trenutku kad se membrana koja titra giba prema van, ona udara molekule u neposrednoj blizini te dolazi do naglog povećanja gustoće zraka u tom području što uvjetuje povećanje tlaka zraka. Kad se membrana giba prema unutra, s vanjske strane nastaje veći prostor za molekule te je uz membranu smanjena gustoća zraka, odnosno smanjenje tlaka zraka. Ovaj se proces periodično nastavlja. Izmjenična područja višeg i nižeg tlaka šire se brzinom zvuka od membrane kroz zrak kao longitudinalni val.
Kad zvuk stigne u uho on izaziva titranje membrane bubnjića istom frekvencijom kojom titra gustoća molekula u zraku.
Ako je titranje izvora zvuka pravilno, stalnom frekvencijom, nastaje ton. Ako frekvencija titranja izvora nije stalna nastaje šum.
Visina tona kojeg čujemo određena je frekvencijom. Viši ton je ton više frekvencije.
Zvuk pokazuje sva valna obilježja. Primjerice na granici sredstava različitih gustoća se lomi, a nailaskom na prepreku se odbija.
Primjer odbijenog zvučnog vala kojeg čujemo je jeka. Viknemo li nešto, zvuk koji se odbije od dovoljno udaljene prepreke čuti ćemo ponovo. Da bismo čuli jeku, prepreka mora biti dovoljno udaljena jer naše uho ne razlikuje zvukove koji dolaze u previše kratkom vremenskom intervalu. Da bismo jasno čuli jeku mora proći otprilike 0,1 s između originalnog i odbijenog zvuka.
Brzina zvuka
Brzina zvuka ovisi o gustoći i elastičnosti sredstva kroz koje se širi. Općenito je najveća u čvrstim tijelima, a najmanja u plinovima.
Izraz koji opisuje ovisnost brzine zvuka u zraku, ovisno o temperaturi t (°C) je:
[latex]v=331\sqrt{1+\dfrac{t}{273°C}}{m/s}[/latex][latex]\hspace{1cm}{(1)}[/latex]
Brzina zvuka u zraku pri standardnim uvjetima (0°C i 101325 Pa) iznosi 331 m/s.
Intenzitet i razina jakosti zvuka
Intenzitet zvuka jednak je kvocijentu energije E koju zvučni val u jedinici vremena t prenese kroz jedinicu površine S okomito na smjer širenja zvuka i umnoška navedene površine i vremena.
[latex]I=\dfrac{E}{tS}=\dfrac{P}{S}[/latex] [latex]\hspace{1cm}{(2)}[/latex]
Intenzitet zvuka opada s kvadratom udaljenosti od izvora zvuka. Najniži intenzitet zvuka, pri kojem zvuk možemo čuti zovemo prag čujnosti I0.
[latex]I_0=10^{-12}\dfrac{W}{m^2}[/latex]
Za razliku od praga čujnosti, najviši intenzitet pri kojem zvučni val još ne oštećuje uho zovemo prag bola. On iznosi 10 W/m2.
Iako se zvuk većeg intenziteta doživljava kao glasniji od zvuka manjeg intenziteta, odnos između glasnoće zvuka (subjektivnog doživljaja zvuka) i intenziteta zvuka nije linearan. Da bi se bolje izrazila reakcija uha na zvuk definira se razina intenziteta zvuka.
Razinu jakosti zvuka L računamo po formuli
[latex]L=10{log}\dfrac{I}{I_0}[/latex][latex]\hspace{1cm}{(3)}[/latex]
Izražavamo ju u decibelima.
Dopplerov učinak
Neka se u sredstvu, na primjer zraku, nalazi uređaj kojim možemo registrirati frekvenciju vala (prijamnik). Izvor vala neka titra frekvencijom fi. Kad prijamnik i izvor miruju prijamnik registrira frekvenciju fp = fi. Ako se prijamnik ili izvor gibaju prijamnik registrira frekvenciju različitu od frekvencije izvora. Ta se pojava promjene frekvencije pri relativnom gibanju prijamnika i izvora zove Dopplerov učinak (efekt).
Općenito, Dopplerov učinak možemo opisati formulom
Ako nam se na primjer kola hitne pomoći sa sirenom približavaju, zvuk sirene koji čujemo je viši, a kad se udaljava od nas zvuk je niži.
[latex]f_p=f_i\dfrac{v+v_p}{v-v_i}[/latex][latex]\hspace{1cm}{(4)}[/latex]
gdje su: vp>0 i vi>0 kod približavanja, vp<0 i vi<0 kod udaljavanja.
U formuli je v brzina zvuka, vp je brzina promatrača, vi je brzina izvora, fi je frekvencija izvora, a fp je frekvencija koju čuje promatrač. U slučaju da se izvor i promatrač približavaju fp>fi, a u slučaju da se udaljavaju fp<fi.