1. DŹWIĘK I JEGO CECHY
2. ECHO
3. FALE DŹWIĘKOWE
 

1

Dźwięk i jego cechy. Zjawisko Dopplera

Zacznijmy od tego czym jest dźwięk. Jest to, fala akustyczna rozchodząca się w ośrodku sprężystym lub wrażenie słuchowe wywołane tą falą. Skoro wiemy , że dźwięk jest falą to czym tak naprawdę jest ta fala?

Fale akustyczne i fale sprężyste są to zaburzenia mechaniczne ośrodka sprężystego, nie powodujące przesunięcia średnich położeń atomów ośrodka. W cieczach i gazach fala akustyczna jest falą podłużną, w ciałach stałych może być zarówno falą podłużną, jak i poprzeczną.

W ujęciu bardziej tradycyjnym fale akustyczne to fale głosowe, czyli falowe podłużne zgęszczenia i rozrzedzenia powietrza odczuwane przez ucho ludzkie (dźwięk).

Przyjmuje się, że człowiek słyszy dźwięki o częstościach od 16 Hz do 20 kHz. Drgania o mniejszej częstości to infradźwięki, a o wyższej ultradźwięki. Najłatwiej słyszalne są dźwięki o częstości ok. 1000 Hz.

Fizycznymi aspektami dźwięków są: jego widmo, natężenie, długość trwania dźwięku i zmiany w czasie.

Ze względu na rodzaj widma dźwięki klasyfikuje się następująco:

1) ton (dźwięk prosty) - drganie sinusoidalne o jednej częstości.

2) wieloton harmoniczny (dźwięk złożony) - drganie będące sumą drgań sinusoidalnych o częstościach będących wielokrotnościami (1,2,3,...) częstości podstawowej.

3) wieloton nieharmoniczny - drganie będące sumą nie uporządkowanych drgań.

4) szum - dźwięk o ciągłym widmie.

A czym jest widmo? Jest to rozkład natężenia promieniowania w zależności od jego energii, częstotliwości lub długości fali, dostarcza wielu informacji o źródle danego promieniowania (tzw. widmo emisyjne), a często i o ośrodku, przez który ono przenikało 

Natężenie dźwięku jest to uśredniona energia fali akustycznej padającej prostopadle na jednostkową powierzchnię.

Jednostką natężenia dźwięku w układzie SI jest W/m2.

Częstotliwość (dla drgania okresowego) jest to liczba okresów drgań w danym przedziale czasu. Jednostką częstości w układzie SI jest 1 herc (Hz) równy jednemu drganiu na sekundę.

Barwa dźwięku to jedna z podstawowych cech wrażeniowych dźwięku pozwalająca na szeregowanie dźwięków pod względem ich ostrości, jasności, dźwięczności itd. oraz ich rozróżnianie mimo jednakowej wysokości, głośności i czasu trwania. Barwa dźwięku może być wielowymiarowa, np. dźwięki mogą być jednocześnie ostre, jasne i chropowate.

Wysokość dźwięku czyli subiektywna ocena częstotliwości dźwięku, określoną wysokość dźwięku można przypisać tonowi (lub dźwiękom zbliżonym do tonu).

Głośność to wielkość charakteryzująca subiektywne odczuwanie natężenia dźwięku przez człowieka, zależy od natężenia i częstotliwości dźwięku. Przy stałym natężeniu jako najgłośniejsze odbierane są dźwięki o częstotliwości 3-4 kHz, zaś jako najmniej głośne dźwięki o częstotliwości poniżej 100 Hz oraz powyżej 10000 Hz. Jednostką głośności jest son.

Son to jednostka głośności. 1 son odpowiada 40 fonom przy częstotliwości dźwięku 1 kHz.

Fon czyli jednostka poziomu głośności wyrażona w skali decybeli, 1 fon odpowiada poziomowi głośności dźwięku o częstotliwości równej 1 kHz i o poziomie ciśnienia akustycznego 1 dB (1 fon = 1 dB, przy 1kHz).

Dopplera zjawisko jest to zmiana obserwowanej częstości fali wywołana względnym ruchem źródła fali i odbiornika.

W akustyce zmiana częstości wywołana zjawiskiem Dopplera zależy nie tylko od wielkości prędkości ruchu względnego, ale i od ich prędkości względem ośrodka. Dopplera zjawisko wykorzystywane jest w wielu dziedzinach, m.in. w urządzeniach radiolokacyjnych do pomiaru prędkości obiektu.

2.

Prędkość dźwięku

W powietrzu dźwięk rozchodzi się z prędkościa 340m/s. To mniej więcej cztery razy więcej niż prędkość samochodu wyścigowego, ale dwa razy mniej od predkości samolotu Concorde. Dźwięk rozchodzi się nieco szybciej w dni upalne niż chłodne. Znacznie prędzej rochodzi się dźwięk w ciele stałym niż w wodzie i powietrzu.

Dźwięki niskie i wysokie

Liczbę drgań w ciągu sekundy nazywamy częstotliwością. Mierzymy ją w hercach (Hz): jeden herc oznacza jedno drganie na sekunde. Ucho ludzkie nie słyszy dźwięków o czestotliwości wiekszej niż 20 000 Hz i niższej niż 20 Hz.

Echo

Fale dźwiękowe mogą się odbijać od przeszkody tak samo, jak promieniowanie światlne. Taka fala powoduje echo.

Ultradźwięk

Jest dźwiękiem zbyt wysokim, aby ucho ludzkie mogło go usłyszeć. Nietoperze wysylają ultradźwięki o częstotliwości do 200 000 Hz. Pełnią u nich role akustycznego radaru.

Infradźwięk

jest dźwiękiem zbyt niskim, aby mogło go odebrać ucho ludzkie. Słonie porozumiewają sie ze sobą, wytwarzając dźwięki tak niskie, jak 1Hz.

Dźwięk uderzeniowy

jest silnym hałasem wytwarzanym przez samolot, który przekracza prędkość dźwięku. Dźwięk uderzeniowy powoduje fale akustyczne wytwarzane przez samolot sprężający powietrze znajdujace się przed nim.

Przełamywanie bariery dźwięku

występuje, gdy samolot zaczyna lecieć szybciej niż dźwięk.

Źródło: Leksykon Szkolny "oxford" wyd. Delta

3.

Dźwięk - fale dźwiękowe.

W życiu codziennym człowiek spotyka się z wieloma różnymi dźwiękami i odgłosami. Nasze ucho jest doskonale przystosowane do odbierania tych fal głosowych. Dzięki małżowinie usznej dźwięki z naszego otoczenia wpadają do kanału słuchowego, gdzie wprawiają w ruch błonę bębenkową i przedostają się dalej ślimakiem do nerwów słuchowych. Potem przechodzą do ośrodka słuchu w korze mózgowej (płat skroniowy), gdzie są odbierane i interpretowane. Nauka zajmująca się własnościami dźwięku nazywana jest akustyką.

Dźwięk to po prostu fale rozchodzące się w powietrzu, które mogą być zidentyfikowane przez nasze uszy. Fale dźwiękowe można porównać do fale wody, z tą tylko różnicą, że poruszają się szybciej, około 1224 km/h oraz rozchodzą się w trzech płaszczyznach. Ciała wytwarzają dźwięki, drgając lub szybko poruszając się tam i z powrotem. W ten sposób w otaczającym powietrzu powstają fale dźwiękowe. Prawie każde ciało może drgać, wytwarzając dźwięki. Niekiedy drgania te można zauważyć gołym okiem. Dźwięki są drganiami, które odbieramy za pomocą słuchu. Inaczej niż w przypadku promieniowania elektromagnetycznego, dźwięk musi rozchodzić się w ośrodkach stałym, ciekłym lub gazowym.

Wśród wrażeń słuchowych rozróżniamy tony, dźwięki i szmery. Tony odpowiadają drganiom harmonicznym źródeł o jednej, ściśle określonej częstotliwości. Dźwięki powstają wtedy, gdy źródło, prócz fali podstawowej, o częstotliwości najmniejszej wysyła fale harmoniczne o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości fali podstawowej.

Szmery zaś SA to wrażenia słuchowe powstające wtedy, gdy do ucha dochodzą fale o różnych, dowolnych częstotliwościach. Nakładanie się bardzo dużej liczby tonów o dowolnej charakterystyce prowadzi do wrażenia hałasu. Tony proste występują niesłychanie rzadko. Dźwięk wydawany przez kamerton jest zbliżony do tonu prostego, gdyż jego składowe drgania harmoniczne są stosunkowo bardzo słabe w porównaniu z tonem podstawowym

Dźwięk to zaburzenie falowe w ośrodku sprężystym zdolne do wywołania wrażenia słuchowego, a także wrażenie słuchowe wywołane tym zjawiskiem. Dźwięki stanowią zachodzące z odpowiednią częstotliwością zmiany ciśnienia akustycznego. Źródłem dźwięku są ciała drgające i zawirowania powietrza. Dla człowieka słyszalne są dźwięki w zakresie częstotliwości 16 Hz - 20000Hz. Dźwięki o częstotliwości mniejszej to infradźwięki, większych ultradźwięki, hiperdźwięki.

Dźwięki mogą się różnić wysokością, natężeniem i barwą.

Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością drgań źródła: częstotliwością małym odpowiadają dźwięki niskie i odwrotnie. O wysokości często decyduje częstotliwość tonu podstawowego. Częstotliwość to liczba zderzeń lub cyklów danego zjawiska okresowego w jednostce czasu, na przykład w ciągu jednej sekundy. W przypadku przesuwającej się fali jest to ilość grzbietów fal, przechodzących przez wybrany punkt w jednostce czasu. Częstotliwość mierzy się w hercach (Hz). Częstotliwość jednego herca oznacza, że na jedną sekundę przypada jedno zderzenie. Jest liczbowo równa odwrotności okresu drgań

Natężenie dźwięku mierzy się ilością energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ustawionej prostopadle do promienia fali. Natężenie dźwięku wyraża się J/m2*s lub W/m2.

Trzecia cecha dźwięku, barwa dźwięku, wiąże się z jego złożonością. Częstotliwość barwie odbieranego dźwięku decydują: liczba składowych tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń. Różnice barwy można ustalać za pomocą słuchu a także badać je obiektywnie porównując krzywe zależności wychyleń źródła od położenia równowagi od czasu. Taka krzywa w przypadku źródła tonu prostego ma kształt sinusoidy. Ustalając liczbę występujących w danym dźwięku tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń otrzymujemy charakterystykę danego dźwięku w postaci widma akustycznego.

Podstawowe zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal dźwiękowych:

1. Odbicie fal dźwiękowych. Gdy fala napotyka na swej drodze nieprzenikliwą przeszkodę ulega odbiciu według ogólnych praw odbicia fal. Czasem zjawisku odbicia dźwięku towarzyszy wytworzenie się echa gdy fala głosowa po odbiciu powraca do ucha obserwatora. Z odstępu czasu upływającego między nadaniem fali dźwiękowej i jej odbiorem w postaci echa można wnioskować o odległości przeszkody odbijającej do ucha obserwatora.

2. Załamanie fal głosowych. Przejściu fali głosowej do ośrodka o innej prędkości rozchodzenia się dźwięku towarzyszy na ogół zjawisko załamania podlegające również ogólnym prawom załamania.

3. Interferencja fal dźwiękowych. Jeżeli w danym ośrodku spotykają się dwie lub więcej fal głosowych o jednakowej częstotliwości, występuje zjawisko interferencji. W wyniku interferencji można otrzymać wzrost lub zmniejszenie wychyleń poszczególnych cząstek ośrodka od położenia równowagi, zależnie od różnicy faz nakładających się fal. Zwiększenie amplitudy drgań odpowiada wzrostowi natężenia tonu.

4. Dudnienie. Dudnieniem nazywamy nakładanie się dwóch dźwięków o różniących się w niewielkim stopniu częstotliwościach (ucho ludzkie jest w stanie usłyszeć różnice do 7 Hz)

5.Pogłos. Gdy dźwięk odbija się od ścian w pomieszczeniu, zwykle ma do przebycia stosunkowo niewielką odległość. Kolejne odbite dźwięki docierają do naszych uszu tak szybko po sobie, że nie odbieramy ich jako wyraźnego echa. Dźwięk taki może wędrować po pomieszczeniu ulegając wielokrotnemu odbiciu od ścian, szczególnie, gdy są one wyłożone bardzo twardym materiałem, jak na przykład kafelki w łazience. Wtedy poszczególne echa nakładają się na siebie przedłużając trwanie dźwięku. Zjawisko to nosi nazwę pogłosu. Jest zjawiskiem akustycznym. Miarą pogłosu jest czas trwania. Czas pogłosu jest jedną z podstawowych wielkości określających warunki akustyczne sal koncertowych, studiów.

Zakres słyszalności

Człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwościach od około 20 Hz do około 20 kHz (20000 Hz). Takie dźwięki nazywamy słyszalnymi. Dźwięki o niższych częstościach powodują wyraźnie odczuwalne drgania ciała i są raczej odczuwane niż słyszane. Górna granica zakresu słyszalności jest cechą osobniczą i obniża się z wiekiem. Dla porównania nietoperze słyszą dźwięki w zakresie od 1 do 100 kHz. Z częstością Dźwięku związana jest ściśle wysokość słyszanego tonu. Fala Dźwiękowa o niskiej częstości jest słyszana jako głęboki i niski głos - bas. Przeciwnie, dźwięk o wysokiej częstości, wysoki i przenikliwy - sopran.