Fale dźwiękowe

You are currently viewing Fale dźwiękowe

Dźwięk rozprzestrzenia się za pomocą fal dźwiękowych. Fale polegają na przenoszeniu energii mechanicznej, przez drgania cząstek wokół położenia równowagi. Mogą się rozchodzić tylko w ośrodku sprężystym. Nie od razu było to dla człowieka zrozumiałe. Wergiliusz (70 r. p.n.e.) twierdził, że dźwięk to płynący prąd powietrza, a Pierre Gassendi (1592-1655), że to strumień małych niewidocznych drobin. Odkrywcą natury dźwięku jest Izaak Newton (1642-1727), który zauważył, że fala akustyczna to szybkie zmiany ciśnienia i drgania powietrza.

Cząsteczki powietrza znajdują się w ciągłym ruchu i poruszają bezładnie we wszystkich kierunkach. Tyle samo cząsteczek wpada w danej chwili do wybranego elementu przestrzeni, ile go opuszcza. Jeżeli w ośrodku zacznie drgać ciało sprężyste to równowaga zostanie naruszona. Drgania jednej cząstki sprężystej przeniosą się na następne, a te na powierzchnię ciała sprężystego, z którym sąsiadują. Powstaną zagęszczenia i rozgęszczenia środowiska, którym towarzyszą zmiany ciśnienia, a także minimalne zmiany temperatury.

W trakcie rozchodzenia się dźwięku nie następuje przemieszczanie się cząstek, ale drgania kierują oscylacje zgodnie z kierunkiem ruchu fali. Drgania wywołujące fale dźwiękowe mogą odbywać się z częstotliwością od 0Hz – 1GHz (1mln drgań/s). Jako dźwięk człowiek rozpoznaje drgania, których ruch powtarza się przynajmniej 20 razy w ciągu sekundy, lecz nie częściej niż 20 tys. razy w ciągu sekundy.

Fale mogą być poprzeczne i podłużne. Fala poprzeczna powstaje wtedy, gdy kierunek drgań powierzchni sprężystych jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Takie fale rozchodzą się na drgającej strunie. Fala dźwiękowa w gazach i cieczach jest falą podłużną, gdyż kierunek drgań powierzchni sprężystych jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali. W ciałach stałych może być zarówno falą podłużną jak i poprzeczną. Falą podłużną i poprzeczną jest zaburzenie rozchodzące się po powierzchni wody, kiedy wrzucimy do niej kamień.

Fale mogą też być kuliste i płaskie. Fala dźwiękowa jest falą kulistą, bo rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Jednak w dużej odległości od źródła można ją traktować jak falę płaską. Wraz z oddalaniem się od źródła fale słabną, bo opór środowiska, w jakim się rozchodzą powoduje, że na jego przezwyciężanie tracą energię.

Na kierunek rozchodzenia się fal ma też wpływ temperatura i wiatr. Jeżeli występują różnice temperatury poszczególnych warstw środowiska, to powierzchnie falowe fal dźwiękowych się zaginają.

Fale dźwiękowe

Ze względu na kształt (ang. wave shapes) ich przebiegu czasowego fale mogą być – sinusoidalne, prostokątne, trójkątne, piłokształtne, losowe i szumowe.

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w danym środowisku jest prędkością rozchodzenia się zaburzenia mechanicznego, czyli zależy od prędkości przekazywania kolejnym cząsteczkom substancji, zwiększonej ciśnieniem dźwięku. Prędkość ta w każdym środowisku jest inna. Wolne rozchodzenie się dźwięku oznacza, że środowisko stawia opór, dźwięk traci dużo energii, a więc podlega tłumieniu. Dźwięk nie rozchodzi się w próżni, bo jest to środowisko niesprężyste.

ŚrodowiskoPrędkość w m/sŚrodowiskoPrędkość w m/s
Aluminium6 420Miedź5 100
Benzyna, etanol1 160 – 1 180Ołów1 960 – 2 100
Beton3 800Powietrze340
Cegła3 650Rtęć1 500
Drewno dębowe3 380Stal4 900
Drewno jodłowe5 260Szkło5 200
Dwutlenek węgla260Tlen313
Guma20 -70Woda1 500
Korek480 – 500Wodór1 260 – 1 285
Lód3 300Żelazo5 100
Chlor206Hel965
Ebonit2 400Diament18 000

Prędkość rozchodzenia się dźwięku zależy też od temperatury i ciśnienia (dla gazów i cieczy) lub natężeń i gęstości (dla ciał stałych), a więc szybciej rozchodzi się dźwięk wydobyty z mocno naciągniętej struny. Poniżej pewnego naciągnięcia, struna w ogóle przestanie wydawać z siebie dźwięk. Prędkość zmienia się, jeżeli środowisko ma budowę włóknistą (szybciej wzdłuż i wolniej w poprzek włókien drewna), co ma ogromne znaczenie przy budowie instrumentów muzycznych.

Pierwszą próbę pomiaru prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu zrobił w 1640 r. Marin Mersenne (448 m/s). W 1656 r. członkowie Akademii Włoskiej wyznaczyli tę prędkość na 361m/s, w 1700 r. Robert Boyle na 351m/s, a w 1738 r. członkowie Akademii Paryskiej na 332m/s. Dokładny pomiar udał się im dopiero w 1822 r. Ustalono, że przy 16ºC jest to 340,88m/s, a przy 0ºC – 331,36m/s. Obecnie wiemy, że przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze powietrza 0ºC prędkość ta wynosi 331,8m/s., czyli na pokonanie 1km dźwięk potrzebuje ok. 3s. Zmiana temperatury powietrza o 10°C, zmienia tę prędkość o ok. 5 m/s.

Ze wzrostem temperatury prędkość dźwięku się powiększa:

  • przy temperaturze +40ºC – 360m/s
  • przy temperaturze +30ºC – 349,6m/s,
  • przy temperaturze +20ºC – 343,8m/s,
  • przy temperaturze +15ºC – 340m/s, czyli 1225km/h,
  • przy temperaturze 0ºC – 331,8m/s,
  • przy temperaturze -40ºC – 306m/s.

Również ciśnienie zmienia prędkość rozchodzenia się dźwięku. Spadek ciśnienia, jaki następuje przy oddalaniu się od Ziemi powoduje, że co 696m ta prędkość jest mniejsza o 10km/h. W odległości 11km od Ziemi prędkość dźwięku wynosi 296m/s, czyli 1066km/h i dalej już nie maleje. W niewielkim stopniu prędkość dźwięku zmienia wilgotność. Nie zmienia jej natężenie danego dźwięku.

Częstotliwością drgań określa się liczbę okresów występujących w ciągu 1s. Dźwięki o małej częstotliwości drgań są niskie, o dużej – wysokie. Człowiek słyszy dźwięki o częstotliwości od ok. 20Hz – 20kHz. Drgania o mniejszej częstotliwości nazywamy infradźwiękami i możemy je odczuwać, jako impulsy, drżenia i wstrząsy (do kategorii infradźwięków należą fale sejsmiczne). Bywają szkodliwe, a wręcz niebezpieczne dla człowieka, gdy ich częstotliwość pokryje się z rezonansem naszych narządów. Drgania o większej częstotliwości nazywamy ultradźwiękami. Stosowane są np. w medycynie – ultrasonograf, rybołówstwie – echosonda, czy nawigacji. Można też mówić o hiperdźwiękach dla częstotliwości powyżej 100MHz.

Długość fali oznacza odległość, jaką fala przebywa w czasie jednego okresu. Fale dłuższe to fale dźwięków niższych, im fala krótsza, tym dźwięk jest wyższy (20Hz – 17m; 20kHz – 1,7cm). Pomiędzy częstotliwością i długością fali dźwiękowej zachodzi stała zależność. Częstotliwość fali się nie zmienia, natomiast długość zależy od prędkości rozchodzenia się dźwięku w danym środowisku:

Długość fali = Prędkość dźwięku w danym środowisku / Częstotliwość fali

Natężenie dźwięku to moc akustyczna przypadająca na 1m2 powierzchni (jednostka – Wm-2). Natężenie dźwięku maleje z kwadratem odległości od źródła. Natężenie jest energią fali, która w jednostce czasu przepływa przez jednostkę powierzchni ustawioną prostopadle do kierunku propagacji.

Wielkościami subiektywnymi dźwięku są:

  • wysokość,
  • głośność,
  • barwa,
  • czas trwania.

Można uzupełnić tę listę o inne wymiary dźwięku, które określimy jako sensoryczne, bądź psychologiczne. Nie umiemy ich zdefiniować, a nazywając opieramy się na swoich doświadczeniach. U muzyków wykształca się bardzo wyraźne różnicowanie zjawisk słuchowych i taka klasyfikacja może być pomocna.