Czym jest dźwięk ?

Otaczają nas dźwięki. Codziennie słyszymy mowę, muzykę, śpiew ptaków, szelest liści, szum odkurzacza, warkot silników, hałas pracujących maszyn, dźwięk zjawisk atmosferycznych. Przyczyną wrażeń dźwiękowych u ludzi i zwierząt jest oddziaływanie na ich organy słuchu fal sprężystych. Naukę o dźwięku nazywamy AKUSTYKĄ.

Fala dźwiękowa Fala dźwiękowa to podłużna fala mechaniczna, może ona rozchodzić się w ośrodkach sprężystych: ciałach stałych, cieczach i gazach. Fala dźwiękowa nie rozchodzi się w próżni.

Fala mechaniczna Fala mechaniczna to zaburzenie rozchodzące się w ośrodku dzięki przekazywaniu ruchu drgającego przez cząsteczki tworzące ośrodek. Ośrodek nie przemieszcza się wraz z falą, jedynie jego elementy wykonują drgania w ograniczonym obszarze.

Amplituda Amplituda - jest to największe wychylenie z położenia równowagi.

Okres Okres - czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym, czyli czas pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchu drgającego.

Częstotliwość Częstotliwość - określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu.

Długość fali Długość fali - najmniejsza odległość między 2 punktami o takiej samej fazie zaburzenia

Szybkość rozchodzenia się fali Szybkość rozchodzenia się fali w ośrodku zależy od jego sprężystości. Wyrażamy ją wzorem : V = f gdzie :  - długość fali V – szybkość rozchodzenia się fali f – częstotliwość fali

Zakres częstotliwości Zakres częstotliwości podłużnych fal mechanicznych jest bardzo szeroki, ale fale dźwiękowe to fale o takich częstotliwościach, które w działaniu na ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia. Zakres tych częstotliwości rozciągający się od ok. 20 Hz do ok. 20000 Hz nazywamy zakresem słyszalnym. Podłużne fale mechaniczne o częstotliwościach niższych od częstości słyszalnych to infradźwięki (poddźwięki), a fale o częstościach wyższych niż słyszalne to ultradźwięki.

Infradźwięki Infradźwięki, poddźwięki to fale sprężyste o częstotliwości mniejszej niż 16 Hz (poniżej dolnej granicy dźwięków słyszalnych); naturalnymi źródłami infradźwięków są: porywy wiatru i zawirowania powietrza oraz wyładowania elektryczne w atmosferze ziemskiej, falowania powierzchni mórz, trzęsienia ziemi itp., sztucznymi — eksplozje, duże drgające elementy konstrukcji maszyn, budynków i urządzeń mech. Infradźwięki są słabo tłumione i rozchodzą się na duże odległości; pozwalają na wyznaczenie miejsc wybuchów, wykorzystywane w badaniach warstw atmosfery, hydrosfery i skorupy ziemskiej. Infradźwięki o dużych natężeniach wpływają ujemnie na organizmy żywe.

Ultradźwięki Ultradźwięki, naddźwięki to fale sprężyste o częstotliwości od 16 kHz (powyżej granicy słyszalności) do 109 Hz (górna granica jest umowna — określona przez techniczne możliwości wytwarzania ultradźwięków jako wiązek fal koherentnych). Czynne zastosowania ultradźwięków — powodujące zmiany nieodwracalne lub częściowo nieodwracalne w ośrodku poddanym działaniu ultradźwięków — to np. obróbka twardych i kruchych materiałów, spawanie, otrzymywanie stopów ze składników różniących się znacznie temperaturą topnienia i gęstością, czyszczenie powierzchni, oczyszczanie gazów, otrzymywanie emulsji, aerozoli, przyspieszanie i wzmaganie wzrostu roślin, rozbijanie kamieni nerkowych, żółciowych, chirurgia ultradźwiękowa.

Czy słyszymy wszystkie fale mechaniczne ? Zmysł słuchu jest bardzo dobrym odbiornikiem fal mechanicznych, ale tylko w określonym zakresie częstotliwości. Niektórzy ludzie mają bardzo dobry słuch i świetnie rozróżniają dźwięki. Z wiekiem zmysł słuchu człowieka pogarsza się i maleje zakres częstotliwości słyszanych dźwięków. Różna też jest czułość słuchu na dźwięki o różnym natężeniu. Słuch człowieka można zbadać stosując specjalny przyrząd, tzw. audiometr, który sporządza wykres czułości słuchu i zakresu słyszenia. Większość ludzi szczególnie dobrze słyszy dźwięki o częstotliwościach od 1 kHz do 3,5 kHz nawet, jeżeli są one ciche.

Jak działa nasz zmysł słuchu ? Słyszenie polega na przekształceniu docierającej do ucha fali na wrażenie dźwięku. Fala akustyczna powoduje drgania błony bębenkowej, które przenoszone są do kosteczek słuchowych, a następnie do znajdującego się w ślimaku kostnym narządu spiralnego Cortiego. Komórki narządu Cortiego pokryte są rzęskami wrażliwymi na częstotliwości akustyczne. Przekazują one informacje o drganiach nerwem słuchowym do mózgu. Odbieranie wrażeń słuchowych jest bardzo złożone. Dzięki posiadaniu pary uszu umiemy oceniać kierunek, z którego dochodzi dźwięk. Inną właściwością słuchu jest zdolność koncentracji uwagi na wybranych dźwiękach przy równoczesnym eliminowaniu innych dźwięków zakłócających.

Źródła dźwięku Fale dźwiękowe powstają w wyniku drgań wytworzonych m.in. przez: - struny (gitarowe, skrzypcowe, głosowe) - pręty, płyty, membrany ( ksylofon, bęben) - zamknięte lub otwarte słupy powietrza ( piszczałki, organy, klarnety) - nagłe zagęszczenia lub rozrzedzenia powietrza ( przy wybuchach)

Podstawowe zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal dźwiękowych: - odbicie fal dźwiękowych - ugięcie fal dźwiękowych - interferencja fal dźwiękowych - dudnienie - pogłos - echo - rezonans akustyczny - hałas

Odbicie fal dźwiękowych i echo 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.

Ugięcie fal dźwiękowych Fala natrafiając na odpowiednio wąską szczelinę w przegrodzie ulega ugięciu. Jeśli szerokość szczeliny jest porównywalna z długością fali to po przejściu przez nią fala staje się falą kolistą, a więc rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Fale ulegają ugięciu także na krawędziach przeszkody.

Interferencja fal dźwiękowych Fale rozchodząc się w tym samym ośrodku i pochodzące z dwóch źródeł nakładają się Na siebie tzn. interferują ze sobą. W wyniku interferencji fale w niektórych miejscach maksymalnie się wzmacniają (gdy spotkają się zgodnymi fazami – grzbiet z grzbietem, dolina z doliną) lub osłabiają, a nawet wygaszają (gdy spotkają się fazami przeciwnymi – grzbiet z doliną).

Dudnienie Dudnienie to okresowe zwiększanie się i zmniejszanie amplitudy drgania wypadkowego, zachodzące przy interferencji dwóch drgań harmonicznych, których częstotliwości różnią się nieznacznie, jeśli nakładające się drgania mają taką samą amplitudę, to w wyniku interferencji powstaje drganie wypadkowe, którego amplituda zmienia się od podwójnej wartości amplitudy drgań składowych do zera, z częstością dudnienia równą różnicy częstotliwości nakładających się drgań.

Pogłos Pogłos to zjawisko przedłużania czasu trwania dźwięku spowodowane wielokrotnymi odbiciami fal dźwiękowych, które dochodzą do słuchacza w czasie krótszym niż 70 ms i nie są rozróżniane jako echo.

Rezonans akustyczny Rezonans akustyczny- Zjawisko rezonansu zachodzące dla fal dźwiękowych, polegające na pobieraniu energii fal akustycznych przez układ akustyczny ze źródła drgań o częstotliwościach równych lub zbliżonych do częstotliwości drgań własnych układu. W wyniku czego dochodzi do generowania, wzmacniania lub filtrowania drgań o tych częstotliwościach.

Hałas Hałas, dźwięk niepożądany, którego działanie może być uciążliwe lub szkodliwe dla człowieka; rozróżnia się hałasy ciągłe o nieznacznych zmianach natężenia i widma częstotliwości, w czasie (szmer, szum) oraz hałasy impulsowe (np. huk, trzask). Szkodliwość hałasu zależy od jego natężenia, widma częstotliwości, charakteru zmian w czasie, zawartości składowych niesłyszalnych oraz długotrwałości działania.

Ton Ton to inaczej dźwięk prosty, akustyczna fala harmoniczna, monochromatyczna. Częstość tonu jest jego najważniejszą cechą, która określa wysokość dźwięków granych przez instrumenty. W zależności od amplitudy fali akustycznej ton będzie silniejszy lub słabszy. Wszystkie dźwięki są falą złożoną z wielu tonów o różnych amplitudach i częstościach, które decydują o barwie dźwięku.

Dźwięk Dźwięk (fala dźwiękowa lub fala akustyczna) jest to rozprzestrzeniające się w elastycznym ośrodku materialnym zaburzenia stanu równowagi ciśnienia lub naprężeń i związane z tymi zaburzeniami mechaniczne oscylacje cząstek ośrodka.

SZUM Szum są to chaotyczne, nieprzewidywalne i najczęściej niepożądane sygnały lub fluktuacje określonego sygnału. Szumem akustycznym nazywany jest dźwięk nieharmoniczny o ciągłym widmie częstotliwości, tzn. składający się z dużej ilości dźwięków o niewiele różniących się częstościach Źródłami szumu akustycznego mogą być : burzliwe przepływy cieczy lub gazów, wyładowania elektryczne itp.

Literatura Matematyka, fizyka, chemia. Encyklopedia szkolna PWN, Warszawa 2006 Encyklopedia szkolna, fizyka, wydawnictwo Zielona Sowa, Kraków 2006 Kurs fizyki, B. Jaworski, A. Dietłaf, PWN, Warszawa 1979 Fizyka, R. Resnick, D. Holliday, PWN, Warszawa 1973 Fizyka dla gimnazjum, część 2, Zamkor, Kraków 2000 Ciekawa fizyka, część 3, WSiP, Warszawa 2007 www.wikipedia.pl

Opracowali : Łukasz Przerada kl. IIIb Michała Śpiewak kl. IIIb