Fala dźwiękowa to proces falowy zachodzący w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych, który po dotarciu do ludzkiego narządu słuchu jest odbierany jako dźwięk. Częstotliwość tych fal mieści się w zakresie od 20 do 20 000 oscylacji na sekundę. Podajemy wzory na falę dźwiękową i bardziej szczegółowo rozważamy jej właściwości.
Dlaczego jest fala dźwiękowa?
Wiele osób zastanawia się, czym jest fala dźwiękowa. Charakter dźwięku polega na występowaniu zaburzeń w ośrodku sprężystym. Na przykład, gdy w określonej objętości powietrza występuje zaburzenie ciśnienia w postaci kompresji, obszar ten ma tendencję do rozprzestrzeniania się w przestrzeni. Proces ten prowadzi do sprężania powietrza w obszarach sąsiadujących ze źródłem, które również mają tendencję do rozszerzania się. Proces ten obejmuje coraz większą powierzchnię, aż dotrze do jakiegoś odbiornika, na przykład do ludzkiego ucha.
Ogólna charakterystyka fal dźwiękowych
Zastanówmy się, czym jest fala dźwiękowa i jak jest odbierana przez ludzkie ucho. Fala dźwiękowajest podłużny, wchodząc do małżowiny usznej powoduje drgania błony bębenkowej o określonej częstotliwości i amplitudzie. Możesz również przedstawić te fluktuacje jako okresowe zmiany ciśnienia w mikroobjętości powietrza sąsiadującego z membraną. Najpierw wzrasta w stosunku do normalnego ciśnienia atmosferycznego, a następnie maleje, przestrzegając matematycznych praw ruchu harmonicznego. Amplituda zmian sprężu powietrza, czyli różnica pomiędzy maksymalnym lub minimalnym ciśnieniem wytworzonym przez falę dźwiękową, a ciśnieniem atmosferycznym jest proporcjonalna do amplitudy samej fali dźwiękowej.
Wiele fizycznych eksperymentów wykazało, że maksymalne ciśnienie, jakie ludzkie ucho może odbierać bez szkody dla niego, wynosi 2800 µN/cm2. Dla porównania załóżmy, że ciśnienie atmosferyczne w pobliżu powierzchni Ziemi wynosi 10 milionów µN/cm2. Biorąc pod uwagę proporcjonalność ciśnienia i amplitudy oscylacji można powiedzieć, że ta ostatnia wartość jest nieistotna nawet dla najsilniejszych fal. Jeśli mówimy o długości fali dźwiękowej, to dla częstotliwości 1000 drgań na sekundę będzie to jedna tysięczna centymetra.
Najsłabsze dźwięki powodują wahania ciśnienia rzędu 0,001µN/cm2, odpowiadająca amplituda oscylacji fali dla częstotliwości 1000 Hz wynosi 10- 9cm, podczas gdy średnia średnica cząsteczek powietrza wynosi 10-8 cm, co oznacza, że ucho ludzkie jest niezwykle wrażliwym narządem.
Pojęcie intensywności fal dźwiękowych
Z geometrycznymZ punktu widzenia fali dźwiękowej jest to wibracja o określonej formie, z fizycznego punktu widzenia główną właściwością fal dźwiękowych jest ich zdolność do przenoszenia energii. Najważniejszym przykładem transferu energii falowej jest słońce, którego wypromieniowane fale elektromagnetyczne dostarczają energię całej naszej planecie.
Intensywność fali dźwiękowej w fizyce jest definiowana jako ilość energii niesionej przez falę przez powierzchnię jednostkową prostopadłą do propagacji fali, w jednostce czasu. Krótko mówiąc, intensywność fali to jej moc przenoszona przez jednostkę powierzchni.
Siła fal dźwiękowych jest zwykle mierzona w decybelach, które są oparte na skali logarytmicznej, wygodnej do praktycznej analizy wyników.
Natężenie różnych dźwięków
Poniższa skala decybelowa daje wyobrażenie o znaczeniu różnych natężeń dźwięków i odczuwanych przez nie wrażeniach:
- próg dla nieprzyjemnych i nieprzyjemnych wrażeń zaczyna się od 120 decybeli (dB);
- młotek nitujący generuje hałas o natężeniu 95 dB;
- pociąg dużych prędkości - 90 dB;
- ruch uliczny - 70 dB;
- głośność normalnej rozmowy między ludźmi wynosi 65 dB;
- Nowoczesny samochód poruszający się z umiarkowaną prędkością generuje hałas o natężeniu 50 dB;
- średnia głośność radia - 40 dB;
- cicha rozmowa - 20 dB;
- hałas liści drzew - 10 dB;
- Minimalny próg wrażliwości na dźwięk ludzki jest bliski 0 dB.
Czułość ludzkiego ucha zależy odczęstotliwość dźwięku i jest maksymalną wartością dla fal dźwiękowych o częstotliwości 2000-3000 Hz. Dla dźwięku w tym zakresie częstotliwości dolny próg wrażliwości człowieka wynosi 10-5 dB. Wyższe i niższe częstotliwości niż określony przedział prowadzą do podwyższenia dolnego progu czułości w taki sposób, że człowiek słyszy częstotliwości zbliżone do 20 Hz i 20 000 Hz tylko przy ich natężeniu kilkudziesięciu dB.
Jeśli chodzi o górny próg natężenia, po którym dźwięk zaczyna sprawiać człowiekowi niewygodę, a nawet ból, należy powiedzieć, że praktycznie nie zależy on od częstotliwości i mieści się w zakresie 110-130 dB.
Geometryczna charakterystyka fali dźwiękowej
Prawdziwa fala dźwiękowa to złożony pakiet oscylacyjny fal podłużnych, które można rozłożyć na proste drgania harmoniczne. Każda taka oscylacja jest opisana z geometrycznego punktu widzenia następującymi cechami:
- Amplituda - maksymalne odchylenie każdej sekcji fali od równowagi. Dla tej wartości oznaczenie A.
- Okres. Jest to czas potrzebny, aby prosta fala zakończyła pełną oscylację. Po tym czasie każdy punkt fali zaczyna powtarzać swój proces oscylacyjny. Okres jest zwykle oznaczany literą T i mierzony w sekundach w układzie SI.
- Częstotliwość. Jest to wielkość fizyczna, która pokazuje, ile oscylacji wytwarza dana fala na sekundę. Czyli w swoim znaczeniu jest to wartość odwrotna do okresu. Jest oznaczony łacińską literą f. Dla częstotliwości fali dźwiękowej wzór na jej określenie przez okres jest następujący: f=1/T.
- Długość fali to odległość, jaką pokonuje w jednym okresie oscylacji. Geometrycznie długość fali to odległość między dwoma najbliższymi maksimami lub dwoma najbliższymi minimami na krzywej sinusoidalnej. Długość drgań fali dźwiękowej to odległość pomiędzy najbliższymi obszarami sprężania powietrza lub najbliższymi miejscami jego rozrzedzenia w przestrzeni, w której porusza się fala. Jest zwykle oznaczany grecką literą λ.
- Prędkość propagacji fali dźwiękowej to odległość, na której rozchodzi się obszar kompresji lub obszar rozrzedzenia fali w jednostce czasu. Ta wartość jest oznaczona literą v. Dla prędkości fali dźwiękowej wzór jest następujący: v=λf.
Geometria czystej fali dźwiękowej, to znaczy fali o stałej czystości, podlega prawu sinusoidalnemu. W ogólnym przypadku wzór fali dźwiękowej to: y=Asin(ωt), gdzie y to wartość współrzędnej danego punktu fali, t to czas, ω=2pif to częstotliwość oscylacji cyklicznej.
Dźwięk aperiodyczny
Wiele źródeł dźwięku można uznać za okresowe, na przykład dźwięk instrumentów muzycznych, takich jak gitara, fortepian, flet, ale istnieje również duża liczba dźwięków w naturze, które są aperiodyczne, to znaczy zmieniają się wibracje dźwięku ich częstotliwość i kształt w przestrzeni. Technicznie rzecz biorąc, ten rodzaj dźwięku nazywa się szumem. jasnyprzykładami dźwięków aperiodycznych są hałas miejski, szum morza, dźwięki instrumentów perkusyjnych, takich jak bęben i inne.
Środek propagacji dźwięku
W przeciwieństwie do promieniowania elektromagnetycznego, którego fotony nie potrzebują do rozchodzenia się żadnego ośrodka materialnego, natura dźwięku jest taka, że do jego rozchodzenia się potrzebny jest określony ośrodek, czyli zgodnie z prawami fizyki fale dźwiękowe nie mogą propagować w próżni.
Dźwięk może przenikać przez gazy, ciecze i ciała stałe. Główne cechy fali dźwiękowej rozchodzącej się w ośrodku są następujące:
- fala rozchodzi się liniowo;
- rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach w jednorodnym ośrodku, to znaczy dźwięk odbiega od źródła, tworząc idealną kulistą powierzchnię.
- niezależnie od amplitudy i częstotliwości dźwięku, jego fale rozchodzą się z tą samą prędkością w danym ośrodku.
Prędkość fal dźwiękowych w różnych mediach
Prędkość propagacji dźwięku zależy od dwóch głównych czynników: ośrodka, w którym porusza się fala oraz temperatury. Generalnie obowiązuje zasada: im gęstsze medium i im wyższa jego temperatura, tym szybciej porusza się w nim dźwięk.
Na przykład prędkość propagacji fali dźwiękowej w powietrzu w pobliżu powierzchni ziemi w temperaturze 20 ℃ i wilgotności 50% wynosi 1235 km/h lub 343 m/s. W wodzie o danej temperaturze dźwięk rozchodzi się 4,5 raza szybciejjest około 5735 km/h lub 1600 m/s. Jeśli chodzi o zależność prędkości dźwięku od temperatury w powietrzu to wzrasta ona o 0,6 m/s wraz ze wzrostem temperatury o każdy stopień Celsjusza.
Brzmienie i ton
Jeżeli struna lub metalowa płytka będą swobodnie wibrować, będą generować dźwięki o różnych częstotliwościach. Bardzo rzadko można znaleźć ciało, które emituje dźwięk o jednej określonej częstotliwości, zwykle dźwięk obiektu ma zestaw częstotliwości w określonym przedziale.
Brzmię dźwięku określa liczba obecnych w nim harmonicznych oraz ich intensywność. Barwa jest wartością subiektywną, czyli jest percepcją przedmiotu dźwiękowego przez konkretną osobę. Barwa zazwyczaj charakteryzuje się następującymi przymiotnikami: wysoki, genialny, dźwięczny, melodyjny i tak dalej.
Ton to odczucie dźwiękowe, które pozwala na sklasyfikowanie go jako wysokiego lub niskiego. Ta wartość jest również subiektywna i nie może być zmierzona żadnym instrumentem. Ton kojarzy się z obiektywną wielkością - częstotliwością fali dźwiękowej, ale nie ma między nimi jednoznacznego związku. Na przykład w przypadku dźwięku o pojedynczej częstotliwości o stałym natężeniu ton wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. Jeśli częstotliwość dźwięku pozostaje stała, ale jego intensywność wzrasta, ton staje się niższy.
Kształt źródeł dźwięku
W zależności od kształtu ciała, które wibruje mechanicznie, a tym samym generuje dźwięk, istnieją trzy główne typy źródeł fal dźwiękowych:
- Źródło punktu. Wytwarza fale dźwiękowe o kulistym kształcie i szybko zanikające wraz z odległością od źródła (około 6 dB, jeśli odległość od źródła jest podwojona).
- Źródło linii. Tworzy fale cylindryczne, których intensywność maleje wolniej niż ze źródła punktowego (za każde podwojenie odległości od źródła intensywność maleje o 3 dB).
- Płaskie lub dwuwymiarowe źródło. Generuje fale tylko w określonym kierunku. Przykładem takiego źródła może być poruszający się w cylindrze tłok.
Elektroniczne źródła dźwięku
W celu wytworzenia fali dźwiękowej źródła elektroniczne wykorzystują specjalną membranę (głośnik), która w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej przenosi wibracje mechaniczne. Źródła te obejmują:
- odtwarzacze różnych płyt (CD, DVD i inne);
- nagrywarki kaset;
- radia;
- Telewizory i kilka innych.
