Ucho zbiera energię tylko z obszaru, jaki samo zajmuje, więc dla wrażenia głośności istotna jest energia padająca w jednostce czasu na jednostkę powierzchni.
Charakterystyczną cechą dźwięku jest natężenie. Natężenie wrażenia słuchowego przedstawia stosunek energii przenoszonej przez falę głosową w jednostce czasu przez powierzchnię.
I=P/S
Tutaj:
I - natężenie dźwięku - jednostką jest "wat na metr kwadrat" [W/m2].
S - pole powierzchni, na którą pada energia dźwiękowa wyrażone w "metrach kwadratowych" [m2].
P - moc fali dźwiękowej w watach [W]
Jednak to dopiero początek problemów związanych z pojęciem głośności, bo okazuje się, że wcale 2 razy większe natężenie dźwięku nie jest przez nas odbierane jako 2 razy głośniejszy dźwięk. Ucho logarytmuje natężenie dźwięku, co powoduje, że 2 razy większe natężenie dźwięku odpowiada zwiększeniu głośności o wielkość proporcjonalną do "logarytmu z dwóch". Dlatego wprowadza się jednostkę zwaną poziomem natężenia dźwięku. Wzorcową częstotliwością jest v=1000Hz Dla niej próg słyszalności wynosi 10-12 W*m2 To natężenie oznacza się I0. Jest to punkt zerowy nowej skali. Natężenie 10 razy większe wynosi I1=I0*101; sto razy większe I1=I0*102 itd.
Natężenie progu słyszalności ma poziom natężenia 0 dB. Z kolei bardzo głośny słyszalny dźwięk ma poziom głośności w okolicy 100 dB; 120dB to tzw. próg bólu, czyli głośność przy której ucho nie słyszy tylko "boli".
Ale to jeszcze nie koniec problemów z głośnością. Okazuje się, że człowiek nie wszystkie dźwięki o tym samym poziomie głośności słyszy jednakowo dobrze. Dźwięki bardzo niskie i bardzo wysokie są słyszane słabo, za to tony o częstotliwościach od 1KHz do 5KHz (mniej więcej zakres mowy ludzkiej) są słyszane wyjątkowo dobrze.
Np. ton 10 dB mający częstotliwość 1000 Hz będzie przez większość ludzi słyszalny (będzie ona odbierany jako głośny), ale ton 10dB o częstotliwości 25Hz chyba wszyscy "odbierzemy" jako ciszę.
Na rysunku obszar zakreskowany na niebiesko jest "obszarem słyszalności". Dźwięki z zakresu pod tym obszarem są zbyt ciche, aby mogły być słyszalne, dźwięki powyżej tego obszaru są tak głośne, że nie daje się ich wyróżnić jako dźwięk (człowiek nie rozróżnia ich wysokości i barwy, czując jedynie ból w uszach) - patrz załącznik
Jaką więc jednostkę wprowadzić, aby rzeczywiście dwa różne dźwięki odbierane jako tak samo głośne miały ten sam "atrybut głośności"?
Rozwiązanie jest jedno - trzeba przebadać dużą grupę ludzi, i posługując się metodami statystycznymi ustalić, jak średnio są przez nich słyszalne różne głośności i różne częstotliwości dźwięku (tzw. audiogram). Wyniki publikuje się w postaci tabeli przeliczników. W ten sposób powstaje nowa jednostka głośności zwana fonem.
I jeszcze jeden problem - jak zależy natężenie dźwięku od jego amplitudy?
Żeby sprawy nie komplikować podam nie ścisłą zależność, lecz proporcjonalność, która jest słuszna dla każdego rodzaju amplitudy.
Otóż:
Natężenie dźwięku jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali dźwiękowej
Jak dokładnie jest zdefiniowany fon?
Ton 1000Hz mający X decybeli ma tyle samo (czyli X) fonów. Np. ton 1000 hercowy o poziomie natężenia 40dB będzie miał też 40 fonów. A ton np. 200 Hz?
Żeby stwierdzić ile ton 200 Hz ma fonów, trzeba sprawdzić jaki ton 1000Hz daje takie samo wrażenie głośności. Okazuje się, że ton 200Hz i 40dB jest słyszalny mniej więcej tak samo głośno jak ton 1000Hz i 30 dB. Dlatego 40-to decybelowy ton 200Hz ma głośność 30 fonów.
Niektóre typowe głośności dźwięków w fonach
- 20 - 30 fonów: cichy szelest liści, szum lodówki
- 50 fonów - cicha mowa
- 70 fonów - uczniowie szkoły podstawowej w czasie przerwie międzylekcyjnej
- 90 fonów - ruch uliczny w godzinach szczytu tuż przy ruchliwej trasie
- 100 -110 fonów - głośna dyskoteka, fortissimo orkiestry
- 120 fonów - granica bólu
A oto dwa ciekawe doświadczenia z akustyki
Interferencja fal dźwiękowych
Spróbuj na sprzęcie stereo słuchać dźwięku wydobywającego się z dwóch kolumn. Efekt da się zauważyć, jeżeli będziemy przesuwać głowę nieco dalej i bliżej głośników (jednak możliwie blisko ich osi symetrii). Da się wtedy zauważyć miejsca z wyciszonym dźwiękiem (interferencja destruktywna) i głośniejsze (interferencja konstruktywna).
Dudnienia
Zjawisko dudnień powstaje wtedy, gdy jednocześnie słuchamy dźwięków nieznacznie różniących się częstotliwościami. Uzyskuje się wtedy efekt falowania dźwięku o uśrednionej częstotliwości.
Dudnienia też są rodzajem interferencji
Ultradźwięki, czyli dźwięki, których nie słychać
Ultradźwięki są to drgania ośrodka zachodzące z częstotliwościami większymi niż 20KHz (dźwięki powyżej 1GHz nazywa się je niekiedy hiperdźwiękami). Drgania te są niesłyszalne dla ludzi, jednak słyszą je m.in. psy, nietoperze, delfiny.
Wytwarzanie ultradźwięków
Wytwarzanie tak szybkich drgań jest możliwe tylko wtedy, gdy przedmiot drgający jest mały i lekki (niech ktoś spróbuje "machać" 30 tysięcy razy na sekundę dużym, ciężkim przedmiotem...)
Jak więc uzyskuje się tak szybkie drgania?
Mechaniczne źródła ultradźwięków
Nazwa urządzenia | Jak działa? | |
|---|---|---|
piszczałka ultradźwiękowa Galtona - przywoływacz psów | w bardzo małej rurce piszczałki powietrze drga z o wiele większą częstotliwością niż w dużej rurze organów koncertowych. | |
generator piezoelektryczny | są materiały (kryształy piezoelektryczne), które zmieniają swoje wymiary po przyłożeniu do nich napięcia Jeżeli to napięcie zmienia się bardzo szybko, wtedy kryształ bardzo szybko się kurczy i rozszerza, przez co generuje ultradźwięki | |
generator magnetostrykcyjny | zjawisko jest podobne do piezoelektrycznego, tylko, że w tym wypadku ruch w generatorze wywoływany jest przez szybko zmienne pole magnetyczne | |
Czy wiesz, że słonie porozumiewają się ze sobą za pomocą infradźwięków? Ten sposób komunikacji ma dwie zalety - zasięg wielu kilometrów i brak osłabiania przez przeszkody terenowe, ponieważ infradźwięków właściwie nie da się ekranować, a pochłanianie ich też zachodzi w mniejszym stopniu, niż dla dźwięków słyszalnych przez ludzi. | ||
Czy wiesz, że słonie porozumiewają się ze sobą za pomocą infradźwięków? Ten sposób komunikacji ma dwie zalety - zasięg wielu kilometrów i brak osłabiania przez przeszkody terenowe, ponieważ infradźwięków właściwie nie da się ekranować, a pochłanianie ich też zachodzi w mniejszym stopniu, niż dla dźwięków słyszalnych przez ludzi.
Zastosowanie ultradźwięków
Ultradźwięki mają szerokie zastosowanie w medycynie i technice.
Oto przykłady zastosowań:
- ultrasonograf "prześwietla" ultradźwiękami ciało człowieka
- ogniskując ultradźwięki można drganiami pobudzić określony narząd
- prześwietlanie ultradźwiękami materiałów pozwala na wykrycie w nich wad
- sondy ultradźwiękowe mierzą głębokość mórz
- wysokoenergetyczną wiązką ultradźwiękową można przecinać i wiercić i oczyszczać przedmioty
