Na szlakach dźwięku

Dawno, bardzo dawno temu ludzie sadzili, że dźwięk jest jakąś specjalną materia, rozprzestrzeniającą się z danego ciała na wszystkie strony. Jednak nieco później doszli do przekonania, że dźwięk stanowią drgania drobnych cząsteczek materii. W ten sposób na przykład pojmował już dźwięk grecki filozof Arystoteles, żyjący w IV w p.n.e. Natomiast żyjący w
I w n.e. Rzymski uczony Witruwiusz, porównywał rozchodzenie się dźwięku z falami powstającymi na wodzie w postaci kręgów, gdy jej spokojna powierzchnia zostanie poruszona rzuconym do wody kamieniem.
I trzeba przyznać, że nie byli oni dalecy od tego, co później stwierdziła fizyka. Dźwięk, bowiem stanowią drgania najdrobniejszych cząsteczek materii powstające na skutek wytracenia ich z położenia równowagi. Drgania te są przenoszone na otaczające cząsteczki powietrza i tą drogą dostają się do naszego ucha. Dźwiękiem nazywamy te drgania materii, które nasze ucho jest w stanie odebrać. Jeżeli częstotliwość drgań jest mniejsza niż 16 drgań na sekundę, to tego drgania nie usłyszymy; dla naszego ucha w tym przypadku dźwięk nie istnieje. Są to infradźwięki. Ucho ludzkie również nie odbiera dźwięków o częstotliwościach przekraczających granice 20000 drgań na sekundę (ultradźwięki).
Zjawiska akustyczne dzielimy na: tony, dźwięki, szumy i huki. Huki i szumy mają wspólna nazwę szmerów.


Tonem nazywamy proste drganie akustyczne o określonej częstotliwości, którego wykresem jest sinusoida.





Dźwięk jest zjawiskiem złożonym z kilku tonów. Jest to drganie okresowe o zmieniającej się amplitudzie.



Szumem nazywamy zjawisko akustyczne nie wykazujące stałego okresu drgań.



Huk odczuwany jest jako krótkotrwałe, silne wrażenie akustyczne nie mające stałej wartości.


Jak widać na rysunku, ucho jest bardzo złożonym i czułym aparatem. Nie jest ono jednak u wszystkich ludzi jednakowe. Starsi ludzie często nie słyszą dźwięku o drganiach powyżej 6 do 8 tys. drgań na sekundę.
Dźwięk rozchodzi się z miejsca, w którym powstał, czyli ze źródła i dochodzi do naszego ucha. Drgania są przenoszone przez otaczające nas, czasteczki powietrza, które drgając przekazują swoje drgania dalej. Dźwięk nie jest przenoszony wyłącznie za pośrednictwem powietrza. Woda, na przykład jest lepszym przewodnikiem dźwięku niż gazy, ale gorszym od ciał stałych.
Od chwili powstania drgań, do chwili, kiedy zostaną one odebrane przez nasze ucho, musi upłynąć jakiś okres czasu. Np. w czasie burzy najpierw widzimy błyskawicę, a dopiero potem słyszymy grzmot. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/s, w wodzie ok. 3 razy szybciej, a w żelazie ok. 15 razy szybciej niż w powietrzu. W próżni dźwięk nie rozchodzi się, a więc np., dwóch kosmonautów nie mogłoby siebie usłyszeć będąc w kosmosie.
Podsumowując, natężenie dźwięku zależy od gęstości ośrodka, w którym jest przenoszony, a więc np. na szczycie Mt.Blanc gdzie powietrze jest bardzo rozrzedzone, strzał z pistoletu nie jest głośniejszy niż strzał z bicza w dolinie.






Człowiek odbiera dźwięki przy pomocy ucha, które jest przyrządem słuchowym człowieka. W skroniowych kościach czaszki znajduje się organ zwany ślimakiem (2), który stanowi niewielką (objętość ok. 0,2 cm3) kostną jamę wypełnioną cieczą (limfą). Wewnątrz ślimaka znajduje się tzw. Organ Cortiego składający się z włókien przymocowanych z jednej strony do kostnej spiralki przegródki. Do tych włókien dochodzą końce nerwu słuchowego. Włókna mają różna długości i nie są naciągnięte jednakowo. Wobec tego odpowiadają im różne częstotliwości rezonansowe.
Drgania dźwiękowe dochodzą do ślimaka poprzez kanał słuchowy na końcu, którego znajduje się sprężysta błona bębenkowa (4).Drgania błony bębenkowej są przekazywane za pomocą układu małych kosteczek (5), błonce sprężystej owalnego okienka (6) prowadzącego do jamy ślimaka. Drgania dźwiękowe o określonej częstotliwości powodują drgania rezonansowe określonych włókien i pobudzają z kolei odpowiadające im końce nerwów, a nerwy przekazują wytworzone podrażnienia do mózgu. Dźwięk złożony wywołuje podrażnienie szeregu zakończeń nerwowych, wskutek czego człowiek może odbierać i rozdzielać składowe dźwięki złożonego.
Zdolność określania kierunków rozchodzenia się fal dźwiękowych człowiek zawdzięcza posiadaniu dwojga uszu (binaturalny efekt). W przypadku wysokich częstotliwości świadomość kierunku dźwięku może powstać w skutek różnicy amplitud dźwięku w obojgu uszach.
Ucho ludzkie słyszy sygnały o określonej częstotliwości i natężeniu. Na wykresie przedstawiona jest zależność natężenia dźwięku od częstotliwości. Słyszymy tylko takie dźwięki, które są scharakteryzowane przez punkty leżące wewnątrz krzywej zamkniętej.




Krzywa ograniczająca obszar słyszalności od dołu, nosi nazwę granicy słyszalności, a krzywa górna- granicą bólu. Z wykresu widać, że tony o tym samym natężeniu, lecz o różnych częstotliwościach nie są rejestrowane jednakowo głośno.
Zjawiska akustyczne o dużym natężeniu i nieskoordynowanych dźwiękach, rozumiemy jako hałas. Przebywanie w hałasie o zbyt dużej intensywności jest szkodliwe dla zdrowia, przyśpiesz zmęczenie, oddziaływuje ujemnie na cały organizm, może spowodować uszkodzenie, a nawet utratę słuchu. Skutkiem nadmiernego działania hałasu jest niedosłuch odbiorczy. Hałas może również oddziaływać na:
-układ krążenia (sprzyja rozwojowi nadciśnienia tętniczego, wysokie poziomy powodują tachykardię),

-układ pokarmowy (sprzyja rozwojowi choroby wrzodowej),

-układ nerwowy (zespoły nerwicowe),

-układ hormonalny,

-psychikę.

Dopuszczalne wartości hałasu odniesionego do 8-godzinnego dnia pracy, ze względu na:
-ochronę słuchu, są na poziomie 85 dB;

-możliwość realizacji przez pracownika jego podstawowych zadań przyjmują wartości:

-75 dB dla pomieszczeń z urządzeniami liczącymi, maszynami do pisania, dalekopisami, laboratoriami ze źródłami hałasu,

-65 dB dla pomieszczeń do wykonywania prac precyzyjnych,

-55 dB dla pomieszczeń administracyjnych, biur projektowych i opracowania danych.

Zwalczanie hałasu to jedno z zadań współczesnej ekologii. Polega głównie na eliminowaniu źródeł hałasu lub odizolowaniu miejsc przebywania człowieka od dźwięków uciążliwych, męczących lub szkodliwych. Stosuje się ekrany dźwiękochłonne, konstruuje się urządzenia pracujące ciszej, obudowuje się urządzenia wytwarzające hałas materiałami dźwiękochłonnymi. W dużych miastach buduje się drogi tzw. Obwodnice, kierujące ruch pojazdów samochodowych z dala od centrum miasta.
Olbrzymią rolę w tłumieniu hałasu spełnia zieleń. Drzewa, krzewy, trawa skutecznie pochłaniają dźwięki, dlatego powinno się dbać o ochronne pasy zieleni przy drogach nie tylko, dlatego, że są to płuca miast (pochłaniają CO2, wydzielając tlen).


Dużą rolę odgrywa też lokalizacja budynków i rodzaj materiałów służących do ich budowy, a jeśli znajdują się blisko źródła hałasu, powinny być oddzielone od niego ekranami dźwiękochłonnymi.
Ultradźwięki występujące w powietrzu charakteryzującą się bardzo krótkimi falami, poniżej 0,02 m tzn. powyżej 16 kHz, co powoduje, że ich obszar oddziaływania jest znacznie ograniczony, a im wyższa częstotliwość tym silniej są tłumione. Narażenie na ultradźwięki występuje najczęściej przy ich przemysłowym zastosowaniu:
-przy czyszczeniu elementów szklanych w laboratoriach,

-przy wytwarzaniu emulsji, homogenizacji i spienianiu,

-podczas spawania, zgrzewania PCV,

-przy wykrywaniu nieszczelności, defektoskopii,

-w diagnostyce, fizykoterapii, chirurgii, stomatologii,

-przy stosowaniu urządzeń powszechnego użytku tj. gwizdków dla psów, odstraszaczy ptaków i gryzoni.

Bezpośrednie oddziaływanie energii ultradźwiękowej przez kontakt z drgającym ośrodkiem stałym lub ciekłym może wpływać na czynność układu nerwowego, czynność serca i składniki morfologiczne krwi. Możliwe jest wtedy występowanie bólu i drętwienia rąk, blednięcie i obrzęk palców, a także obniżenie progu czucia bólu i wibracji. W następstwie ich działania obserwujemy wpływ na:
-układ krążenia,

-narząd przedsionkowy w uchu środkowym,

-czynność układu nerwowego,

-procesy termoregulacyjne (wzrost ciepłoty ciała o 0,5-0,7oC),

-procesy przemiany materii.

Echa-zazwyczaj ultradźwiękowe-są często używane do odnajdywania ciał i określania ich dokładnego położenia przez pomiar czasu powrotu echa do źródła wysyłającego dźwięk. Ta metoda badania ciał stałych, wykorzystująca echo fali akustycznej, nosi nazwę defektoskopii ultradźwiękowej.
Ultradźwięki stosuje się również w medycynie, w skanowaniu ultradźwiękowym ciała ludzkiego przy wykorzystaniu urządzeń zwanych ultrasonografami (USG).
Wieloryby i delfiny korzystają z ekocholacji, poruszając się w głębinach mórz. Odbity dźwięk pozwala im „spostrzegać” znajdujące się w otoczeniu obiekty.
Nietoperze wysyłają ultradźwięki, a następnie nasłuchują ich echa odbijającego się od różnych przedmiotów.


Charakterystyczną cechą infradźwięków są znaczne długości fal powyżej 21,25 m powodujące, że są one bardzo słabo tłumione nie tylko przez ściany, pofałdowanie terenu i inne obiekty, lecz także przez atmosfer, dzięki czemu mogą przenosić się na znaczne odległości. Mogą też ulegać łatwo wzmocnieniu wskutek zjawiska rezonansu pomieszczeń i elementów konstrukcyjnych. Infradźwięki spotykamy przy pracy:
-lokomotyw spalinowych i elektrycznych,

-samochodów ciężarowych, autobusów i tramwajów,

-maszyn drogowych, jednostek pływających,

-sprężarek, dmuchaw, pomp,

-piecy hutniczych, młotów kuźniczych, młynów,

-wentylatorów, lini granulacyjnych itd.

Infradźwięki mogą powodować:
-wydłużenie czasu reakcji,

-zmniejszenie spostrzegawczości,

-zaburzenia równowagi.

Ale również znane są efekty słuchowe, a więc:
-ból uszu,

-czasowe przesuniecie progu słuchu,

-zaburzenia rozumienia mowy.

Źródłami infradźwięków mogą być trzęsienia Ziemi, wyładowania atmosferyczne lub wiatr.
Infradźwięki mają ujemny wpływ na wykonywanie prostych czynności, powodują wydłużenie czasu reakcji, działają na człowieka przygnębiająco. Bardzo często reakcje i zachowania ludzi po „usłyszeniu” tych dźwięków są podobne do reakcji i zachowań po spożyciu alkoholu. Infradźwięki mogą być też odbierane przez receptory wibracji, szczególnie w mięśniach, ścięgnach i stawach oraz na skórze. Infradźwięki mogą wywoływać drgania rezonansowe w poszczególnych tkankach i narządach organizmu, w szczególności w obrębie jamy brzusznej, klatki piersiowej i gardła.
Jednakże stwierdzone dotychczas skutki biologiczne oddziaływania infradźwięków opierają się na badaniach laboratoryjnych z zastosowaniem wysokich poziomów narażenia.
W związku z taką szkodliwością oddziaływania infradźwięki mają mało zastosowań technicznych.