Fale dźwiękowe: charakterystyka i zastosowania

Dźwięk to drgania powietrza rozchodzące się w przestrzeni, nazywane także falami. Ruch fal odbywa się dzięki kolejnej fazie rozrzedzania i zagęszczania powietrza. Fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością około 1200 km/h (czyli około 330 m/s). Prędkość dźwięku w powietrzu zależy od jego gęstości i może się wahać. Fale dźwiękowe stanowią jednak małą część szerokiego widma fal, sięgającego do wielu milionów drgań na sekundę.

Zakres słyszalny (czyli zakres dźwięków, które są słyszalne przez człowieka) wynosi od około 20 Hz do 20 kHz. Taki zakres może wydawać się niewielki, ale jest znacznie szerszy od zakresu, jaki wytwarza jakikolwiek instrument muzyczny. Na przykład pianino ma zakres od 30 Hz do 4 kHz, a piccolo od 1,5 kHz do 15 kHz. Fale dźwiękowe są wytwarzane na ogół przez drgające struny lub powierzchnie, a także przez drgania powietrza w rurach lub wnękach. Fale dźwiękowe powstają przez poruszający się przedmiot (np. w wyniku przesuwania się smyczka po strunach skrzypiec czy uderzenia młoteczka w strunę pianina). Gdy cząsteczki zaczynają się poruszać, pojawia się reakcja łańcuchowa z cząstkami sąsiednimi. W wyniku rozrzedzania i zagęszczania powietrza przesyłany jest ruch powietrza we wszystkich kierunkach. Zjawisko to nazywane jest podłużnym przemieszczaniem się drgań i polega na naprzemiennym rozrzedzaniu i zagęszczaniu powietrza.

Fale dźwiękowe są podłużnymi falami mechanicznymi. Mogą się rozchodzić w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zakres częstotliwości, jakie mogą mieć podłużne fale mechaniczne, jest bardzo szeroki, przy czym falami dźwiękowymi nazywamy fale o takich częstotliwościach, które w działaniu na ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia. Zakres tych częstotliwości, rozciągający się od około 20 Hz do około 20 000 Hz, nazywany jest zakresem słyszalnym. Podłużne fale mechaniczne o częstotliwościach mniejszych od słyszalnych są nazywane infradźwiękami, a fale o częstotliwościach większych niż słyszalne – falami ultradźwiękowymi. W powietrzu atmosferycznym fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością około 330 m/s. Dlatego ucho ludzkie rejestruje fale o długości od około 1,65 cm do 16,5 m.

Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić trzy rodzaje tych fal:

- Infradźwięki – poniżej 20 Hz – niesłyszalne dla człowieka,
- Dźwięki słyszalne – od 20 Hz do 20 kHz – słyszane przez większość ludzi,
- Ultradźwięki – powyżej 20 kHz – także niesłyszalne dla człowieka.

Infradźwięki to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt mała, aby mógł je usłyszeć człowiek. Jest to zakres częstotliwości poniżej około 20 Hz. Infradźwięki mają bardzo dużą długość fali – powyżej 16 m. Dzięki temu mogą omijać przeszkody i przenosić się na ogromne odległości. Infradźwięki są wykorzystywane przez niektóre zwierzęta, na przykład słonie, które używają ich do komunikacji na dalekie odległości.

Ultradźwięki to fale dźwiękowe o częstotliwości większej niż 20 kHz, dlatego niesłyszalne dla człowieka. Istnieją zwierzęta, które mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, na przykład pies, szczur, delfin, wieloryb czy nietoperz.

Ultradźwięki, dzięki małej długości fali (poniżej 1,65 cm), pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Urządzenie, które umożliwia obserwację głębin morskich, to sonar. Służy on do lokalizacji obiektów zanurzonych w wodzie. Ultradźwięki mają także zastosowanie w medycynie. Za pomocą urządzenia generującego i rejestrującego odbicie fal ultradźwiękowych (ultrasonograf) można uzyskać obraz narządów wewnętrznych. Ultradźwięki pozwalają również na pomiar odległości przy pomocy dalmierza ultradźwiękowego, w zakresie od 1 do 10 m. Jeżeli wykorzysta się naprawdę silne źródło ultradźwięków, mogą one niszczyć materiał, co pozwala na obróbkę powierzchniową wytwarzanych przedmiotów.