Dźwięk - fale dźwiękowe

W codziennym życiu człowiek styka się z wieloma różnorodnymi dźwiękami i odgłosami. Nasze ucho jest doskonale przystosowane do odbierania tych fal głosowych. Dzięki małżowinie usznej dźwięki z otoczenia trafiają do kanału słuchowego, gdzie wprawiają w ruch błonę bębenkową i przedostają się dalej, przez ślimak, do nerwów słuchowych. Następnie dźwięki trafiają do ośrodka słuchu w korze mózgowej (płat skroniowy), gdzie są odbierane i interpretowane. Nauka zajmująca się właściwościami dźwięku nosi nazwę akustyki.

Dźwięk to fale rozchodzące się w powietrzu, które mogą być rozpoznawane przez nasze uszy. Fale dźwiękowe można porównać do fal wodnych, z tą różnicą, że poruszają się szybciej, osiągając prędkość około 1224 km/h, oraz rozchodzą się w trzech płaszczyznach. Ciała wytwarzają dźwięki, drgając lub szybko poruszając się tam i z powrotem. W ten sposób w otaczającym powietrzu powstają fale dźwiękowe. Prawie każde ciało może drgać, generując dźwięki. Czasem drgania te można dostrzec gołym okiem. Dźwięki są drganiami, które odbieramy za pomocą słuchu. W przeciwieństwie do promieniowania elektromagnetycznego, dźwięk musi rozchodzić się w ośrodkach stałych, ciekłych lub gazowych.

Wśród wrażeń słuchowych wyróżniamy tony, dźwięki i szmery. Tony odpowiadają drganiom harmonicznym źródeł o jednej, ściśle określonej częstotliwości. Dźwięki powstają, gdy źródło, oprócz fali podstawowej o najmniejszej częstotliwości, emituje fale harmoniczne o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości fali podstawowej. Szmery to wrażenia słuchowe powstające, gdy do ucha docierają fale o różnych, dowolnych częstotliwościach. Nakładanie się dużej liczby tonów o dowolnej charakterystyce prowadzi do odczucia hałasu. Tony proste występują niezwykle rzadko. Dźwięk wydawany przez kamerton jest zbliżony do tonu prostego, ponieważ jego składowe drgania harmoniczne są stosunkowo słabe w porównaniu z tonem podstawowym.

Dźwięk to zaburzenie falowe w ośrodku sprężystym, zdolne do wywołania wrażenia słuchowego, a także wrażenie słuchowe spowodowane tym zjawiskiem. Dźwięki stanowią zmiany ciśnienia akustycznego zachodzące z odpowiednią częstotliwością. Źródłem dźwięku są ciała drgające i zawirowania powietrza. Dla człowieka słyszalne są dźwięki w zakresie częstotliwości 16 Hz - 20 000 Hz. Dźwięki o częstotliwości poniżej 16 Hz to infradźwięki, a powyżej 20 000 Hz – ultradźwięki oraz hiperdźwięki.

Dźwięki różnią się wysokością, natężeniem i barwą. Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością drgań źródła: niska częstotliwość odpowiada dźwiękom niskim, a wysoka – dźwiękom wysokim. O wysokości często decyduje częstotliwość tonu podstawowego. Częstotliwość to liczba zderzeń lub cyklów danego zjawiska okresowego w jednostce czasu, na przykład w ciągu jednej sekundy. W przypadku przesuwającej się fali jest to ilość grzbietów fal przechodzących przez wybrany punkt w jednostce czasu. Częstotliwość mierzy się w hercach (Hz). Częstotliwość jednego herca oznacza, że na jedną sekundę przypada jedno zderzenie, co jest równoznaczne odwrotności okresu drgań.

Natężenie dźwięku mierzy się ilością energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ustawioną prostopadle do promienia fali. Natężenie dźwięku wyraża się w J/m²·s lub W/m².

Trzecią cechą dźwięku jest barwa, związana z jego złożonością. O barwie dźwięku decydują: liczba składowych tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń. Różnice barwy można ustalać za pomocą słuchu oraz badać obiektywnie, porównując krzywe zależności wychyleń źródła od położenia równowagi w czasie. Taka krzywa w przypadku źródła tonu prostego ma kształt sinusoidy. Ustalając liczbę występujących w danym dźwięku tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń, otrzymujemy charakterystykę danego dźwięku w postaci widma akustycznego.

Podstawowe zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal dźwiękowych:

1. Odbicie fal dźwiękowych – gdy fala napotyka nieprzenikliwą przeszkodę, ulega odbiciu zgodnie z ogólnymi prawami odbicia fal. Czasem zjawisku odbicia dźwięku towarzyszy powstawanie echa, gdy fala głosowa po odbiciu wraca do ucha obserwatora. Na podstawie czasu upływającego między nadaniem fali dźwiękowej a jej odbiorem w postaci echa można oszacować odległość przeszkody od ucha obserwatora.

2. Załamanie fal głosowych – przejściu fali głosowej do ośrodka o innej prędkości rozchodzenia się dźwięku towarzyszy zjawisko załamania, które również podlega ogólnym prawom załamania.

3. Interferencja fal dźwiękowych – jeżeli w danym ośrodku spotykają się dwie lub więcej fal głosowych o tej samej częstotliwości, występuje zjawisko interferencji. W wyniku interferencji można uzyskać wzrost lub zmniejszenie wychyleń poszczególnych cząstek ośrodka od położenia równowagi, w zależności od różnicy faz nakładających się fal. Zwiększenie amplitudy drgań odpowiada wzrostowi natężenia tonu.

4. Dudnienie – nakładanie się dwóch dźwięków o niewielkich różnicach w częstotliwości (ucho ludzkie jest w stanie usłyszeć różnice do 7 Hz) nazywamy dudnieniem.

5. Pogłos – gdy dźwięk odbija się od ścian w pomieszczeniu, pokonuje zazwyczaj niewielką odległość. Kolejne odbite dźwięki docierają do naszych uszu tak szybko, że nie odbieramy ich jako wyraźne echo. Dźwięk taki może krążyć po pomieszczeniu, ulegając wielokrotnemu odbiciu od ścian, zwłaszcza gdy są one wyłożone twardymi materiałami, jak np. kafelki w łazience. Wówczas poszczególne echa nakładają się na siebie, przedłużając czas trwania dźwięku. Zjawisko to nosi nazwę pogłosu i jest istotnym zjawiskiem akustycznym. Miarą pogłosu jest czas trwania, który jest jedną z podstawowych wielkości określających warunki akustyczne sal koncertowych i studiów.

Zakres słyszalności

Człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwościach od około 20 Hz do około 20 kHz (20 000 Hz). Takie dźwięki nazywamy słyszalnymi. Dźwięki o niższych częstotliwościach powodują wyraźnie odczuwalne drgania ciała i są bardziej odczuwane niż słyszane. Górna granica zakresu słyszalności jest cechą osobniczą i obniża się z wiekiem. Dla porównania, nietoperze słyszą dźwięki w zakresie od 1 do 100 kHz. Z częstotliwością dźwięku ściśle związana jest wysokość słyszanego tonu. Fala dźwiękowa o niskiej częstotliwości jest słyszana jako głęboki i niski głos – bas, natomiast dźwięk o wysokiej częstotliwości jest słyszalny jako wysoki i przenikliwy – sopran.

Ultradźwięki

Dźwięki o częstotliwości większej niż górna granica słyszalności człowieka nazywamy ultradźwiękami. Jest to zaburzenie falowe rozchodzące się w sprężystym środowisku, związane z drganiami akustycznymi o częstotliwościach przekraczających 20 kHz. Górna granica słyszalności u zwierząt jest niekiedy wyższa (na przykład pies może być przywoływany przez właściciela za pomocą ultradźwiękowego gwizdka, którego dźwięku nie słyszą ludzie; także nietoperze wydają „piski” niesłyszalne dla człowieka). Ultradźwięki są wykorzystywane w technice (między innymi w badaniach nieniszczących, obróbce materiałów), echolokacji oraz medycynie (ultrasonografia). W przyrodzie ultradźwięki występują jako składniki naturalnych szumów (wiatru, morza, deszczu itp.) oraz jako głosy zwierząt (nietoperzy, delfinów).

Infradźwięki

Infradźwięki to fale sprężyste, które nie wywołują u człowieka wrażenia dźwięku, o częstotliwości mniejszej niż 16 Hz. Źródłem infradźwięków są wyładowania atmosferyczne (pioruny), wiatr, różnego rodzaju eksplozje, trzęsienia ziemi oraz duże drgające elementy konstrukcji i urządzeń mechanicznych. Infradźwięki są słabo tłumione i rozchodzą się na duże odległości. Są wykorzystywane do wykrywania miejsc wybuchów oraz w badaniach warstw atmosfery, hydrosfery i skorupy Ziemi. Infradźwięki o dużych natężeniach mają negatywny wpływ na organizmy żywe.

Decybele

Decybel (dB) to jednostka równa 0,1 B (bela), określająca stosunek dwóch wartości pomiaru tej samej wielkości fizycznej, na przykład natężenia dźwięku. Zwykle jedna z tych wartości jest ustalona i nazywana poziomem odniesienia. Za poziom odniesienia przyjmuje się natężenie dźwięku ledwo słyszalnego, czyli tzw. próg słyszalności.

Zjawisko Dopplera

Kiedy źródło dźwięku porusza się względem obserwatora, następuje pozorna zmiana częstotliwości dźwięku odbieranego przez obserwatora. Gdy źródło oddala się od obserwatora, długość fal docierających do niego wzrasta, a częstotliwość maleje (dźwięk jest niższy). Gdy źródło zbliża się do obserwatora, długość fali maleje, a częstotliwość rośnie (dźwięk jest wyższy). Jeśli źródło porusza się z prędkością większą od prędkości dźwięku, powstaje fala uderzeniowa o kształcie stożka, na powierzchni której następuje skokowa zmiana ciśnienia, gęstości ośrodka i temperatury.