FALE AKUSTYCZNE

FALA AKUSTYCZNA

• Fala akustyczna – zaburzenie mechaniczne

rozchodzące się w ośrodku sprężystym

obdarzonym masą (jak powietrze, inna

mieszanina gazów, ale również ciecz, metal, itd.)

i przenoszące energię.

• Fala akustyczna nie przenosi masy, tzn. średnie

położenie cząsteczek ośrodka nie ulega zmianie

podczas ruchu falowego.

• Oznacza to, że z falą akustyczną jest związany

ruch „pobudzonych” cząsteczek ośrodka wokół

pewnych „położeń równowagi”. Ruch ten

prowadzi do chwilowych lokalnych rozrzedzeń i

zagęszczeń ośrodka, a w konsekwencji do

chwilowych lokalnych zmian ciśnienia

FALE DŹWIĘKOWE

• Dźwiękiem nazywamy falę mechaniczną,

przenoszoną przez drgania cząsteczek ośrodka.

Dźwięki rozchodzą się we wszystkich ośrodkach,

a więc zarówno w ośrodkach gazowych jak i

ciekłych oraz stałych. W gazach i cieczach

dźwięki są zawsze falą podłużną, w ciałach

stałych mogą rozchodzić się jako fala podłużna

lub poprzeczna.

• Źródłem dźwięku może być każde ciało

drgające lub przepływ powietrza przez

przewężenie. Jeśli źródłem dźwięku jest ciało

drgające, to parametry dźwięku przez nie

wytwarzanego są ściśle związane z

parametrami drgań tego ciała.

• Ze względu na to, że dla ucha

ludzkiego słyszane są dźwięki o
częstotliwościach znajdujących się w
przedziale od 20 Hz do 20 000Hz
(20kHz), fale dźwiękowe dzielimy na 3
kategorie:

• infradźwięki (<20Hz)
• dźwięki słyszalne
• ultradźwięki (>20Hz)

POLE AKUSTYCZNE

•

Fale dźwiękowe rozchodząc się w środowisku pobudzają jego

cząstki do drgań i tworzą obszar zwany polem

akustycznym. W ogólnym przypadku pole akustyczne jest

utworzone przez dwa układy fal. Pierwszy układ - to fale

odbiegające od źródła, drugi - to fale odbite od powierzchni

ograniczającej i wracające ku źródłu. O ile pierwszy układ

zależy jedynie od właściwości źródła i środowiska, o tyle drugi

zależy również od właściwości powierzchni granicznych.

Gdy pole akustyczne jest nieograniczone lub gdy jego

powierzchnie graniczne doskonale pochłaniają dźwięk, nie ma

fal powracających i istnieją tylko fale odbiegające od źródła.

Takie pole nazywa się polem akustycznym swobodnym.

Gdy w przestrzeni, w której rozchodzą się fale dźwiękowe,

znajduje się przeszkoda o rozmiarach dużych w stosunku do

długości fali, bieg fali zostaje zakłócony. Następuje odbicie

częściowe lub zupełne, zgodnie z zasadami wynikającymi z

twierdzenia Huygensa.

CIŚNIENIE AKUSTYCZNE

• Ciśnienie akustyczne to wielkość charakteryzująca siłę (w

uproszczeniu odpowiada głośności) zjawiska
akustycznego (dźwięku) w pewnym punkcie.

• Ciśnienie akustyczne p, wyrażane w paskalach (Pa), to różnica

między aktualną wartością ciśnienia P (w danym miejscu
ośrodka) a ciśnieniem P0 panującym wówczas, gdy ośrodek ten
był w równowadze (przed nadejściem fali):

• P= P - P0

• Podczas rozchodzenia się dźwięku ciśnienie akustyczne zależy

zarówno od czasu, jak i miejsca (sąsiednie punkty drgającego
ośrodka różnią się chwilową wartością ciśnienia.)

• Różnica ta wywołana jest drganiami cząsteczek powietrza. Hałasy

o niskich poziomach ciśnienia akustycznego odbierane są jako
ciche, a o wysokich poziomach ciśnienia akustycznego – jako
głośne

Ze względu na bardzo szeroki zakres zmian ciśnienia akustycznego,

od 0,00002 do 200 Pa, powszechnie stosowana jest skala

logarytmiczna, czego skutkiem jest stosowanie w praktyce pojęcia

poziomu ciśnienia akustycznego, wyrażanego w decybelach (dB), jako

wartości względnej odniesionej do 0,00002 Pa

Rys. 1. Ciśnienia i poziomy ciśnienia akustycznego różnych dźwięków

PRĘDKOŚĆ FALI AKUSTYCZNEJ

W RÓŻNYCH OŚRODKACH

W powietrzu w warunkach normalnych dźwięk rozchodzi się z prędkością 330 m/s. W

próżni i w ośrodkach idealnie sztywnych dźwięk się nie rozchodzi – drgania tam są

niemożliwe lub w ogóle nie ma cząstek, które mogłyby drgać.

 
Dla fal dźwiękowych istotnymi parametrami ośrodka są jego sprężystość objętościowa

oraz gęstość.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku zależy od tych parametrów w następujący sposób:

 B – moduł sprężystości objętościowej
 - gęstość

W stałych warunkach prędkości dźwięku w różnych ośrodkach są w miarę stabilne i

określone.

Poniżej podano prędkości dźwięku dla kilku ośrodków w warunkach normalnych

(temperatura 20°C,ciśnienie normalne 1013,25 Pa):

stal - 5100 m/s
beton - 3800 m/s
woda - 1490 m/s
powietrze - 343 m/s
Z przedstawionych danych wynika, że dźwięki znacznie szybciej rozchodzą się

ośrodkach skondensowanych (ciecze, ciała stałe) niż w powietrzu. 

OPÓR AKUSTYCZNY

• Opór akustyczny (impedancja) jest zasadniczą wielkością charakteryzującą

rozchodzenie się fal akustycznych w ośrodkach. Impedancja jest zdefiniowana jako
iloraz ciśnienia akustycznego do prędkości cząsteczek:

•  
• Z = p/V
•  
• Jednostką impedancji jest kg/(m

2

s). Impedancja akustyczna jest miarą oporu, jaki

ośrodek stawia rozchodzącej się w nim fali akustycznej. Impedancję właściwą Z

c

ośrodka wyraża wzór:

•  
• Z

c

= V * 

•  
• Jeśli fala dźwiękowa napotyka granicę dwóch ośrodków o różnej impedancji (Z

1

i

Z

2

), to część jej energii odbija się od granicy ośrodków, a część wnika do drugiego

ośrodka.

• Fala tym lepiej będzie przechodziła z jednego ośrodka do drugiego im bliższe sobie

są wartości ich oporów akustycznych, czyli im ich różnica (Z

1

- Z

2)

będzie mniejsza.