Fale akustyczne

Mirela Tomczak
Marta Urban

Fala akustyczna

Jest to zaburzenie mechaniczne
rozchodzące się w ośrodku spręzystym
obdarzonym masą (powietrze, inne gazy,
ciecz, metal itd.) i przenoszące energię.

Fala akustyczna mimo że sama się
przemieszcza, to nie przenosi masy.
Ruch cząsteczek ośrodka prowadzi do
chwilowych lokalnych zmian ciśnienia.

Dźwięk – są to fale akustyczne, które
jesteśmy w stanie rejestrować poprzez
wrazenia zmysłowe.
W gazach i cieczach dźwięki są falą
podłuzną (wzdłuż kierunku
rozchodzenia się dźwięku) w ciałach
stałych moga być falą podłużną lub
poprzeczną (prostopadle do kierunku
rozchodzenia się fali)



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 jest to obszar
przestrzeni, w którym istnieją drgania
akustyczne.

Ciśnienie akustyczne – jest to
różnica między aktualną wartością P
(w danym miejscu ośrodka) a
ciśnieniem P

0

panującym, gdy ośrodek

był w równowadze (przed nadejściem
fali).

p ≡ P - P

0

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. 

Odbicie i załamanie fali na granicy
ośrodków zachodzi jednocześnie



Stosunki natężenia fali odbitej I

o

od fali

padającej I

p

i fali załamanej I

z

od padającej I

p

zależą od oporów akustycznych z

1

i z

2

graniczących ze sobą ośrodków.



Oporem akustycznym nazywamy iloczyn

prędkości rozchodzenia się fali i gęstości

ośrodka:

z=vρ



Fala tym lepiej będzie przechodziła z jednego

ośrodka do drugiego im bliższe sobie są

wartości ich oporów akustycznych. Przy

nieznacznej różnicy między oporami

akustycznymi sąsiadujących ze sobą

ośrodków fala padająca w większości

przejdzie do drugiego ośrodka, a

jedynie mała jej część ulegnie odbiciu

Efekt Dopplera



Zjawisko falowe
polegające na
powstawaniu różnicy
częstotliwości fali
wysyłanej przez
źródło fali dźwiękowej
i odbieranej przez
odbiornik
(obserwatora), ktore
przemieszczają się
względem siebie

Zależności opisujące prawo
Dopplera

Przypadek 1. Ruch obserwatora względem

nieruchomego źródła



Dźwięk rejestrowany przez obserwatora ma
częstotliwość większą, od częstotliwości
wysyłanej, gdy obserwator przybliża się do
źródła dźwięku



Obserwator oddala się-rejestrowana
częstotliwość ma wartość mniejszą od
częstotliwości wysyłanej



f – częstotliwość fali
obserwowanej,



f0 – częstotliwość fali
generowanej



v – prędkość fali w ośrodku



Vob- prędkość obserwatora

Przypadek 2.

Ruch źródła fali względem

nieruchomego obserwatora



Gdy źródło dźwięku przybliża się do
obserwatora obserwujemy zmniejszenie
długości fali i w efekcie wzrost
częstotliwości odbieranej fali



W przypadku oddalania się źródła dźwięku
od obserwatora ma miejsce skrócenie
długości fali i zmniejszenie częstotliwości
fali odbieranej przez obserwatora



f – częstotliwość fali obserwowanej,



f0 – częstotliwość fali generowanej,



v – prędkość fali w ośrodku,



vzr – prędkość źródła.



prędkość źródła względem obserwatora

znacznie mniejsza od prędkości światła



Przypadek 3.

Jednoczesny ruch źródła

dźwięku i obserwatora



Wzory te odnoszą się do sytuacji, gdy
obserwator i źródło dźwięku znajdują się w
linii prostej względem siebie



Gdy źródło fali porusza się po prostej nie
przechodzącej przez odbiornik, to należy
uwzględnić ten fakt we wzorze

Zamiast prędkości źródła wstawiamy Vźr

×cosα

Zastosowania efektu Dopplera



wyznaczanie prędkości obiektu



laserowo-dopplerowski pomiar stopnia

ukrwienia skór(diagnozowanie

cukrzycy)



Echokardiografia( wyznaczanie

prędkości przepływu krwi u płodu)



Ultrasonografia dopplerowska



Obserwacja ruchu płynów ustrojowych

np.krwi