WSTĘP TEORETYCZNY

WSTĘP TEORETYCZNY – INTERFERENCJA FAL AKUSTYCZNYCH

Ruch falowy jest to :
rozchodzenie się w przestrzeni różnego rodzaju drgań, czyli zaburzeń stanu ośrodka. W zależności od ośrodków oraz charakteru zaburzeń rozróżnia się fale: mechaniczne (w tym sprężyste), elektromagnetyczne i f. materii (tzw. f. de Broglie'a).

F. OKRESOWE, które nie przekazują żadnej energii ośrodkowi, w którym się rozchodzą, noszą nazwę f. niegasnących. Energia f. jest różnicą energii ośrodka w jego określonym obszarze w stanie zaburzonym i niezaburzonym. Średnia energii przenoszona przez f. przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się f. nazywa się natężeniem f. W zależności od kierunku drgań wielkości fiz. (np. położenia cząsteczek ośrodka) względem kierunku propagacji (rozchodzenia się) f. rozróżnia się:
*F. PODŁUŻNE, w których drgania odbywają się równolegle do tego kierunku (np. f. dźwiękowe w gazach), oraz
*F. POPRZECZNE, w których drgania zachodzą prostopadle do tego kierunku (np. f. w strunach). F. poprzeczne nazywane są spolaryzowanymi, gdy drgania są uporządkowane w pewien sposób; np. fala poprzeczna, w której drgania zachodzą w jednej płaszczyźnie, nosi nazwę f. spolaryzowanej liniowo.

Zjawisko interferencji fal jest to zjawisko nakładania się dwu lub więcej fal rozchodzących się w tym samym ośrodku; wypadkowe wychylenie każdej cząsteczki ośrodka jest sumą wektorową wychyleń tej cząsteczki spowodowanych przez każdą z fal oddzielnie. Efekt i. jest najwyraźniejszy dla fal o jednakowych częstotliwościach: w miejscach, gdzie nakładające się fale są w fazach zgodnych, następuje wzmocnienie, a tam, gdzie w fazach przeciwnych - osłabienie ruchu falowego cząsteczek, włącznie z całkowitym wygaszeniem, gdy amplitudy fal w fazach przeciwnych są jednakowe. Jeżeli fazy nakładających się fal są identyczne lub gdy różnią się o stałą w czasie wartość (tzw. fale spójne, czyli koherentne), powstają w stałych obszarach przestrzeni leżące na przemian obszary drgań maksymalnie wzmocnionych i wygaszonych, zwane prążkami interferencyjnymi (obszar interferencyjny). W przypadku, gdy różnica faz nakładających się fal jest zmienna w czasie, obraz interferencyjny jest także zmienny, a przy dużej prędkości zmiany różnicy faz ulega rozmyciu. W wyniku i.f. o tych samych częstotliwościach i amplitudach biegnących w przeciwnych kierunkach powstaje fala stojąca. Zjawisko i.f. dotyczy wszystkich rodzajów ruchu falowego, także fal elektromagnetycznych, rozchodzących się bez udziału ośrodka materialnego. Zjawisko i.f. rentgenowskich wykorzystuje się w badaniach struktury ciał krystalicznych, a i.f. akustycznych do pomiaru prędkości ultradźwięków (także interferencja światła). I.f. radiowych powoduje zakłócenia w odbiorze.

Wysokość dźwięku. Ciała drgające wykonują więcej lub mniej drgań na sekundę, zależnie od rodzaju materiału i od wymiarów fizycznych. Struna (lub płytka) krótka i cienka (struny w skrzypcach, górne struny fortepianu, dzwonki itp.) wykonuje tysiące drgań na sekundę i wydaje dźwięk wysoki. Natomiast struna (lub płyta) gruba i długa (struny kontrabasu, basowe struny fortepianu itp.) wykazuje kilkadziesiąt drgań na sekundę, wydając dźwięk niski. A więc wysokość dźwięku zależna jest od ilości drgań na sekundę: im większa częstotliwość drgań, tym wyższy jest dźwięk i przeciwnie - im mniejsza częstotliwość drgań, tym dźwięk jest niższy.

Dźwięki słyszalne 16 Hz - 20 kHz - słyszy je większość ludzi,

Barwa dźwięku – cecha dźwięku, która pozwala odróżnić brzmienia różnych instrumentów lub głosu. Uzależniona jest od ilości, rodzaju i natężenia tonów składowych, ponieważ jest związana ze spektrum harmonicznym. Barwa danego instrumentu może zmieniać się nieznacznie w zależności od:

sposobu wzbudzania drgań (pociągnięcie smyczkiem, szarpnięcie lub uderzenie),
siły wzbudzenia (zatem i głośności dźwięku),
częstotliwości (różne struny mogą wydawać dźwięki nieco różniące się barwą).

Prędkość dźwięku w określonym ośrodku jest prędkością rozchodzenia się w nim zaburzenia mechanicznego.

Prędkość dźwięku w substancjach zależy od prędkości przekazywania kolejnym cząsteczkom tej substancji prędkości cząsteczek zwiększonej ciśnieniem dźwięku. Dla małych natężeń dźwięku ta dodatkowa prędkość jest znacznie mniejsza od prędkości ruchu cieplnego cząsteczek, dlatego prędkość dźwięku nie zależy od jego natężenia.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku dla różnych ośrodków: