Fale
Fale
dźwiękowe
dźwiękowe
mgr Magdalena
Sadowska
ZS Kalisz
Fale
Fale
dźwiękowe
dźwiękowe
mgr Magdalena
Sadowska
ZS Kalisz
Fale poprzeczne
Fale poprzeczne
Fale podłużne
Fale podłużne
Co powinniśmy wiedzieć na
Co powinniśmy wiedzieć na
początku?
początku?
Termin dźwięk związany jest ze wszystkimi
zjawiskami głosowymi słyszanymi przez
człowieka.
Ton to dźwięk wywołany przez drgania proste
i przenoszony przez falę sinusoidalną.
Hałas to zjawisko dźwiękowe, które w danych
okolicznościach jest niepożądane, szkodliwe
lub przeszkadzające.
Długość fal dźwiękowych: 2 - 20 cm.
Zakres dźwięków słyszanych przez człowieka:
16 Hz – 20 kHz.
Powstawanie fal dźwiękowych.
Powstawanie fal dźwiękowych.
Źródła dźwięku dzieli się na naturalne
i sztuczne.
Fale dźwiękowe rozchodzą się w gazach,
cieczach i ciałach stałych.
Dźwięk jest falą podłużną.
Fala kulista to fala, która rozchodzi się
równomiernie we wszystkich kierunkach.
Fala płaska – w dużej odległości od źródła
można pominąć kulistość fali.
Fala płaska.
Fala płaska.
Opis matematyczny.
Opis matematyczny.
Cząsteczki powietrza drgając poruszają
się ruchem harmonicznym, który
opisuje równanie:
x(t) = A cos(
x(t) = A cos(
t+
t+
)
)
gdzie: = 2/T, T =1/f,
A – amplituda, - częstość kołowa
(kątowa),
T – okres, f – częstość
(częstotliwość).
Prędkość fal dźwiękowych w
Prędkość fal dźwiękowych w
gazach.
gazach.
Prędkość fali dźwiękowej v jest stała dla
każdego ośrodka gazowego. Zależy ona
od gęstości gazu
i panującego
w nim ciśnienia p, co opisuje wzór
Newtona:
v = 1,185
v = 1,185
∙
∙
(
(
p
p
/
/
)
)
½
½
.
Prędkość fali dźwiękowej w powietrzu
zmierzył Ernest Chladini uwzględniając
zależność ciśnienia od temperatury gazu t:
v = 20,08∙(t + 273,15)
v = 20,08∙(t + 273,15)
½
½
Prędkość fal dźwiękowych w
Prędkość fal dźwiękowych w
powietrzu w zależności od
powietrzu w zależności od
panującej temperatury.
panującej temperatury.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, Część I, PWN 1972
Prędkość fal dźwiękowych w
Prędkość fal dźwiękowych w
innych gazach.
innych gazach.
Prędkość fal dźwiękowych w gazach waha się
w szerokich granicach od 100 do 1300 m/s.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, Część I, PWN
1972
Prędkość fal dźwiękowych w
Prędkość fal dźwiękowych w
cieczach.
cieczach.
W cieczach prędkość fali dźwiękowej wyraża
się wzorem:
v = 10
v = 10
∙
∙
(
(
K
K
/
/
)
)
½
½
,
gdzie K to moduł ściśliwości objętościowej.
Prędkość ta waha się między 1000 a 1600 m/s.
Prędkość fali dźwiękowej w cieczach zwiększa
się z temperaturą. Tylko woda wykazuje
anomalię, polegającą na tym, że prędkość fali
w wodzie wzrasta tylko do 80C, po czym
nieznacznie maleje.
Prędkość fal dźwiękowych
Prędkość fal dźwiękowych
w cieczach.
w cieczach.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, Część I,
PWN 1972
Prędkość fal dźwiękowych
Prędkość fal dźwiękowych
w ciałach stałych.
w ciałach stałych.
Prędkość podłużnej fali dźwiękowej
określoną wzorem:
v = 10
v = 10
∙
∙
(
(
E
E
/
/
)
)
½
½
,
,
gdzie E to moduł ściśliwości (moduł Younga).
Prędkość przenoszenia się fali poprzecznej,
powstającej na powierzchni ciała na wzór fal
na powierzchni wody, jest niższą od
prędkości fali podłużnej i zmienną
proporcjonalnie do
pierwiastka częstości.
Prędkość fal dźwiękowych w ciałach stałych
Prędkość fal dźwiękowych w ciałach stałych
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, Część I, PWN
1972
Odbicie i załamanie fal
Odbicie i załamanie fal
dźwiękowych.
dźwiękowych.
Odbicie i załamanie fal dźwiękowych
zachodzi na granicy dwóch ośrodków. Tymi
zjawiskami rządzą prawa:
•
odbicia:
α
α
=
=
α
α
I
I
•
załamania:
n
n
1
1
sin
sin
α
α
= n
= n
2
2
sin
sin
β
β
,
,
gdzie: α – kąt padania,
α
I
– kąt odbicia,
β – kąt załamania,
n
1
, n
2
– współczynniki załamania.
Dyfrakcja fal dźwiękowych.
Dyfrakcja fal dźwiękowych.
Uginanie się fal dźwiękowych następuje
,
,
gdy ich długość jest zbliżona do rozmiarów
przedmiotów lub jest od nich większa.
Dyfrakcja polega na tym, że pewna ilość
energii fali dociera do tej części przestrzeni,
która znajduje się w cieniu geometrycznym
przedmiotu. Natrafiając na przeszkodę fala
dźwiękowa „opływa” ją, docierając do
takich elementów przestrzeni, gdzie fala
świetlna tworzy cienie.
Interferencja fal dźwiękowych.
Interferencja fal dźwiękowych.
W zależności od właściwości fal
oddziałujących ze sobą może dojść do:
całkowitego wygaszenia,
powstania dudnienia,
powstania fali stojącej.
Fale stojące.
Fale stojące.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, „Podstawy fizyki 2”, str. 145, rys. 17.20
Rezonans akustyczny.
Rezonans akustyczny.
Rezonans czyli współdrganie zachodzi,
jeśli fala dźwiękowa napotykając na
ciało sprężyste zdolne do drgań o takiej
samej częstotliwości jak jej własna
wprawi je w drgania.
Wyróżnia się rezonans swobodny
i wymuszony.
Zjawisko to ma zastosowanie w
działaniu instrumentów muzycznych.
Zjawisko Dopplera.
Zjawisko Dopplera.
Jeśli następuje zmiana odległości między
źródłem fali dźwiękowej i obserwatorem,
to słyszana częstość różni się od faktycznej
częstotliwości źródła fali.
Częstotliwość pozorna f i rzeczywista f
0
powiązane są następującą zależnością:
f = f
f = f
0
0
∙(1±v/v
∙(1±v/v
0
0
)
)
,
gdzie: v
0
– prędkość fali dźwiękowej;
v – prędkość względna źródła i obserwatora.
Bibliografia.
Bibliografia.
M. Drobner, Akustyka muzyczna, Kraków,
PWM 1973.
D. Halliday, R. Resnick, Podstawy fizyki 2,
Warszawa, PWN 2003.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna,
Część I, PWN 1972.
F. Alton Everest, Podręcznik akustyki,
Katowice, Wydawnictwo Sonia Draga
2004.