Fale dźwiękowe.
Ciśnienie akustyczne.

Przygotowała:
Magdalena Pyra

Fale dźwiękowe

Zaburzenie mechaniczne rozchodzące

się w ośrodku sprężystym obdarzonym
masą i przenoszące energie.

Ośrodki sprężyste



Powietrze ( i inne mieszaniny gazów )



Ciecze



Metale

Fale akustyczne



Dźwięki słyszalne ( 20Hz- 20 000
Hz )



Ultradźwięki ( większe niż 20
000Hz )



Infradźwięki ( mniejsze niż 20
Hz )

Fala akustyczna nie

przenosi masy !!!!

Średnie położenie cząsteczek

ośrodka nie ulega zmianie podczas
przemieszczania się fali dźwiękowej

Propagacja dźwięku

Dźwięki rozprzestrzeniają się w ośrodkach

sprężystych

1.

Chwilowe lokalne zagęszczenie.

Membrana głośnika poruszając się na

zewnątrz powoduje ściśniecie cząsteczek

powietrza znajdujących się w najbliższym

sąsiedztwie

( gęstość i p rosną )

1.

Chwilowe lokalne rozrzedzenie.

Ruch membrany do wewnątrz przyczynia

się do chwilowego zmniejszenia gęstości

ośrodka.

Fala dźwiękowa jest falą podłużna

Ciśnienie akustyczne (p)

Różnica miedzy aktualna wartością

ciśnienia P

(panującego danym miejscu

ośrodka, chwilowego), a

ciśnieniem P

0

panującym wówczas gdy ośrodek był w
równowadze.

p= P - P

0

P

0

= ciśnienie atmosferyczne

Ciśnienie akustyczne obserwowane w

jednym punkcie jest zależne jedynie od

czasu.

Okres T –

najkrótszy czas w którym,

startując od zera, ciśnienie przechodzi
przez wszystkie swoje wartości.

Częstotliwość f-

odwrotność okresu

Prędkość fali akustycznej

w różnych ośrodkach.

Opór akustyczny.

Opracowała Agnieszka

Wasik

Prędkość rozchodzenia
się dźwięków w
ośrodkach zależy od
własności tego ośrodka
takich jak:

- jego sprężystość

objętościowa

- gęstość

Zależność
prędkości od
tych
parametrów:

B to moduł
sprężystości
objętościowej
p to
gęstość

Prędkość rozchodzenia się
dźwięków w ośrodkach:
Powietrze 330 m/s
Lód 3300 m/s
Woda 1450 m/s
Żelazo 5130 m/s
Granit 6000 m/s

Ośrodek absorbuje część energii
rozchodzącej się fali, co prowadzi do
jej osłabienia. Natężenie fali
dźwiękowej maleje ekspotencjalnie
wraz ze wzrostem grubości
przenikanej warstwy X, zgodnie z
prawem absorbcji:

to początkowa wartość natężenia

fali

to współczynnik pochłaniania

Wielkości, które
charakteryzują
zdolność ośrodka
do pochłaniania
fal dźwiękowych
to:

- współczynnik

pochłaniania

- grubość warstwy

połowiącej



Jest to taka
grubość warstwy
ośrodka, która
spowoduje
zmniejszenie
natężenia fali o
połowę.

Na granicy ośrodków, które różnią

się własnościami, fala ulega :

ODBICIU

i

ZAŁAMANIU

Kąt padania = kąt odbicia
Stosunek sin kąta padania i

załamania = = stosunkowi

prędkości rozchodzenia się fal w obu

ośrodkach
Fala padająca, odbita i załamana

rozchodzi się w jednej płaszczyźnie

Odbicie i złamanie fali na

granicy ośrodków:

Zachodzi

jednocześnie
Proporcja

oraz proporcja

Zależą od własności

ośrodków

Opór akustyczny

Iloczyn prędkości
rozchodzenia się
fali i gęstości
ośrodka

Z = V p

Opór akustyczny
jest formalnym
odpowiednikiem
oporności
elektrycznej

Stosunki oraz
zależą od oporów
akustycznych oraz

graniczących ze sobą

ośrodków

Im mniejsza jest różnica
czyli im bliższe są sobie wartości
oporów akustycznych, tym lepiej
fala będzie przechodziła z jednego
ośrodka do drugiego.

Przy nieznacznej różnicy między

oporami akustycznymi sąsiadujących
ośrodków fala padająca przejdzie do
drugiego ośrodka w większości, a
jedynie mała jej część ulegnie odbiciu.

Na granicy ośrodków nieznacznie
różniących się oporem akustycznym,
część fali ulegnie odbiciu, a
natężenie fali przechodzącej głębiej
będzie ulegało zmniejszeniu.



Opór akustyczny

Znacznie różni się od

oporu ośrodka

poprzedzającego,

dlatego fala na granicy

ulega odbiciu.

Podobna sytuacja ma miejsce, gdy
weźmiemy pod uwagę akustyczne
własności wnętrza ludzkiego ciała.
Większość tkanek posiada niewiele
różniące się od siebie opory
akustyczne.

Odbicie fali dźwiękowej
będzie przeważało na granicy
takich ośrodków
jak

W pozostałych przypadkach
większość fali będzie
przechodziła z jednego ośrodka
do drugiego, ulegając na granicy
nieznacznemu odbiciu.

Fala odbita na granicy ośrodków
wraca po czasie do źródła
dając efekt ECHA.

Zakładając, że prędkość fali jest

stała między źródłem, a granicą
ośrodków oraz znając czas
powrotu echa można obliczyć
odległość między źródłem,

a odbijającą granicą.

Organizm człowieka jest
przykładem ośrodka, który
składa się z wielu warstw,
różniących się w małym stopniu
oporami akustycznym, ale nie
różniącymi się istotnie
prędkościami rozchodzenia się
fali.



Powstałe echa będą

powracały do źródła

z czasem,

zależącym

wyłącznie od

odległości między

granicą a źródłem

.



Odbicia mogą

powstawać na

każdej granicy

między warstwami

Gdy fala rozchodzi się w postaci
skoncentrowanej wiązki

efekt

echa

możemy zarejestrować w

miejscu wysłania fali

, pod

warunkiem,
że

powierzchnia odbijająca

leży prostopadle do kierunku
rozchodzenia się fali.

Wpływ powierzchni granicznej

między

ośrodkami na EFEKT ECHA

Natomiast, jeśli

skoncentrowana

wiązka

odbije się od

powierzchni

chropowatej

,

ale

nie

prostopadłej

do kierunku

rozchodzenia się fali, dojdzie do

rozproszenia

odbitej fali i

wówczas możliwe będzie

wykrycie

echa w miejscu wysłania fali.

Zjawisko Dopplera.

Opracowała Agnieszka

Falkowska

Efekt Dopplera

Zmiana częstotliwości oraz długości fali

zarejestrowana przez obserwatora, który

porusza się relatywnie względem źródła fali.

Fale, które rozprzestrzeniają się w ośrodku,

tak jak na przykład fale dźwiękowe,

prędkość obserwatora i źródła są rozważane

względem ośrodka, w którym te fale są

emitowane.

Źródło fal poruszające się w lewo. Obserwowana

częstotliwość jest wyższa po lewej, a niższa po prawej.

Ruch odbywa się po prostej

łączącej źródło dźwięku i

odbiornik

Gdy źródło jest nieruchome, a odbiornik
przybliża się do niego ze stałą prędkością,
rejestrowany będzie dźwięk o częstotliwości
v większej od vo, zaś gdy odbiornik będzie
się oddalał od źródła, rejestrowany będzie
dźwięk o częstotliwości mniejszej od v

o

.

Efekt ten spowodowany jest przez to, że przy
zbliżaniu się odbiornik porusza się w
kierunku przeciwnym do kierunku
rozchodzenia się fali i częściej napotyka
kolejne powierzchnie falowe, zaś przy
oddalaniu „ucieka” przed falą i rzadziej
napotyka kolejne powierzchnie falowe.

Poruszać może się zarówno odbiornik
jak i źródło fali, wówczas korzystamy
ze wzoru.

v=vo(c+/-v)/(c+/-u)

Obserwator i źródło fali poruszają

się względem siebie. Podczas

jednego okresu fali T

0

, źródło

przebywa drogę:

s = v

zr

T

0

,

gdzie:

s - droga,
v

zr

– pr

ę

dko

ść ź

ród

ł

a wzgl

ę

dem

obserwatora,

T

0

- okres fali generowanej przez

źródło

Zmiana długości fali dla określonej prędkości źródła

ZASTOSOWANIE

Dźwięk jadącej sąsiednią ulicą

miasta (nie wprost na obserwatora)

karetki najpierw jest wysoki, kiedy

ta jest daleko, obniża się stopniowo

w miarę jazdy karetki. Efekt ten

powstaje

na

skutek

zmiany

składowej promieniowej prędkości

karetki. Gdy karetka nie jedzie

wprost na obserwatora, tylko po

prostej przebiegającej w pewnej

odległości

od

obserwatora,

to

prędkość

karetki

nie

jest

skierowana wprost na obserwatora.

Zgodnie z rysunkiem nie cały

wektor prędkości wnosi wkład do

efektu Dopplera. Znaczenie ma

tylko

składowa

promieniowa

(przybliżanie/oddalanie

się

od

karetki). Zmienia się ona, zależnie

od kąta między kierunkiem jazdy

łączącym karetkę z obserwatorem, a

kierunkiem

ruchu

karetki

od

obserwatora.

Efekt ten powoduje, że pomiar

radaru policyjnego dokonany pod

kątem

do

kierunku

jazdy

samochodu

jest

mniejszy

od

rzeczywistej prędkości samochodu.

W astronomii

Efekt Dopplera zachodzący

dla światła gwiazd i innych

obiektów astronomicznych

ma ogromne zastosowanie

w

spektroskopii

astronomicznej.

Światło

gwiazdy

charakteryzują

linie widmowe zależne od

znajdujących się w nich

atomów.

Jeżeli

gwiazda

oddala się (ucieka) od

obserwatora,

to

linie

widmowe będą przesunięte

w

kierunku

czerwieni

(większych długości).

Radar

Na efekcie Dopplera opiera się zasada działania radaru

dopplerowskiego. Jeżeli fale radiowe odbijają się od

ruchomego obiektu, to ich częstotliwość jest inna niż fali

padającej. Pomiar zmiany częstotliwości odbitej fali

pozwala na bardzo precyzyjny pomiar prędkości

przedmiotów odbijających promieniowanie mikrofalowe

lub podczerwone. Radary dopplerowskie stosowane są w

meteorologii do wykrywania ruchu chmur i powietrza.

Radary używane przez policję do pomiaru prędkości

opierają się na takiej zasadzie. Jeżeli radar jest

umieszczony w poruszającym się samochodzie policji, to

dodatkowo do pomiaru musi być dodana prędkość
pojazdu policji

.

Diagnostyka medyczna

W obrazowych badaniach diagnostycznych z wykorzystaniem

efektu Dopplera cenną informację daje nie tylko kształt

anatomicznych struktur, lecz także kierunek i prędkość

niektórych

poruszających

się

tkanek.

Zdecydowanie

najważniejsze znaczenie ma wizualizacja i kwantyfikacja ruchu

krwi przepływającej w sercu i naczyniach krwionośnych, a także

praca serca.

Udoskonaleniem

konwencjonalnych

aparatów

ultrasonograficznych

było

wprowadzenie

ultrasonografii

dopplerowskiej.

Jeżeli

głowica

ultradźwiękowa

potrafi

rejestrować nie tylko opóźnienie echa wysyłanego dźwięku, lecz

również jego wysokość, to na obrazie można kolorami pokazać

ruch ciała. Jeżeli chce się zaobserwować bicie serca płodu, aby

postawić diagnozę jeszcze w okresie prenatalnym, staje się to

bezcenną informacją.

Po umieszczeniu głowicy ultradźwiękowej w przełyku możliwe

jest dokładniejsze badanie struktur serca, nieprawidłowości

budowy i przepływ krwi. Ultrasonografia dopplerowska jest

szczególnie przydatna w diagnostyce wad serca.

Efekt Dopplera wykorzystywany jest także w metodzie laserowo-

dopplerowskiego pomiaru ukrwienia skóry która pozwala na nie

inwazyjny pomiar stopnia ukrwienia tkanek skóry właściwej

przy diagnozowaniu takich schorzeń jak cukrzyca czy zespół

Reunald.