Fale dźwiękowe

SPIS TREŚCI:



Fale dźwiękowe – co to
takiego?



Rodzaje fal dźwiękowych



Parametry ruchu falowego



Rozchodzenie się fal w
ośrodkach



Częstotliwość dźwięku



Poziom dźwięku



Wykorzystanie fal
dźwiękowych



Echolokacja

Fale dźwiękowe – co to
takiego?

Fale dźwiękowe, jak wszystkie fale mechaniczne, powstają w

wyniku drgań wytwarzanych najczęściej przez struny, pręty, płyty
i membrany, zamknięte lub otwarte słupy powietrza, a także
nagłe zagęszczenia lub rozrzedzenia powietrza (np. przy
wybuchach). Cząstki źródła dźwięku, drgając wokół swoich
położeń równowagi, wywierając nacisk na znajdujące się w ich w
bezpośrednim sąsiedztwie cząstki ośrodka i w ten sposób
wymuszając ich drgania. Drgające cząstki powodują na przemian
zagęszczania i rozszerzania ośrodka, czyli zmianę ciśnienia,
wytwarzając tym samym falę dźwiękową, którą można traktować
też jako falę zmian ciśnienia. Fala dźwiękowa jest więc falą
ciśnieniową, co oznacza, że wielkością, która doznaje zaburzenia
jest ciśnienie.

Rodzaje fal dźwiękowych

Fale dźwiękowe rozróżniamy ze

względu na zakres
częstotliwości.



infradźwięki – poniżej 16 Hz



dźwięki słyszalne – 16 Hz –
20 kHz



ultradźwięki – powyżej 20 kHz



hiperdźwięki – powyżej
10

Ze względu na duże amplitudy i

specyficzny ośrodek wyróżnia
się fale sejsmiczne, drgania
rozchodzące się w litosferze Ziemi.

Ze względu na kierunek ruchu fali w stosunku do kierunku

drgań cząsteczek ośrodka wyróżniamy fale podłużne i
poprzeczne.

Fala poprzeczna –> jeśli drgania cząsteczek ośrodka są prostopadłe

do kierunku rozchodzenia się fali. Fala poprzeczna sprężysta może
rozchodzić się w ośrodku mającym sprężystość postaci – w ciałach

stałych i na powierzchni cieczy.

Fala podłużna –> jeśli kierunek cząsteczek ośrodka jest zgodny z

kierunkiem rozchodzenia się fali.

- polega na rozchodzeniu się w ośrodku sprężystym zagęszczeń i

rozrzedzeń -> związana ze sprężystością objętościową

- mogą rozchodzić się w gazach, cieczach i ciałach stałych
- tutaj długość fali to odległość między kolejnymi zagęszczeniami lub

rozrzedzeniami.

Parametry ruchu
falowego

Długość fali – najmniejsza odległość między cząsteczkami ośrodka

objętego zaburzeniem falowym, których fazy drgań są takie same
(odległość między dwoma kolejnymi powierzchniami falowymi)

Amplituda - w ruchu drgającym i w ruchu falowym jest to największe

wychylenie z położenia równowagi. Jednostka amplitudy zależy od
rodzaju ruchu drgającego: dla drgań mechanicznych jednostką może
być

metr, jednostka gęstości lub ciśnienia (np. dla fali podłużnej). Im większa

amplituda tym fala niesie większą energię.

Okres - czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym,

czyli czas pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchu drgającego.
Okres fali równy jest okresowi rozchodzących się drgań. Dla fali oznacza
to odcinek czasu pomiędzy dwoma punktami fali o tej samej fazie, czyli
np. między dwoma kolejnymi szczytami lub dolinami

Częstotliwość - określa liczbę cykli zjawiska okresowego

występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką
częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada
występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy.

Pulsacja (częstość kołowa) - wielkość określająca, jak szybko

powtarza się zjawisko okresowe. Pulsacja jest powiązana z
częstotliwością (f) i okresem (T) poprzez następującą zależność:

Prędkość fali - prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku jest

zawsze stała.

Rozchodzenie się fal w
ośrodkach

Prędkość dźwięku w danym ośrodku zależy od

różnych czynników np. od naprężeń i gęstości
w przypadku ciał stałych, od temperatury w
przypadku gazów i cieczy. W stałych
warunkach prędkości dźwięku w różnych
ośrodkach są w miarę stabilne i określone.

np. (temp. 20°C, ciśnienie 101325 Pa):



stal - 5100 m/s



beton - 3800 m/s



woda - 1490 m/s



powietrze - 343 m/s

Prędkość harmonicznych fal

dźwiękowych można powiązać z
długością fali dźwiękowej, oraz jej
częstotliwością f, lub okresem T.

v = λ f

v - prędkość fali (dokładniej tzw. prędkość fazowa) dźwiękowej w danym ośrodku (jednostka w układzie SI - m/s)
T - okres fali (jednostka w układzie SI: sekunda - s)
λ - długość fali dźwiękowej (jednostka w układzie SI: metr - m)

Częstotliwość dźwięku

Pojęciem charakterystycznym

dla fali dźwiękowej jest
częstotliwość dźwięku.

Częstotliwość dźwięku  liczba drgań cząsteczek

ośrodka materialnego w danej jednostce czasu.
Wyrażana jest w hercach. Wiadomo, że w
środowisku człowieka generowane są dźwięki o
różnych częstotliwościach. Badania wykazały,
że dźwiękiem o najniższej częstotliwości jaki
może jeszcze wywoływać wrażenia słuchowe
jest dźwięk o częstotliwości f= 1000 herców.

Odpowiada mu wartość ciśnienia akustycznego

równa p= Pa.

Poziom dźwięku

Użyteczną skalą do określania poziomu dźwięku jest tzw.

poziom natężenia dźwięku wyrażony w decybelach.
Poziomy natężenia dźwięków wokół człwoieka:



0 dB - granica słyszalności



10 dB - szept



35 dB - cicha muzyka



45 dB -spokojna rozmowa



65 dB - odkurzacz



90 dB - dźwięk budzika



110 dB - hałas na ruchliwej ulicy w godzinach szczytu



120 dB - poziom natężenia dźwięku w dyskotece, dźwięk
młota pneumatycznego



130 dB - granica bólu

Wykorzystanie fal
dźwiękowych



Zastosowanie fal dźwiękowych w
przyrodzie:
- wykorzystuje się je do różnego typu
echosond, sonarów czy hydrolokatorów
- wykrywania ławic ryb
- mierzenia głębokości
- badania dna morskiego
- w stacji radiowe

- przy porozumiewaniu się pilotów

Fale dźwiękowe dzielą się na:

- fale infradźwiękowe - odbierane
są przez ryby i zwierzęta morskie,
powstają one przy trzęsieniu ziemi
- fale ultradźwiękowe -
(stosowane w medycynie,
komunikacji), a delfiny i nietoperze
wykorzystują je do lokalizacji i
identyfikacji otaczających ich
obiektów.

Echolokacja

Echolokacja  sposób
ustalania przez niektóre
organizmy żywe swego
położenia względem
otaczających je przedmiotów,
polegający na wysyłaniu (do
150 kHz a czasem więcej, są
to tzw. piski ultradźwiękowe) i
odbieraniu sygnałów
akustycznych odbitych od
otoczenia.

Zdolność echolokacji, pozwalającą na
swobodne poruszanie się między
przeszkodami, a także na zdobywanie
pokarmu, posiadają niektóre
zwierzęta prowadzące nocny tryb
życia lub żyjące w niekorzystnych
warunkach oświetlenia,
np. delfiny, nietoperze.

Nietoperze w czasie lotu
wydają średnio 20-30
ultradźwięków na sekundę,
natomiast gdy zbliżają się
do przeszkody ok.
200/sekundę. Potrafią
bezbłędnie odróżnić echo
własnych dźwięków od
innych, nawet o tej samej
częstotliwości. Odbioru
własnych sygnałów nie
zakłócają nawet hałasy
otoczenia.