Zbigniew Otremba, Wyższa Szkoła Morska w Gdyni

Pracownia fizyki - wprowadzenia metodyczne

S Z Y B K O Ś Ć D Ź W I Ę K U

Dźwięk

Ciśnienie akustyczne i natężenie dźwięku

Głos, głośność

Poziom głośności i zakres słyszalności

Fala biegnąca

Fala akustyczna

Fala stojąca

Rura Quincke'go

Zjawisko dudnień

Echo akustyczne

Pogłos

Hałas

Hydroakustyka

Geoakustyka

Aeroakustyka

Hertz Heinrich Rudolf

Dźwięk, fala akustyczna rozchodząca się w ośrodku sprężystym lub wrażenie słuchowe wywołane tą falą. Przyjmuje się, że człowiek słyszy dźwięki o częstościach od 16 Hz do 20 kHz. Drgania o mniejszej częstości to ultradźwięki a o wyższej ultradźwięki. Najłatwiej słyszalne są dźwięki o częstości ok. 1000 Hz.

Fizycznymi aspektami dźwięków są: jego widmo, natężenie, długość trwania dźwięku i zmiany w czasie. Ze względu na rodzaj widma dźwięki klasyfikuje się następująco:

1) ton (dźwięk prosty) - drganie sinusoidalne o jednej częstotliwości, fala monochromatyczna.

2) wieloton harmoniczny (dźwięk złożony) - drganie będące sumą drgań sinusoidalnych o częstościach będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowej.

3) wieloton nieharmoniczny - drganie będące sumą drgań o różnych częstotliwościach i amplitudach.

4) szum - dźwięk o ciągłym widmie czyli suma nieskończonej ilości dźwięków prostych.

Ciśnienie akustyczne, zmiany w czasie ciśnienia panującego w ośrodku wywołane przez zaburzenia o charakterze drgań (szybkozmienna składowa cisnienia). Ciśnienie akustyczne opisuje się jako amplitudę fali biegnącej się lub stojącą. Ciśnienie akustyczne odbieramy jako dźwięki. Dźwięki słyszalne dla człowieka to ciśnienia akustyczne mieszczące się w przedziale od 2∙10^-5 Pa do 2 Pa (dokładne granice tego przedziału zależą od częstotliwości dźwięku).

Natężenie dźwięku, natężenie akustyczne, uśredniona energia fali akustycznej padającej prostopadle na jednostkową powierzchnię.

Dla fali sinusoidalnej natężenie I wyraża się wzorem I = p²/2ρv, gdzie: p - amplituda ciśnienia akustycznego, ρ - gęstość ośrodka, v - szybkość rozchodzenia się fali akustycznej.

Jednostką natężenia dźwięku w układzie SI jest W/m².

Jednostką pochodną jest poziom natężenia dźwięku określający wartość natężenia dźwięku w skali logarytmicznej (w decybelach, dB), i=10lg(I/I_o), gdzie I_o=10^-12 W/m² jest umownie przyjętą wartością odniesienia.

Graficzne wyjaśnienie pojęcie ciśnienia akustycznego i natężenia fali akustycznej

Głos, dźwięk wydawany przez narząd głosu. Źródłem są drgania powietrza w górnych drogach oddechowych, które pobudzają do drgań struny głosowe (rozpięte wzdłuż bocznych ścian krtani). Tak więc drgania powstają w krtani, natomiast rezonacja zachodzi w nosogardzieli.

Częstliwość drgań (wysokość dźwięku) zależy od napięcia strun głosowych, a także od aktualnego kształtu i grubości strun głosowych, regulowanych przez mięśnie wewnętrzne krtani oraz mięśnie dochodzące do powierzchni zewnętrznej krtani.

Głośność, wielkość charakteryzująca subiektywne odczuwanie natężenia dźwięku przez człowieka (stanowi podstawę dla zróżnicowań dynamiki, czyli siły brzmienia w utworze muzycznym).

Głośność zależy od natężenia i częstotliwości dźwięku. Przy stałym natężeniu jako najgłośniejsze odbierane są dźwięki o częstotliwości 3-4 kHz, zaś jako najmniej głośne dźwięki o częstotliwości poniżej 100 Hz oraz powyżej 10000 Hz. Jednostką głośności jest son.

Poziom głośności, wielkość subiektywna, względna głośność dźwięku, odniesiona do progu słyszalności przy 1 kHz. Jednostką poziomu głośności jest fon.

Son, jednostka głośności. 1 son odpowiada 40 fonom przy częstotliwości dźwięku 1 kHz

Fon, subiektywna jednostka poziomu głośności wyrażona w skali decybeli, 1 fon odpowiada poziomowi głośności dźwięku o częstotliwości równej 1 kHz i o poziomie ciśnienia akustycznego 1 dB (1 fon = 1 dB, przy 1 kHz).

Fala akustyczna, zaburzenia mechaniczne ośrodka sprężystego, nie powodujące przesunięcia średnich położeń atomów ośrodka. W cieczach i gazach fala akustyczna jest falą podłużną, w ciałach stałych może być zarówno falą podłużną, jak i poprzeczną. W ujęciu bardziej tradycyjnym fale akustyczne to fale głosowe, czyli falowe podłużne zgęszczenia i rozrzedzenia powietrza odczuwane przez ucho ludzkie.

Fale akustyczne w płynie (ciecz, gaz) rozchodzą się z szybkością:

Szybkość rozchodzenia fal akustycznych w płynie (ciecz, gaz) z dobrym przybliżeniem można opisać zależnością:

gdzie: ρ - gęstość, κ - C_p/C_v = c_p/c_v, p - ciśnienie.

Natomiast w ośrodku stałym:

gdzie: ρ - gęstość, p - naprężenie.

Dla powietrza w warunkach normalnych u = 331,8 m/s, dla wody wynosi 1497 m/s, dla stali .... Obserwuje się słaby, nierównomierny wzrost prędkości fali akustycznej w funkcji jej częstotliwości (zjawisko dyspersji). Fale akustyczne podlegają prawu odbicia, załamania (refrakcji) oraz dyfrakcji i interferencji.

Fala biegnąca

Kształt funkcji opisującej falę biegnącą

Fala stojąca

Kształt funkcji opisującej falę stojącą

Zjawisko dudnień

Kształt funkcji opisującej zjawisko dudnień

Echo akustyczne, opóźniona fala akustyczna, docierająca z powrotem po odbiciu się od przeszkody. Dla usłyszenia w powietrzu przez człowieka echa akustycznego przeszkoda odbijająca musi znajdować się dalej niż 17 m, co odpowiada czasowi powrotu fali równemu 50 ms.

Przy krótszym interwale czasów emisji i powrotu fali rejestrujemy zjawisko pogłosu. Echo akustyczne wykorzystuje się w echosondach, hydrolokacji, defektoskopii.

Pogłos, rewerberacja, zjawisko fizyczne polegające na zanikaniu w pomieszczeniu dźwięku po jego wybrzmieniu. Spowodowane jest wielokrotnymi odbiciami fal dźwiękowych od ścian pomieszczenia, w którym znajduje się źródło dźwięku.

Niekiedy pogłosem nazywamy czas, po którego upływie natężenie zanikającego dźwięku będzie mln razy mniejsze. Istnieje także zjawisko sztucznego pogłosu, który wytwarzany jest przy pomocy urządzeń elektroakustycznych w celu symulacji pożądanej akustyki pomieszczenia.

Hałas, dźwięk szkodliwy lub niepożądany, ze względu na naturę procesu powstawania rozróżnia się hałas wibracyjny lub turbulentny, ze względu na zmiany czasowe rozróżnia się hałas stacjonarny, niestacjonarny, impulsowy i udarowy.

Wzorcowo hałas ocenia się korzystając z metody tzw. liczb N. Polega ona na porównaniu widma akustycznego danego hałasu z krzywymi, w przybliżeniu opisującymi wrażliwość akustyczną uchagłośność wyrażoną w fonach.

W praktyce stosuje się prostsze pomiary poziomu ciśnienia akustycznego wyrażanego w dB (decybelach). Za szkodliwy uważa się hałas przekraczający 85 dB. Długotrwałe oddziaływanie hałasu o wyższym poziomie ciśnienia akustycznego prowadzi do trwałych ubytków słuchu. Oprócz hałasu szkodliwego definiuje się hałas uciążliwy, o niższym poziomie ciśnienia akustycznego.

Dopuszczalne poziomy hałasu w danych warunkach określane są przez odpowiednie normy, np. w centrum miast w dzień nie powinien on przekraczać 60 dB (w nocy 50 dB), natomiast na terenach chronionych (parkach, uzdrowiskach, itp.) odpowiednio 40 i 30 dB.

Ucho ludzkie charakteryzuje się różną wrażliwością na hałasy o różnym widmie akustyczym, podane normy dotyczą hałasu o wzorcowym widmie akustycznym.

Hydroakustyka, ogół technik akustycznych służących lokalizowaniu przedmiotów zanurzonych w zbiornikach wodnych oraz określaniu głębokości i struktury dna.

Hydrolokacja, ogół technik akustycznych służących lokalizowaniu przedmiotów zanurzonych w zbiornikach wodnych.

Wyróżnia się hydrolokację pasywną i aktywną. Hydrolokacja pasywna polega na wykorzystywaniu pola akustycznego pochodzącego od lokalizowanego przedmiotu, w hydrolokacji aktywnej wykorzystuje się echo akustyczne przedmiotów, stosuje się fale ultradźwiękowe.

Geoakustyka, gałąź wiedzy i techniki zajmująca się wykorzystaniem zjawisk akustycznych dla potrzeb geologii i górnictwa (poszukiwanie nowych złóż, kontrola i zabezpieczanie wyrobisk górniczych itp.).

Aeroakustyka, nauka z pogranicza mechaniki płynów i akustyki, zajmująca się zjawiskami wytwarzania dźwięku przez przepływy gazu i rozchodzeniem się tego dźwięku w otoczeniu.

Do zagadnień wchodzących w zakres aeroakustyki należą też problemy związane ze zmniejszeniem mocy akustycznej dźwięku przez czynny wpływ na źródła hałasu aerodynamicznego aerodynamiczny hałas.

Do rozwoju aeroakustyki przyczyniły się badania nad skonstruowaniem szybkich samolotów pasażerskich, w których poziom hałasu wytwarzanego przez strumień wypływający z dyszy silnika odrzutowego, stanowi jeden z czynników decydujących o możliwościach eksploatacji samolotu. Podstawową teorię aerodynamicznego wytwarzania dźwięku podał 1952-54 matematyk brytyjski M.J. Lightill.

Aerodynamiczny hałas, dźwięk powstający w wyniku nieustaloności przepływu gazu. Wytwarzany jest przez swobodne przepływy gazu lub też ruchy ciał sztywnych znajdujących się w gazie (np. wirnik wentylatora). Zamiana energii kinetycznej przepływu na energię akustyczną może być spowodowana przez fluktuacje: masy gazu (np. dźwięk towarzyszący kawitacji), sił aerodynamicznych (np. na łopacie śmigła) lub naprężeń (np. turbulencja przepływu).

Źródłem powszechnie znanych dźwięków wydawanych przez przewody telegraficzne (tzw. tonów eolskich) jest okresowe odrywanie się wirów od opływanej powierzchni. Do najsilniejszych źródeł hałasu aerodynamicznego należą oscylacje fal uderzeniowych oraz te przepływy, w których wytworzony dźwięk (o określonej częstotliwości) oddziałuje z powrotem na przepływ, tworząc tzw. akustyczne sprzężenie zwrotne (np. w strumieniach wypływających z prędkością naddźwiękową z dysz silników odrzutowych).

Herc, HZ, w układzie SI jednostka częstotliwości. Jest to częstość drgania okresowego o okresie 1s, 1Hz = s^-1. Nazwa pochodzi od nazwiska fizyka niemieckiego H.R.Hertza.

Hertz Heinrich Rudolf (1857-1894), wybitny fizyk niemiecki, profesor politechniki w Karlsruhe i uniwersytetu w Bohn, odkrywca fal elektromagnetycznych i efektu fotoelektrycznego zewnętrznego, pionier radiokomunikacji.

Interesował się również mechaniką teoretyczną (m.in. sformułował zasadę najmniejszej krzywizny, równoważną Gaussa, będącą uogólnieniem prawa bezwładności Galileusza).

Drgania gasnące

Kształt funkcji opisującej zanik drgań tłumionych

---