Fale dźwiękowe, infradźwięki, ultradźwięki, echo, pogłos, natężenie dźwięku, sposoby smniejszania hałasu
Różne dźwięki towarzyszą nam co dnia.
Dzięki nim większość ludzi może się ze sobą porozumiewać. Słyszymy głos innych ludzi, ale także głosy zwierząt, różne sygnały generowane przez rozmaite urządzenia. Takie sygnały mogą być dla nas informacją bądź ostrzeżeniem i mogą mieć duże znaczenie dla ludzi i ich środowiska.
Nie zastanawiamy się nigdy, jak to się dzieje, że słyszymy różne odgłosy natury i potrafimy odpowiednio i z korzyścią dla siebie na nie reagować. A sprawa jest dosyć prosta. Każdy ruch w przyrodzie, nawet zwykłe uderzenia kropli deszczu w powierzchnię liści na drzewach powoduje, że w powietrzu zaczynają rozchodzić się fale dźwiękowe inaczej akustyczne. Pamiętamy, że innymi słowami możemy te fale nazwać ruchem cząsteczek powietrza - rozchodząc się, prędzej czy później fale te trafią do naszego ucha, a ono jest organem doskonale przystosowanym do odbioru takich fal.
Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić trzy rodzaje tych fal:
Infradźwięki to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt mała aby mógł usłyszeć je człowiek. Jest to zakres częstotliwości poniżej 20 Hz. Infradźwięki maja bardzo dużą długość fali - powyżej 16 m, co powoduje, że mogą omijać przeszkody i przenosić się na ogromne odległości. Infradźwięki są wykorzystywane przez słonie i wieloryby do komunikacji na duże odległości.
Dźwięki słyszalne to rodzaj fal dźwiękowych, które słyszy człowiek. Dla większości ludzi jest to zakres częstotliwości od 10 Hz do 20 kHz.
Ultradźwięki to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek. Dla większości ludzi są one wyższe niż 20 kHz. Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, szczur, delfin, wieloryb czy nietoperz.
Echo
W wyniku odbicia fal dźwiękowych występuje zjawisko zwane echem. Obserwujemy je wtedy, gdy fala dźwiękowa napotyka na swojej drodze przeszkodę, odbija się od niej i wraca do ucha obserwatora powodując powtórzenie wrażenia dźwiękowego. Nie każde jednak odbicie fali powoduje echo. Zjawisko to występuje tylko na dużych przestrzeniach. W małych pomieszczeniach ściany są zbyt blisko by można bylo usłyszeć echo
Z odbiciem fal dźwiękowych związane jest zagadnienie akustyki pomieszczeń czyli tak zwany pogłos. Jest to czas w jakim dźwięk zanika w pomieszczeniu zamkniętym. Czas pogłosu zależy od wymiarów pomieszczenia. Zjawisko to występuje na klatkach schodowych, na korytarzach, w pustych pomieszczeniach.
Natężenie dźwięku
Poziom natężenia dźwięku określa się w jednostach zwanych belami (B).
W praktyce stosuje się jednak mniejszą jednostkę decybele (dB)
Dla przykładu szum liści to 10 dB
Rozmowa to 30 - 60 dB
Orkiestra 50 - 70 dB
Start odrzutowca 120 - 140 dB
Start Rakiety 150 - 190 dB
Sposoby zmniejszania hałasu i ochrona środowiska przed nim
Gdybyśmy potrafili cofnąć się w czasie, bylibyśmy zaskoczeni niezwykłą ciszą, jaka panowała niegdyś na Ziemi. Postęp techniczny przyniósł nie tylko korzyści - wraz z nim w nasze życie wtargnął wszechobecny zgiełk. Niektórzy czują się przytłoczeni nie tyle nim samym, co faktem, że nie można przed nim nigdzie uciec.
Pomyślmy, jakie hałasy musimy znosić każdego dnia. Wokół warczą samochody i autobusy, dudnią maszyny w fabrykach i na budowach, nad głowami przelatują samoloty. A w domu? Na przemian hałasują telewizory, radia, wieże stereo, pralki i przyrządy kuchenne. Tymczasem nieustanny zgiełk odbija się na naszym zdrowiu.
Jego negatywne skutki to:
a) obniżenie sprawności i chęci działania oraz wydajności pracy,
b) niemożność komunikowania się,
c) trudności w koncentracji i uczeniu się
d) rosnące zachorowania na głuchotę zawodową i chorobę wibracyjną.
Pamiętajmy, że walka z hałasem to istotny element ochrony naszego środowiska.
Na szczęście istnieją różne sposoby powodujące wyciszenie:
• W samochodach i głośno pracujących maszynach powinno się montować tłumiki;
• O ile to możliwe, urządzenia mechaniczne w domu i zakładzie pracy należy instalować w osobnych pomieszczeniach;
• Telewizory, radia i wieże stereo należy ustawiać na możliwie niski poziom głośności;
• Do budowy domów powinno się używać dźwiękoszczelnych materiałów. Podwójne szyby w oknach i specjalny materiał wewnątrz ścian tłumią hałas docierający do naszych domów z zewnątrz. Wyciszającą rolę spełniają również dywany.
• Montowanie ekranów dźwiękochłonnych
• Budowanie obwodnic przenoszących ruch pojazdów samochodowych z dala od centum miast
• Sadzenie ochronnych pasów zieleni w miastach i przy drogach.
Dźwięk - fale dźwiękowe.
W życiu codziennym człowiek spotyka się z wieloma różnymi dźwiękami i odgłosami. Nasze ucho jest doskonale przystosowane do odbierania tych fal głosowych. Dzięki małżowinie usznej dźwięki z naszego otoczenia wpadają do kanału słuchowego, gdzie wprawiają w ruch błonę bębenkową i przedostają się dalej ślimakiem do nerwów słuchowych. Potem przechodzą do ośrodka słuchu w korze mózgowej (płat skroniowy), gdzie są odbierane i interpretowane. Nauka zajmująca się własnościami dźwięku nazywana jest akustyką.
Dźwięk to po prostu fale rozchodzące się w powietrzu, które mogą być zidentyfikowane przez nasze uszy. Fale dźwiękowe można porównać do fale wody, z tą tylko różnicą, że poruszają się szybciej, około 1224 km/h oraz rozchodzą się w trzech płaszczyznach. Ciała wytwarzają dźwięki, drgając lub szybko poruszając się tam i z powrotem. W ten sposób w otaczającym powietrzu powstają fale dźwiękowe. Prawie każde ciało może drgać, wytwarzając dźwięki. Niekiedy drgania te można zauważyć gołym okiem. Dźwięki są drganiami, które odbieramy za pomocą słuchu. Inaczej niż w przypadku promieniowania elektromagnetycznego, dźwięk musi rozchodzić się w ośrodkach stałym, ciekłym lub gazowym.
Wśród wrażeń słuchowych rozróżniamy tony, dźwięki i szmery. Tony odpowiadają drganiom harmonicznym źródeł o jednej, ściśle określonej częstotliwości. Dźwięki powstają wtedy, gdy źródło, prócz fali podstawowej, o częstotliwości najmniejszej wysyła fale harmoniczne o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości fali podstawowej.
Szmery zaś SA to wrażenia słuchowe powstające wtedy, gdy do ucha dochodzą fale o różnych, dowolnych częstotliwościach. Nakładanie się bardzo dużej liczby tonów o dowolnej charakterystyce prowadzi do wrażenia hałasu. Tony proste występują niesłychanie rzadko. Dźwięk wydawany przez kamerton jest zbliżony do tonu prostego, gdyż jego składowe drgania harmoniczne są stosunkowo bardzo słabe w porównaniu z tonem podstawowym
Dźwięk to zaburzenie falowe w ośrodku sprężystym zdolne do wywołania wrażenia słuchowego, a także wrażenie słuchowe wywołane tym zjawiskiem. Dźwięki stanowią zachodzące z odpowiednią częstotliwością zmiany ciśnienia akustycznego. Źródłem dźwięku są ciała drgające i zawirowania powietrza. Dla człowieka słyszalne są dźwięki w zakresie częstotliwości 16 Hz - 20000Hz. Dźwięki o częstotliwości mniejszej to infradźwięki, większych ultradźwięki, hiperdźwięki.
Dźwięki mogą się różnić wysokością, natężeniem i barwą.
Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością drgań źródła: częstotliwością małym odpowiadają dźwięki niskie i odwrotnie. O wysokości często decyduje częstotliwość tonu podstawowego. Częstotliwość to liczba zderzeń lub cyklów danego zjawiska okresowego w jednostce czasu, na przykład w ciągu jednej sekundy. W przypadku przesuwającej się fali jest to ilość grzbietów fal, przechodzących przez wybrany punkt w jednostce czasu. Częstotliwość mierzy się w hercach (Hz). Częstotliwość jednego herca oznacza, że na jedną sekundę przypada jedno zderzenie. Jest liczbowo równa odwrotności okresu drgań
Natężenie dźwięku mierzy się ilością energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ustawionej prostopadle do promienia fali. Natężenie dźwięku wyraża się J/m2*s lub W/m2.
Trzecia cecha dźwięku, barwa dźwięku, wiąże się z jego złożonością. Częstotliwość barwie odbieranego dźwięku decydują: liczba składowych tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń. Różnice barwy można ustalać za pomocą słuchu a także badać je obiektywnie porównując krzywe zależności wychyleń źródła od położenia równowagi od czasu. Taka krzywa w przypadku źródła tonu prostego ma kształt sinusoidy. Ustalając liczbę występujących w danym dźwięku tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń otrzymujemy charakterystykę danego dźwięku w postaci widma akustycznego.
Podstawowe zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal dźwiękowych:
1. Odbicie fal dźwiękowych. Gdy fala napotyka na swej drodze nieprzenikliwą przeszkodę ulega odbiciu według ogólnych praw odbicia fal. Czasem zjawisku odbicia dźwięku towarzyszy wytworzenie się echa gdy fala głosowa po odbiciu powraca do ucha obserwatora. Z odstępu czasu upływającego między nadaniem fali dźwiękowej i jej odbiorem w postaci echa można wnioskować o odległości przeszkody odbijającej do ucha obserwatora.
2. Załamanie fal głosowych. Przejściu fali głosowej do ośrodka o innej prędkości rozchodzenia się dźwięku towarzyszy na ogół zjawisko załamania podlegające również ogólnym prawom załamania.
3. Interferencja fal dźwiękowych. Jeżeli w danym ośrodku spotykają się dwie lub więcej fal głosowych o jednakowej częstotliwości, występuje zjawisko interferencji. W wyniku interferencji można otrzymać wzrost lub zmniejszenie wychyleń poszczególnych cząstek ośrodka od położenia równowagi, zależnie od różnicy faz nakładających się fal. Zwiększenie amplitudy drgań odpowiada wzrostowi natężenia tonu.
4. Dudnienie. Dudnieniem nazywamy nakładanie się dwóch dźwięków o różniących się w niewielkim stopniu częstotliwościach (ucho ludzkie jest w stanie usłyszeć różnice do 7 Hz)
5.Pogłos. Gdy dźwięk odbija się od ścian w pomieszczeniu, zwykle ma do przebycia stosunkowo niewielką odległość. Kolejne odbite dźwięki docierają do naszych uszu tak szybko po sobie, że nie odbieramy ich jako wyraźnego echa. Dźwięk taki może wędrować po pomieszczeniu ulegając wielokrotnemu odbiciu od ścian, szczególnie, gdy są one wyłożone bardzo twardym materiałem, jak na przykład kafelki w łazience. Wtedy poszczególne echa nakładają się na siebie przedłużając trwanie dźwięku. Zjawisko to nosi nazwę pogłosu. Jest zjawiskiem akustycznym. Miarą pogłosu jest czas trwania. Czas pogłosu jest jedną z podstawowych wielkości określających warunki akustyczne sal koncertowych, studiów.
Zakres słyszalności
Człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwościach od około 20 Hz do około 20 kHz (20000 Hz). Takie dźwięki nazywamy słyszalnymi. Dźwięki o niższych częstościach powodują wyraźnie odczuwalne drgania ciała i są raczej odczuwane niż słyszane. Górna granica zakresu słyszalności jest cechą osobniczą i obniża się z wiekiem. Dla porównania nietoperze słyszą dźwięki w zakresie od 1 do 100 kHz. Z częstością Dźwięku związana jest ściśle wysokość słyszanego tonu. Fala Dźwiękowa o niskiej częstości jest słyszana jako głęboki i niski głos - bas. Przeciwnie, dźwięk o wysokiej częstości, wysoki i przenikliwy - sopran.
Ultradźwięki
Dźwięki o częstotliwości większej niż górna granica częstotliwości dźwięku słyszalnego przez człowieka nazywamy ultradźwiękami. Jest to zaburzenie falowe rozchodzące się w środowisku sprężystym, związane z drganiami akustycznymi o częstotliwościach większych niż 20 Hz. Górna granica słyszalności u zwierząt jest niekiedy wyższa (na przykład pies może być przywoływany do właściciela za pomocą ultradźwiękowego gwizdka, którego dźwięku nie słyszą ludzie, także nietoperz wysyła ?piski? niesłyszalne przez człowieka). Ultradźwięki stosowane są w technice (między innymi w badaniach nieniszczących, obróbce materiałów), echolokacji, medycynie (ultrasonografia). W przyrodzie ultradźwięki występują jako składniki szumów naturalnych (wiatru, morza, deszczu i innych), także jako głosy świata zwierzęcego (nietoperzy, delfinów).
Infradźwięki
Są to poddźwięki, fale sprężyste nie wywołujące u człowieka wrażenia dźwięku, o częstotliwości mniejszej niż 16 Hz. Źródłem infradźwięków są: wyładowania atmosferyczne (pioruny), wiatr, różnego rodzaju eksplozje, trzęsienia ziemi, duże elementy drgające konstrukcji i urządzeń mechanicznych itp. Infradźwięki są słabo tłumione i rozchodzą się na duże odległości. Są wykorzystywane do wyznaczania miejsc wybuchów, w badaniach warstw atmosfery, hydrosfery i skorupy Ziemi. Infradźwięki o dużych natężeniach wpływają ujemnie na organizmy żywe.
Decybele
Decybel (dB) jest jednostką równą 0,1B (bela), określającą stosunek dwóch wartości pomiaru tej samej wielkości fizycznej, na przykład natężenia dźwięku. Zwykle jedna z tych wartości jest ustalona i nazywana poziomem odniesienia. Zwykle za poziom odniesienia odbieramy natężenie dźwięku ledwo słyszalnego, czyli tzw. próg słyszalności.
Zjawisko Dopplera
Jeżeli źródło dźwięku porusza się względem obserwatora to następuje pozorna zmian częstotliwości dźwięku odbieranych przez obserwatora. Gdy źródło oddala się od obserwatora to długość fal docierających do niego wzrasta a częstotliwość maleje (dźwięk niższy). Gdy źródło zbliża się do obserwatora długość fali maleje, a częstotliwość rośnie (dźwięk jest wyższy). Jeżeli źródło porusza się z prędkością większą od prędkości dźwięku to powstaje tzw fala uderzeniowa o kształcie stożka na powierzchni, którego następuje skokowa zmiana ciśnienia, gęstości ośrodka i temperatury.
Dźwięk
W życiu codziennym człowiek spotyka się z wieloma różnymi dźwiękami i odgłosami. Nasze ucho jest doskonale przystosowane do odbierania tych fal głosowych. Dzięki małżowinie usznej dźwięki z naszego otoczenia wpadają do kanału słuchowego, gdzie wprawiają w ruch błonę bębenkową i przedostają się dalej ślimakiem do nerwów słuchowych. Potem przechodzą do ośrodka słuchu w korze mózgowej (płat skroniowy), gdzie są odbierane i interpretowane. Nauka zajmująca się własnościami dźwięku nazywana jest akustyką.
Dźwięk? to po prostu fale rozchodzące się w powietrzu, które mogą być zidentyfikowane przez nasze uszy. Fale dźwiękowe są jak fale wody, z tą tylko różnicą, że poruszają się szybciej, około 1224 km/h. Ciała wytwarzają dźwięki, drgając lub szybko poruszając się tam i z powrotem. W ten sposób w otaczającym powietrzu powstają fale dźwiękowe. Prawie każde ciało może drgać, wytwarzając dźwięki. Niekiedy drgania te można zauważyć gołym okiem. Dźwięki są drganiami, które odbieramy za pomocą słuchu. Inaczej niż w przypadku promieniowania elektromagnetycznego, dźwięk musi rozchodzić się w ośrodkach stałym, ciekłym lub gazowym.
Dźwięk, zaburzenie falowe w ośrodku sprężystym zdolne do wywołania wrażenia słuchowego, a także wrażenie słuchowe wywołane tym zjawiskiem. Dźwięki stanowią zachodzące z odpowiednią częstotliwością zmiany ciśnienia akustycznego. Najniższa wartość ciśnienia akustycznego (przy częstotliwości 1000 Hz) wykrywanego przez ucho ludzkie (tzw. próg słyszalności). Źródłem dźwięku są ciała drgające i zawirowania powietrza. Dla człowieka słyszalne są dźwięki w zakresie częstotliwości 16 Hz ? 20 kHz. Dźwięki o częstotliwości mniejszej to infradźwięki, większych ultradźwięki, hiperdźwięki.
Fale
Falą nazywa się impuls lub serię impulsów, które przenoszą energię bez przenoszenia masy. Fale elektromagnetyczne, jak na przykład światło, to impulsy energii elektromagnetycznej, przechodzące przez pustą przestrzeń. W falach dźwiękowych i wodnych drgania są przekazywane od jednej cząsteczki do drugiej poprzez powietrze lub wodę.
Fale dźwiękowe
Dźwięki rozprzestrzeniają się w postaci fal ? zaburzeń ośrodka. Zaburzenia mają formę zmian ciśnienia powietrza. Najwyższe dźwięki mają najwyższą częstotliwość (większa ilość drgań fal dźwiękowych w jednej sekundzie).
Dźwięki niskie posiadają niższą częstotliwość (fale są w większej od siebie odległości). Głośność dźwięku zależy od wielkości fali.
Ilość drgnięć ciała, lub pełnych cykli zmiany ciśnienia w ciągu sekundy nazywamy częstotliwością dźwięku. Jednostką częstotliwości jest herc (Hz) ? 1 Hz oznacza jedno drgnięcie w ciągu sekundy.
Fale sprężyste
Fale akustyczne, rozchodzące się w ośrodku materialnym zaburzenia stanu naprężeń (ciśnień). Przenoszeniu ulega energia mechaniczna cząstek drgających wokół swych położeń równowagi. Prędkość przenoszenia energii (rozchodzenia się zaburzenia, czyli prędkość rozchodzenia się fal sprężystych) zależy od rodzaju ośrodka, temperatury, kierunku rozchodzenia się fali ( w ośrodkach anizotropowych) i jest nazywana prędkością dźwięku w danym ośrodku.
Częstotliwość< br />
Częstotliwość to liczba zderzeń lub cyklów danego zjawiska okresowego w jednostce czasu, na przykład w ciągu jednej sekundy. W przypadku przesuwającej się fali jest to ilość grzbietów fal, przechodzących przez wybrany punkt w jednostce czasu. Częstotliwość mierzy się w hercach (Hz). Częstotliwość jednego herca oznacza, że na jedną sekundę przypada jedno zderzenie. Jest liczbowo równa odwrotności okresu drgań.
Ultradźwięki
Dźwięki o częstotliwości większej niż górna granica częstotliwości dźwięku słyszalnego przez człowieka nazywamy ultradźwiękami. Jest to zaburzenie falowe rozchodzące się w środowisku sprężystym, związane z drganiami akustycznymi o częstotliwościach większych niż 20 Hz. Górna granica słyszalności u zwierząt jest niekiedy wyższa (na przykład pies może być przywoływany do właściciela za pomocą ultradźwiękowego gwizdka, którego dźwięku nie słyszą ludzie, także nietoperz wysyła ?piski? niesłyszalne przez człowieka). Ultradźwięki stosowane są w technice (między innymi w badaniach nieniszczących, obróbce materiałów), echolokacji, medycynie (ultrasonografia). W przyrodzie ultradźwięki występują jako składniki szumów naturalnych (wiatru, morza, deszczu i innych), także jako głosy świata zwierzęcego (nietoperzy, delfinów).
Infradźwięki
Są to poddźwięki, fale sprężyste nie wywołujące u człowieka wrażenia dźwięku, o częstotliwości mniejszej niż 16 Hz. Źródłem infradźwięków są: wyładowania atmosferyczne (pioruny), wiatr, różnego rodzaju eksplozje, trzęsienia ziemi, duże elementy drgające konstrukcji i urządzeń mechanicznych itp. Infradźwięki są słabo tłumione i rozchodzą się na duże odległości. Są wykorzystywane do wyznaczania miejsc wybuchów, w badaniach warstw atmosfery, hydrosfery i skorupy Ziemi. Infradźwięki o dużych natężeniach wpływają ujemnie na organizmy żywe.
Pogłos
Gdy dźwięk odbija się od ścian w pomieszczeniu, zwykle ma do przebycia stosunkowo niewielką odległość. Kolejne odbite dźwięki docierają do naszych uszu tak szybko po sobie, że nie odbieramy ich jako wyraźnego echa. Dźwięk taki może wędrować po pomieszczeniu ulegając wielokrotnemu odbiciu od ścian, szczególnie gdy są one wyłożone bardzo twardym materiałem, jak na przykład kafelki w łazience. Wtedy poszczególne echa nakładają się na siebie przedłużając trwanie dźwięku. Zjawisko to nosi nazwę pogłosu. Jest zjawiskiem akustycznym. Miarą pogłosu jest czas trwania. Czas pogłosu jest jedną z podstawowych wielkości określających warunki akustyczne sal koncertowych, studiów.
Decybele
Decybel (dB) jest jednostką równą 0,1B (bela), określającą stosunek dwóch wartości pomiaru tej samej wielkości fizycznej, na przykład natężenia dźwięku. Zwykle jedna z tych wartości jest ustalona i nazywana poziomem odniesienia. Zwykle za poziom odniesienia odbieramy natężenie dźwięku ledwo słyszalnego, czyli tzw. próg słyszalności.
Skala logarytmiczna< br />
Bel (B) to jednostka równa logarytmowi dziesiętnemu stosunku dwóch wartości tej samej wielkości fizycznej. Skala belowa i decybelowa nie jest liniowa, a logarytmiczna. Dźwięk o natężeniu 76 dB jest aż czterokrotnie głośniejszy od dźwięku o natężeniu 70 dB! 140 decybeli wyznacza tzw. poziom bólu. Dźwięk o natężeniu wyższym od tej granicy powoduje u słyszącego ból.
Amplituda br />
Amplituda fali lub drgania to wielkość maksymalnego wychylenia drgających cząsteczek w obydwie strony. Na przykład w przypadku fali na jeziorze jest to wysokość fali liczona od jego grzbietu do doliny.
Długość fali
Długością fali nazywa się odległość pomiędzy sąsiednimi grzbietami lub dolinami regularnie przebiegającej fali. Dla przykładu: długość fali w wodzie to odległość pomiędzy sąsiednimi wierzchołkami fal.
Zakres słyszalności
Człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwościach od około 20 Hz do około 20 kHz (20000 Hz). Takie dźwięki nazywamy słyszalnymi. Dźwięki o niższych częstościach powodują wyraźnie odczuwalne drgania ciała i są raczej odczuwane niż słyszane. Górna granica zakresu słyszalności jest cechą osobniczą i obniża się z wiekiem. Dla porównania nietoperze słyszą dźwięki w zakresie od 1 do 100 kHz. Z częstością Dźwięku związana jest ściśle wysokość słyszanego tonu. Fala Dźwiękowa o niskiej częstości jest słyszana jako głęboki i niski głos ? bas. Przeciwnie, dźwięk o wysokiej częstości, wysoki i przenikliwy ? sopran.
Akustyka
Akustyka, dział fizyki i techniki tradycyjnie obejmujący naukę o dźwięku, szerzej ? zajmujący się całością zagadnień dotyczących wszelkich możliwych fal sprężystych rozchodzących się w różnych ośrodkach.
Echo akustyczna
Fala akustyczna (dźwięk) odbita od oddalonej przeszkody (na przykład skał, lasu) i powracająca do obserwatora po zaniku wrażenia słuchowego wywołanego falą pierwotną (wydaje się, że same te przeszkody są źródłem dźwięku). Echo jest zjawiskiem akustycznym.
Drgania akustyczne
Kolejno następujące po sobie zagęszczenia i rozrzedzenia cząsteczek rozchodzą się, tworząc w powietrzu falę podłużną. Fala dociera do naszego ucha. Okresowe zgęszczania i rozrzedzania cząsteczek powietrza powodują drgania błony bębenkowej. Jeśli ich częstotliwość zawiera się w przedziale 20 Hz do 20 kHz, człowiek słyszy dźwięk. Drgania takie nazywamy drganiami akustycznymi.
Widmo
Widmo ? reprezentacja pewnego zjawiska lub procesu w postaci rozkładu wartości określonej wielkości fizycznej w zależności od pewnej zmiennej (argumentu rozkładu ). Na przykład rozkład amplitudy dźwięku lub amplitudy sygnału w zależności od częstotliwości (widmo dźwięku, widmo sygnału).
Nie wszystkie źródła fal akustycznych wydają tony. Niekiedy źródła fal akustycznych nie mają stałej częstotliwości, ulega ona zmianie tzn. drgania są nieregularne. Wtedy słyszymy tzw. szmer. W fizyce szmerem nazywamy na przykład szept, szum drzew, hałas maszyn w fabryce nawet, gdy jest głośny.
Czym mogą się różnić między sobą dźwięki?
W tabeli zestawiono ich cechy fizyczne (jako fali) i odpowiadające im cechy rozpoznawalne przez ucho człowieka, nawet gdy człowiek ten nie uczy się fizyki, a więc nie wie, czym jest fala.
Cechy dźwięku, które można zmierzyć Cechy dźwięku rozpoznawalne przez ucho częstotliwość (Hz) jak wysoki jest dźwięk
natężenie dźwięku lub poziom natężenia (związane z przenoszoną przez falę energią) jak głośny jest dźwięk
stopień skomplikowania drgań jaka jest barwa dźwięku
Omówimy pokrótce wymienione w tabeli cechy.
? Częstotliwość ? to tak jak mówiłyśmy wcześniej jest to liczba zderzeń lub cyklów danego zjawiska okresowego w jednostce czasu, na przykład w ciągu jednej sekundy. W przypadku przesuwającej się fali jest to ilość grzbietów fal, przechodzących przez wybrany punkt w jednostce czasu. Częstotliwość mierzy się w hercach (Hz). Częstotliwość jednego herca oznacza, że na jedną sekundę przypada jedno zderzenie. Jest liczbowo równa odwrotności okresu drgań.
- Wysokość dźwięku ? dźwięki o dużej częstotliwości odbieramy jako wysokie, o małej jako niskie. Jedynie muzyk rozpozna różnicę w wysokości dźwięków nawet gdy różnica ich częstotliwości jest bardzo mała. Jednostką wysokości dźwięku jest mel.
Mel ? pozaukładowa jednostka wysokości dźwięku określana metodami akustyki psychologicznej. Ustalono, że 500m odpowiada wrażeniu wysokości wywołanemu przez ton o częstotliwości 500 Hz i poziomie głośności 40 fonów.
? Poziom natężenia ? poziom natężenia wyrażamy w decybelach (dB).
? Głośność dźwięku ? hałas o poziomie natężenia powyżej 90 dB jest szkodliwy dla uszu
Tabela zawiera typowe wartości poziomu natężenia dla niektórych źródeł fal głosowych.
źródło poziom natężenia
walkman nastawiony głośno 130dB
koncert rockowy 110dB
dzwoniący telefon 70dB
spokojna rozmowa 60dB
? Niejednokrotnie zdarza nam się słyszeć tę samą piosenkę zaśpiewaną tak samo głośno i w tej samej tonacji, ale przez różnych piosenkarzy. Już przy pierwszych taktach rozpoznajemy bezbłędnie, kto śpiewa. Poznajemy to po tzw. barwie wydawanych dźwięków. Struny głosowe każdego piosenkarza drgają nieco inaczej, u jednego w sposób mniej, a u innego w sposób bardziej skomplikowany. To samo można powiedzieć o dźwiękach wydawanych przez różne instrumenty muzyczne. Podobno im bardziej skomplikowane są drgania, tym barwa dźwięku jest dla ucha przyjemniejsza.
Ultradźwięki i ich zastosowanie
Ultradźwięki
Dźwięk jest to zaburzenie falowe(fale sprężyste) rozchodzące się w ośrodku materialnym(w powietrzu z prędkością ok.330m/s). Źródłem dźwięku słyszalnego dla człowieka jest każde ciało drgające, którego częstotliwość wynosi od 16Hz do 20 000Hz (czyli 20kHz). Nauką o dźwięku jest akustyka.
Jeżeli za detektor dźwięku uznamy np. ucho nietoperza, słonia lub czujniki urządzeń pomiarowych, to dźwiękami staną się także fale znajdujące się absolutnie poza zasięgiem słyszalności ludzi. Delfiny, psy, nietoperze z łatwością rozpoznają ultradźwięki, niedostępne percepcji ludzkiego słuchu. Z kolei słonie posiadają własny rodzaj \"mowy\" oparty o infradźwięki.
Echolokacja- to 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.
Ultrasonografia-badanie narządów wewnętrznych za pomocą fal ultradźwiękowych. Metoda diagnostyczna oparta na zjawisku echa ultradźwiękowego. Informacje uzyskane tą metodą mogą być przedstawione na ekranie oscyloskopowym w postaci impulsów lub w postaci obrazu rozkładu tkanek normalnych i patologicznych.
Na rysunku obszar zakreskowany na niebiesko jest \"obszarem słyszalności\". Dźwięki z zakresu pod tym obszarem są zbyt ciche, aby mogły być słyszalne, dźwięki powyżej tego obszaru są tak głośne, że nie daje się ich wyróżnić jako dźwięk (człowiek nie rozróżnia ich wysokości i barwy, czując jedynie ból w uszach)
Infradźwięki- fale akustyczne (dźwięk) o częstotliwości mniejszej od 20 Hz. Infradźwięki nie są słyszane przez człowieka, lecz przy odpowiednim poziomie ciśnienia akustycznego mogą oddziaływać powodując zaniepokojenie, nudności itp. W naturze towarzyszą eksplozjom, trzęsieniom ziemi, wyładowaniom atmosferycznym itp. Infradźwięki są słabo tłumione w skorupie ziemskiej i w wodzie, mogą się rozchodzić na znaczne odległości.
Wykres słyszalności ludzkiego ucha:
Ultradźwięki- fala akustyczna o częstotliwościach wyższej niż 16 kHz (tj. przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięki). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki(m.in. nietoperze i delfiny) i wykorzystywane przez nie do(wyjaśnionej wyżej) echolokacji. Analogiczne zastosowanie znajdują ultradźwięki w technice. Ponadto, ze względu na silną zależność właściwości rozchodzenia się ultradźwięków w danym ośrodku od jego budowy, służą one do badania struktury różnych ciał, m.in. organizmów żywych (tzw. Ultrasonografia). Zogniskowanych wiązek ultradźwięków używa się do odrywania ciał stałych z bardziej elastycznego podłoża (usuwanie kamienia nazębnego, rozbijanie kamieni nerkowych, oczyszczanie powierzchni metali przed lutowaniem itd.).Energia drgań ultradźwięków może być też wykorzystana do rozpylania aerozoli i emulsji, a nawet do spawania.
Wytwarzanie tak szybkich drgań jest możliwe tylko wtedy, gdy przedmiot drgający jest mały i lekki (niech ktoś spróbuje \"machać\" 30 tysięcy razy na sekundę dużym, ciężkim przedmiotem...)
Jak więc uzyskuje się tak szybkie drgania?
Nazwa urządzenia Jak działa?
piszczałka ultradźwiękowa Galtona - przywoływacz psów w bardzo małej rurce piszczałki powietrze drga z o wiele większą częstotliwością niż w dużej rurze organów koncertowych.
generator piezoelektryczny są materiały (kryształy piezoelektryczne), które zmieniają swoje wymiary po przyłożeniu do nich napięcia Jeżeli to napięcie zmienia się bardzo szybko, wtedy kryształ bardzo szybko się kurczy i rozszerza, przez co generuje ultradźwięki
generator magnetostrykcyjny zjawisko jest podobne do piezoelektrycznego, tylko, że w tym wypadku ruch w generatorze wywoływany jest przez szybko zmienne pole magnetyczne
Zastosowanie ultradźwięków
Ultradźwięki mają szerokie zastosowanie w medycynie i technice.
Oto przykłady zastosowań:
ultrasonograf \"prześwietla\" ultradźwiękami ciało człowieka
ogniskując ultradźwięki można drganiami pobudzić określony narząd, co ma zastosowanie w medycynie
prześwietlanie ultradźwiękami innych materiałów pozwala na wykrycie w nich wad (defektoskopia ultradźwiękowa)
sondy ultradźwiękowe mierzą głębokość mórz
wysokoenergetyczną wiązką ultradźwiękową można przecinać i wiercić i oczyszczać przedmioty
Fale dźwiękowe
Dźwięk to drgania powietrza rozchodzące się w przestrzeni nazywane także falami. Ruch fal odbywa się dzięki kolejnemu rozrzedzaniu i zagęszczaniu powietrza. Fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością ok.1200 km/h, (czyli ok. 330 m/s). Prędkość dźwięku w powietrzu jest zależna od jego gęstości i może się wahać. Fale dźwiękowe stanowią jednak małą część szerokiego widma fal, sięgającego do wielu milionów drgań na sekundę.
Zakres słyszalny, (czyli zakres dźwięków, które są słyszalne przez człowieka) wynosi od około 20 Hz do 20 kHz. Taki zakres może wydawać się niewielki, ale jest znacznie szerszy od zakresu, jaki wytwarza jakikolwiek instrument muzyczny. Tak np. pianino ma zakres od 30 Hz do 4 kHz, picollo od 1,5 kHz do 15 kHz. Fale dźwiękowe są wytwarzane na ogół przez drgające struny lub powierzchnie, czy też przez drgania powietrza w rurach lub wnękach. Fale dźwiękowe są wytwarzane przez poruszający się przedmiot (np. w wyniku przesuwania się smyczka po strunach skrzypiec czy uderzenia młoteczka w strunę pianina). Gdy już cząsteczki zaczną się poruszać, pojawia się reakcja łańcuchowa z cząstkami sąsiednimi. Tak właśnie w wyniku rozrzedzania i zagęszczania powietrza odbywa się przesyłanie ruchu powietrza we wszystkich kierunkach. Zjawisko to jest nazywane podłużnym przemieszczaniem się drgań, polega, więc na naprzemiennym rozrzedzaniu i zagęszczaniu powietrza.
Fale dźwiękowe są podłużnymi falami mechanicznymi. Mogą one rozchodzić się w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zakres częstotliwości, jakie mogą mieć podłużne fale mechaniczne jest bardzo szeroki, przy czym falami dźwiękowymi nazywamy fale o takich częstotliwościach, które w działaniu na ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia. Zakres tych częstotliwości rozciągający się od około 20Hz do około 20 000Hz, jest nazywany zakresem słyszalnym. Podłużne fale mechaniczne o częstotliwościach mniejszych od częstotliwości słyszalnych są nazywane infradźwiękami, a fale o częstotliwościach większych niż słyszalne - falami ultradźwiękowymi. W powietrzu atmosferycznym fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością około 330 m/s. Ucho ludzkie rejestruje, więc fale o długości od około 1,65 cm aż do 16,5 m.
Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić trzy rodzaje tych fal:
Infradźwięki - poniżej 20 Hz -niesłyszalne dla człowieka,
Dźwięki słyszalne 20Hz - 20kHz -słyszy je większość ludzi,
Ultradźwięki - powyżej 20 kHz -także niesłyszalne dla człowieka.
Infradźwięki, to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt mała, aby mógł usłyszeć je człowiek. Jest to zakres częstotliwości poniżej ok. 20Hz. Infradźwięki maja bardzo dużą długość fali - powyżej 16 m. Dzięki temu mogą omijać przeszkody i przenosić się na ogromne odległości. Infradźwięki są wykorzystywane przez niektóre zwierzęta, np.: słonie używają ich do komunikacji na dalekie odległości.
Ultradźwięki to fale dźwiękowe, o częstotliwości większej niż 20khz, więc niesłyszalne dla człowieka. Istnieją zwierzęta, które mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, szczur, delfin, wieloryb czy nietoperz.
Ultradźwięki dzięki małej długości fali (poniżej 1,65 cm) pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Urządzenie, które umożliwia obserwację głębin morskich to sonar. Służy on do lokalizacji obiektów zanurzonych w wodzie. Ultradźwięki mają także zastosowanie w medycynie. Za pomocą urządzenia generującego i rejestrującego odbicie fal ultradźwiękowych (ultrasonograf) można uzyskać obraz narządów wewnętrznych. Ultradźwięki pozwalają też na pomiar odległości przy pomocy dalmierza ultradźwiękowego, w zakresie od 1 do 10 m. Jeżeli wykorzysta się naprawdę silne źródło ultradźwięków, to mogą one niszczyć materiał, co pozwala na obróbkę powierzchniową wytwarzanych przedmiotów.
Infradźwięki
Infradźwięki to drgania ośrodka gazowego lub cieczy. Ich częstotliwość jest poniżej słyszalnej. Zakres infradźwięków umownie przyjmuje się jako pasmo o częstotliwościach od 0,1 do 20Hz. Infradźwięki występują naturalnie w przyrodzie. Najczęściej łączą się z dźwiękami słyszalnymi o niskich częstotliwościach. Człowiek na ich oddziaływanie jest narażony głownie w środkach transportu i w zakładach przemysłowych. Fale Infradźwiękowe mogą oddziaływać na cały organizm człowieka na wiele sposobów. Przede wszystkim infradźwięki wywołują drgania rezonansowe ludzkich organów takich jak: przepona brzuszna, klatka piersiowa, przepona brzuszna, organy trawienne. Chwilowe oddziaływanie fal powoduje trudności w oddychaniu, a dłuższe poddawanie się oddziaływaniu infradźwięków powoduje zaburzenia układu trawiennego. Podobnie jak przy spożyciu większej ilości alkoholu infradźwięki powodują zachwiania równowagi, trudności w skupieniu się, zmniejszenia ostrości widzenia oraz zmniejszenie refleksu. Granica bólu oraz próg odczuwania wrażeń pochodzących od infradźwięków określa się podobnie jak dla dźwięków słyszalnych. Zakresy oddziaływania infradźwięków można podzielić w ten sposób:
Poniżej 120dB. Krótkie oddziaływanie infradźwięków na człowieka nie jest szkodliwe. Skutki długiego przebywania pod ich wpływem nie są jeszcze znane.
Między 120 a 140dB. Przebywanie w polu takich fal może wywoływać uczucie zmęczenia oraz lekkie zaburzenia procesów fizjologicznych.
Między 140 a 160dB. Nawet, krótkie dwuminutowe działanie infradźwięków powoduje zachwiania równowagi i wymioty. Dłuższe oddziaływanie może wywołać trwałe uszkodzenia organiczne.
Powyżej 170dB. Poddane takim falą zwierzęta zmarły z powodu przekrwawienia płuc (testów na ludziach nie przeprowadzano).
Najgroźniejsze dla człowieka są fale ze źródeł sztucznych. Najsilniejsze są fale wywołane wybuchami jądrowymi oraz termojądrowymi. Kolejnym zagrożeniem jest lotnictwo ponaddźwiękowe. Samolot pokonując barierę dźwięku wytwarza fale uderzeniową o bardzo dużej amplitudzie. Przenoszona energia zależy od wielkości samolotu. Wojskowe samoloty pościgowe wytwarzają fale maksymalnie 20Hz. Natomiast ciężkie wycofane z eksploatacji samoloty Concorde 0,2Hz. Infradźwięki są emitowane również przez statki i łodzie motorowe z silnikami Diesla. Mniejsze fale są wytwarzane także przez pociągi, samochody, maszyny udarowe (np. młoty pneumatyczne), a także telefony komórkowe. Głównym przemysłowym źródłem infradźwięków są szybkie przepływy gazowe. Występujące np. w dmuchawach. Mogą one osiągnąć poziom 120dB. Naturalnymi generatorami infradźwięków są ruch powietrza i wody. Falowanie powierzchni wód jest słyszalne, ale wchodzi również w zakres infradźwiękowy. Są to fale o bardzo niskich częstotliwościach rzędu 0,2Hz. Również wiatr opływający wysokie budynki wydziela fale infradźwiękowe o natężeniu przekraczającym 100dB. Według naukowców właśnie te fale będą bardzo uciążliwe dla ludzkości
Ultradźwięki
Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (tj. przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk). Fale sprężyste, których częstotliwość przewyższa 10 GHz, nazywa się hiperdźwiękami. Hiperdźwiękowy zakres zjawisk sprężystych kończy się od góry naturalną granicą wyznaczoną dla danego ośrodka przez częstotliwość odpowiadającą długości fali porównywalnej o mniejszych długościach nie mogą powstać, gdy znikają warunki konieczne dla ich rozprzestrzeniania się (to jest znikania możliwości przekazania zaburzenia sprężystego jako energii mechanicznej po miedzy atomami w drodze bezpośredniej). Ultradźwięki które wytwarzamy i odbieramy jako koherentne (spójne) wiązki fal sprężystych, hiperdźwiękowe fale cieplne (tzw. debayowskie) stanowią zbiór fal niekoherentnych rozchodzących się we wszystkich możliwych kierunkach wewnątrz ciała, które rejestrujemy tylko pośrednimi metodami wykorzystując zjawisko akustooptyczne (akustyczne zjawiska kwantowe). Ultradźwięki, a tym bardziej hiperdźwięki, odznaczają się małymi długościami fal, np. przy częstotliwości 16 kHz długość fali w powietrzu wypada około 2 cm w cieczach około 8 cm, w ciałach stałych około 30 cm. Nie wątpliwie małe długości fal ultradźwiękowych zadecydowały o specjalnym ich zastosowaniu. Dzięki małym długościom fal ultradźwięki można wizualizować za pomocą światła (zjawiska akustooptyczne), można je ogniskować i kształtować w wiązki o dobrej kierunkowości (akustyka morza, holografia akustyczna) i można mówić z dobrym przybliżeniem o promieniach ultradźwiękowych. Zastosowanie ultradźwięków można podzielić zasadniczo na bierne i czynne, które uzupełniają metody bezpośredniego wzmacniania drgań ultradźwiękowych.