10. FALE, ELEMENTY TERMODYNAMIKI I HYDRODY-NAMIKI.

10.7. Podstawowe pojęcia z akustyki.

W ośrodkach charakteryzujących się sprężystością objętościową rozchodzą się jedynie fale podłużne. Są to fale ciśnieniowe, które dochodząc do ucha dają wrażenie dźwięku tylko wtedy, gdy częstotliwość tej fali zawiera się mniej więcej w przedziale 16 Hz - 20 kHz. Fale o niższych częstotliwościach to infradźwięki, a o wyższych - ultradźwięki.

Dźwięki powstają gdy drgania źródła są na ogół skomplikowane ale można je przedstawić jako sumę drgań o określonych częstotliwościach (tw. Fouriera).

Drgania składowe o pojedynczych częstotliwościach to tony. Ton o najmniejszej częstotliwości to ton podstawowy, a tony o wyższych częstotliwościach nazywamy tonami harmonicznymi.

Słyszalność dźwięku zależy nie tylko od jego częstotliwości, ale od energii docierającej do ucha w jednostce czasu.

Natężenie dźwięku

dla fali kulistej

Ucho ludzkie ma różną czułość dla różnych częstotliwości dźwięków:

- stosunek natężenia I dźwięku o danej częstotliwości do natężenia progu słyszalności I₀ dźwięku o częstotliwości 1 kHz ( I₀ = 10^-12 W/m² - natężenie poziomu zerowego).

Subiektywne natężenie dźwięku (poziom natężenia)
[dB]

Np. cicha rozmowa - 40 dB, słuch należy chronić już od 60 dB, ruch uliczny - 90 dB.

Dwa dźwięki o jednakowym natężeniu ale różnych częstotliwościach są odbierane jako nie jednakowo głośne. Głośność dźwięku jest związana z kwadratem amplitudy tonu podstawowego. Jednostką głośności dźwięku są fony. Dźwięk ma głośność n fonów, jeżeli słyszymy go tak samo głośno jak dźwięk o poziomie natężenia n decybeli i o częstotliwości 1 kHz. Np. dźwięki o głośności 20 fonów muszą mieć natężenia:

200 Hz 40 dB

1000 Hz 20 dB

3000 Hz 15 dB

Inne stosowane w praktyce cechy dźwięków:

wysokość dźwięku - określona przez częstotliwość tonu podstawowego,

barwa dźwięku - określona jest przez zawartość tonów harmonicznych (im więcej, tym przyjemniejszy dźwięk dla ucha).

Zjawiska akustyczne.

Echo - dwu lub kilkakrotne słyszenie tego samego dźwięku w wyniku jednego lub kilku odbić dźwięku od przeszkody leżącej daleko od źródła dźwięku.

Pogłos - subiektywne wrażenie przedłużenia czasu trwania dźwięku w wyniku wielokrotnych odbić dźwięku od blisko położonych przeszkód (pomieszczenia zamknięte).

Dudnienia - okresowe zmiany amplitudy dźwięku wypadkowego (np. drgania dwóch kamertonów o nieco różnych częstotliwościach drgań).

Zjawisko Dopplera - względna zmiana częstotliwości odbierana przez odbiornik, w stosunku do częstotliwości emitowanej przez źródło - występuje w przypadku gdy źródło i odbiornik poruszają się względem siebie.

Fala uderzeniowa - powstaje, gdy prędkość źródła fali jest większa niż prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku. Przykład: samolot naddźwiękowy, strzelanie z bata, fale na wodzie wytwarzane przez szybkie motorówki.

10.8. Efekt Dopplera.

a) Źródło jest nieruchome, a zbliża się odbiornik.

Źródło emituje dźwięk o częstotliwości f, który rozchodzi się z szybkością v, natomiast odbiornik porusza się w kierunku źródła z szybkością v₀, rejestrując odbierany dźwięk o częstotliwości f'.

Częstotliwość emitowanego dźwięku

Częstotliwość odbieranego dźwięku

czyli
gdy v > 0

przy oddalaniu f` < f

b) Ruch źródła w kierunku nieruchomego odbiornika.

Δλ
- skrócenie fali w wyniku ruchu źródła z szybkością u.

czyli

f' > f gdy u > 0 ⇒ gdy źródło oddala się, wówczas f' < f

c) Jednoczesny ruch źródła i odbiornika (zbliżanie się).

Źródło porusza się w kierunku odbiornika z szybkością u, a jednocześnie odbiornik porusza się w kierunku źródła z szybkością v₀.

Wówczas rejestrowana przez odbiornik częstotliwość

Wykorzystanie praktyczne zjawiska: radarowy pomiar szybkości, „przesuniecie ku czerwieni” - pomiar szybkości oddalania się galaktyk.

---