Fala akustyczna to zaburzenie mechaniczne rozchodzące się w ośrodku sprężystym obdarzonym masą (np. powietrze, inna mieszanina gazów, ciecz, metal itp.) i przenoszące energię. Choć fale akustyczne przemieszczają się, to same nie zmieniają średniego położenia cząsteczek ośrodka, czyli nie przenoszą masy. Podczas ruchu falowego wokół tzw. położeń równowagi w ośrodku zostają pobudzone do ruchu cząsteczki. Powoduje to lokalne rozrzedzenia i zagęszczenia ośrodka i zmian jego ciśnienia. Fale akustyczne, które rejestrujemy przez wrażenia zmysłowe nazywamy dźwiękami.

Poniżej 20 Hz to infradźwięki

Powyżej 20Hz to ultradźwięki

W ośrodkach stałych fale akustyczne wywołane są wytworzeniem zmiany naprężeń powodujących chwilowe odkształcenia ośrodka. W ogólnym przypadku fale akustyczną można wytworzyć przez spowodowanie drgań mechanicznych ośrodka stałego, np. uderzeniem, tarciem, drganiem membrany głośnika lub wskutek efektu turbulencji.

W cieczach i gazach fala akustyczna jest falą podłużną (czyli drgania cząsteczek w ośrodku odbywają się wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali), w ciałach stałych może być zarówno falą podłużną, jak i poprzeczną. Fale akustyczne podlegają prawu odbicia (echosonda), załamania (refrakcji) oraz dyfrakcji i interferencji itd. Zgodnie ogólnie przyjętymi prawami. Kąt padania = kątowi odbicia, stosunek sinusów kątów padania i załamania jest równy stosunkowi prędkości rozchodzenia się fali w obu ośrodkach. Odbicie, załamanie występują jednocześnie, a stosunek między natężeniem fali odbitej i padającej oraz natężenia fali załamanej i padającej zależy od własności graniczących ze sobą ośrodków.

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

gdzie: Q - moduł ściśliwości ośrodka, ρ - gęstość, κ - Cp/Cv (adiabata), p - ciśnienie.

Dla powietrza w warunkach normalnych u = 331,8 m/s,

dla wody u = 1497 m/s.

Prędkość fali akustycznej w różnych ośrodkach:

ośrodek	prędkość [m/s]
granit	6000
krew	1570
kości	2500 - 4700
tkanka tłuszczowa	1450
mózg	1540
wątroba	1550
nerki	1560
śledziona	1578
woda destylowana	1530

Zaburzenia gęstości ośrodka w postaci chwilowych zagęszczeń i rozrzedzeń powodują chwilowe zmiany ciśnienia w otoczeniu, które nazywamy ciśnieniem akustycznym. Jest to różnica między aktualną wartością ciśnienia P (w danym miejscu ośrodka) a ciśnieniem P₀ panującym wówczas, gdy ośrodek ten był w równowadze przed nadejściem fali.

p = P - P₀

P₀ - w normalnych warunkach odpowiada ciśnieniu atmosferycznemu

Ciśnienie akustyczne zależy głównie od czasu i miejsca. W najprostszym przypadku, gdy wybierze się dane miejsce w ośrodku ciśnienie akustyczne będzie zależeć jedynie od czasu.

Wykres ciśnienia ak. od czasu: (dla dźwięku harmonicznego- tony) żaden z dźwięków mowy ludzkiej nie jest tonem (najbliższe temu jest „u”)

Początkowa wartość ciśnienia akustycznego zależy tylko od tego, kiedy zaczęto obserwować dźwięk Omawiając ciśnienie akustyczne możemy mówić o okresie- najkrótszym czasie, w którym startując z zera przechodzi ono przez wszystkie swoje wartości. Jego odwrotność to częstotliwość. Analogicznie jak w ruchu wahadłowym.

Okres i częstotliwość możemy przypisać każdemu dźwiękowi okresowemu, czyli którego zmiany akustyczne się powtarzają.

Wykres ciśnienia ak. od czasu bardziej skomplikowany (dla dźwięku okresowego)- do nich podobne dźwięki mowy ludzkiej- realne.

Poziom ciśnienia akustycznego dźwięku w pewnej odległości od źródła znajdującego się w pomieszczeniu zależy od:

• mocy akustycznej źródła dźwięku,

• częstotliwości (widma) dźwięku,

• charakterystyki kierunkowości promieniowania źródła dźwięku,

• pochłaniania i przesunięć fazowych fal dźwiękowych powstających w wyniku odbicia od powierzchni ograniczających pomieszczenie,

• rozproszenia dźwięku na nieregularnych powierzchniach,

• kształtu pomieszczenia i obecności przedmiotów w pomieszczeniu,

• ugięcia fal (uzależnionego od wymiarów liniowych przeszkody i długości fali akustycznej),

• pochłaniania dźwięku w powietrzu.

Pole akustyczne - obszar przestrzeni, w którym istnieją drgania akustyczne.

Podział:

- Bliskie

- Swobodne

- Pogłosowe

Pole swobodne i pole pogłosowe

W przestrzeni otwartej dźwięk emitowany przez źródło rozchodzi się swobodnie nie napotykając na żadne przeszkody. Gdy wszechkierunkowe (punktowe) źródło dźwięku znajduje się wysoko nad ziemią lub w komorze bezechowej, energia dźwięku maleje zgodnie z prawem 1/r², gdzie r jest odległością od źródła dźwięku. Pole akustyczne wytworzone przez falę dźwiękową w opisanych warunkach nazywa się polem akustycznym swobodnym.

Pole pogłosowe jest natomiast związane z prawem odbicia.

Jeżeli to samo źródło dźwięku umieścimy na płaszczyźnie idealnie odbijającej, wówczas spadek energii odbywa się również zgodnie z prawem 1/r², lecz w tej samej odległości od źródła wartość poziomu ciśnienia akustycznego będzie większa niż w polu swobodnym.

Jeżeli źródło dźwięku umieścimy w pomieszczeniu zamkniętym, wówczas fale dźwiękowe emitowane przez to źródło napotkają na drodze propagacji na powierzchnie ograniczające i ulegną odbiciu powracając do pomieszczenia. Energia tych fal sumuje się z energią innych fal odbitych i energią fali emitowanej bezpośrednio przez źródło (fala bezpośrednia), która nie zdążyła jeszcze trafić na powierzchnię ograniczającą pomieszczenia. Jeżeli pomieszczenie ma kształt nieregularnej bryły, wówczas wytworzone w jego wnętrzu pole akustyczne, w dostatecznej odległości od źródła dźwięku, nazywamy polem rozproszonym lub pogłosowym. W polu pogłosowym natężenie dźwięku jest stałe i nie zmienia się wraz z odległością od źródła. Ciągłe dostarczanie energii przez źródło nie wpływa na poziom ciśnienia akustycznego w polu pogłosowym gdy rozważamy tzw. stan ustalony dźwięku. Wynika to ze strat energii występujących w wyniku pochłaniania dźwięku.

Opór akustyczny

Jest to iloczyn prędkości i gęstości rozchodzącej się fali.

I₀ I_Z

I_P I_P

Im bliższe będą wartości oporów akustycznych dwóch ośrodków (czyli Z - Z będzie mniejsze) tym lepiej fala będzie przez nie przechodzić. Przy nieznacznej różnicy między oporami akustycznymi dwóch ośrodków, fala padająca w większości przejdzie do drugiego ośrodka i tylko nieznacznie ulegnie odbiciu. Gdy fala przechodzi kolejno przez kilka granic pomiędzy ośrodkami, nieznacznie różniącymi się oporami akustycznymi, to na każdej takiej granicy część fali padającej ulegnie odbiciu, a natężenie fali przechodzącej dalej zmaleje. Na granicy ośrodka znacznie różniącemu się oporem akustycznym fala ulega odbiciu i nie przechodzi dalej. Opory akustyczne wnętrza ludzkiego organu są bardzo podobne. Odbicie fali dźwiękowej będzie istniało jedynie na granicy takich ośrodków jak powietrze lub kości z pozostałymi tkankami i wodą. Natomiast między tymi tkankami fala będzie przechodziła z jednego ośrodka do drugiego ulegając na ich granicy nieznacznemu odbiciu.

Gdy fala po odbiciu wraca po pewnym czasie t do swojego źródła mówimy o zjawisku echa.

Przyjmując, że V fali jest stała od źródła do granicy ośrodków, oraz znając czas powrotu echa możemy obliczyć x , czyli odległość między źródłem a granicą.

W ośrodku składającym się z wielu warstw różniących się nieznacznie oporami akustycznymi, ale nie różniącymi się istotnie prędkościami rozchodzenia się fali (np. organizm człowieka) odbicia mogą powstawać na każdej napotkanej przez falę granicy między warstwami. Echa powstające na tych granicach będą powracały do źródła z czasami powrotu zależącymi jedynie od odległości źródła od granicy

Rozważając odbicie na idealnie gładkiej powierzchni granicznej, efekt echa może być zarejestrowany w miejscu wysyłania fali jedynie wówczas, gdy powierzchnia odbijająca jest położona prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Przy innym położeniu tej powierzchni fala nie powróci do źródła.

Odbicie skoncentrowanej wiązki od powierzchni chropowatej doprowadzi do rozproszenia fali odbitej. Przestanie ona być tak skoncentrowana jak fala padająca, lecz możliwe będzie wykrycie echa od powierzchni, która nie jest prostopadła do kierunku rozchodzenia się fali padającej

---