Fale · Fale dźwiękowe

Fale dźwiękowe

Czym jest dźwięk?

Dźwięk to fala mechaniczna, która przenosi energię przez ośrodek; w powietrzu i cieczach jest podłużna. Człowiek zwykle słyszy częstotliwości około 20 Hz20\ \mathrm{Hz}–20 kHz20\ \mathrm{kHz}. Niższe to infradźwięki, wyższe — ultradźwięki.

Czym jest dźwięk?

Częstotliwość odbierasz jako wysokość tonu, amplitudę drgań wiążesz z głośnością, a kształt fali wpływa na barwę dźwięku. Oscylogram pokazuje zmianę sygnału w czasie; okres TT i częstotliwość ff spełniają f=1/Tf=1/T.

Prędkość dźwięku i zjawiska falowe

Prędkość dźwięku zależy od ośrodka i jego temperatury. Fala spełnia zależność v=λfv=\lambda f, gdzie λ\lambda to długość fali, a ff — częstotliwość. Dźwięk na ogół rozchodzi się szybciej w ciałach stałych niż w gazach.

Prędkość dźwięku i zjawiska falowe

Dźwięk może ulegać odbiciu, załamaniu, dyfrakcji i interferencji. Echo jest odbitą falą słyszaną z opóźnieniem; dyfrakcja jest wyraźna, gdy rozmiar przeszkody lub szczeliny jest porównywalny z długością fali.

Natężenie i poziom dźwięku

Natężenie to moc przenoszona przez jednostkę powierzchni: I=P/AI=P/A, w W/m2\mathrm{W/m^2}. Dla punktowego źródła równomiernie emitującego dźwięk bez pochłaniania I=P/(4πr2)I=P/(4\pi r^2), gdzie rr jest odległością od źródła.

Natężenie i poziom dźwięku

Poziom natężenia dźwięku określa się w decybelach: L=10log⁡10(I/I0)L=10\log_{10}(I/I_0), gdzie I0=10−12 W/m2I_0=10^{-12}\ \mathrm{W/m^2} jest umownym progiem odniesienia. Skala jest logarytmiczna.

Najważniejsze rozróżnienia

Nie myl częstotliwości z amplitudą: częstotliwość wpływa na wysokość tonu, a amplituda na natężenie. Prędkość dźwięku wyznacza ośrodek; przy przejściu do innego ośrodka częstotliwość źródła pozostaje stała, a zmieniają się vv i λ\lambda.

Zastosowanie pojęć

Gdy znasz moc źródła i odległość, dla idealnego źródła punktowego wyznacz natężenie z I=P/(4πr2)I=P/(4\pi r^2). W rzeczywistym otoczeniu pochłanianie i kierunkowość źródła mogą zmienić wynik.

Zastosowanie pojęć

Na granicy ośrodków częstotliwość fali dźwiękowej pozostaje taka jak częstotliwość źródła. Zmiana prędkości powoduje zmianę długości fali zgodnie z v=λfv=\lambda f. Poziom w decybelach zależy logarytmicznie od natężenia.