Fale dźwiękowe

Fale dźwiękowe należą do podłużnych fal mechanicznych .Ich propagacja polega na rozchodzeniu się drgań cząsteczek ośrodka wzdłuż prostej, która pokrywa się z kierunkiem rozchodzenia się fali. Dzięki dążeniu ośrodka sprężystego do stanu równowagi takie lokalne sprężenie powoduje rozprężenie w sąsiedztwie. W kolejnych położeniach pojawiają się następne sprężenia i rozprężenia. I tak rozchodzi się fala dźwiękowa.

Dźwięki mogą rozchodzić się zarówno w gazach jak i w cieczach i ciałach stałych. Rozchodzące się zaburzenie prowadzi do wytworzenia wrażenia słuchowego.

Zakres częstości słyszalnych to wartości od około 16 lub 20 Hz do 20000Hz. Podłużne fale mechaniczne o częstościach wyższych to tzw. ultradźwięki a o częstościach niższych to infradźwięki.

Ze względu na kierunek rozchodzenia się fal można je podzielić na: 

• fale podłużne - fale dźwiękowe w cieczach, gazach i ciałach stałych
• fale poprzeczne - fale dźwiękowe w ciałach stałych

Miejscowe sprężanie i rozprężanie związane jest ze zmianami ciśnienia atmosferycznego powietrza. Wartość tej zmiany nazywa się ciśnieniem akustycznym. Ważnym pojęciem jest również częstotliwość dźwięku czyli liczba zaburzeń w ciągu jednego okresu. Jednostką częstotliwości jest 1 herc (Hz).

Rozchodząca się fala akustyczna przenosi energię, która np. wprawia w ruch błonę bębenkową. Wprowadza się zatem pojęcie natężenia dźwięku, jako energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię

 

I - natężenie dźwięku  

E - energia [ J ] 

t - czas [ s ] 

S - powierzchnia [ ] 

Okazuje się, że natężenie dźwięku jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy ciśnienia akustycznego.

Subiektywne cechy dźwięku:

Barwa - jest cechą na podstawie której ucho rozróżnia dwa dźwięki o tej samej wysokości i głośności, a pochodzące z różnych źródeł. Cechą obiektywną odpowiedzialną za barwę jest widmo. Ucho dokonuje analizy harmonicznej dźwięków.

Wysokość dźwięku - jest funkcją częstości drgań. Zdolność bezwzględnej oceny wysokości dźwięku to słuch absolutny. Większość ludzi potrafi tylko ocenić prawidłowo równość stosunku częstości dwu drgań czyli interwał - słuch relatywny.

Głośność - zależy od natężenia fali akustycznej i od czułości ucha na dźwięki o różnej częstości drgań czyli charakteryzuje subiektywne odczuwanie natężenia dźwięku.

• wprowadzenie skali fonowej - za ton wzorcowy przyjęto ton o częstotliwości 1000 Hz. Poziom natężenia tonu wzorcowego dobiera się tak aby brzmiał on jednakowo głośno jak ton badany. Ton badany ma wtedy tyle fonów poziomu głośności ile decybeli ma ton wzorcowy jednakowo słyszalny. na podstawie tego rodzaju obliczeń sporządzono krzywe izofoniczne czyli krzywe jednakowego natężenia.

wprowadzenie skali sonowej - opiera się na założeniu, że ucho ludzkie ocenia stosunek dwu tonów ( w szczególności 2 : 1) Wzorzec głośności - son tj. głośność tonu wzorcowego o poziomie natężenia 40 dB.

W momencie gdy obserwator zbliża się w kierunku spoczywającego źródła dźwięku lub gdy poruszające się źródło zbliża się do obserwatora słyszy on dźwięki o wyższej częstości niż gdy oboje są w spoczynku. Natomiast w sytuacji oddalania się źródła bądź obserwatora dźwięk słyszany ma niższą częstość. Jest to tzw. zjawisko Dopplera. Występuje dla wszystkich fal, nie tylko dla dźwiękowych.