Akustyka zajmuje się wszystkimi rodzajami dźwięków oraz głosów. Dźwięki możemy odczuwać od razu za pomocą naszego organu słuchu. Za pomocą słuchu wyróżniamy przeróżne wrażenia dźwiękowe oraz jesteśmy w stanie nazwać je przy pomocy różnych nazw. Wypowiadamy się, iż słyszymy tony skrzypiec, szum morza, szelest liści albo papieru, huk grzmotu, hałas urządzeń. Zagadnienia jakie się tu od razu nasuwają, to: jak tworzą się wszystkie typy dźwięków, w jaki sposób i dlaczego one się w ogóle rozchodzą, jakie są własności wszystkich dźwięków?

Przede wszystkim bardzo łatwo jest zauważyć, iż tworzenie się dźwięków powiązane jest z ruchem. Układy, gdzie wszystkie części zostają nie ruchome, nie wydają dźwięku. Ale i ciała które przemieszczają się nie cały czas wydają dźwięki. Wolny ruch naszej dłoni np. nie wydaje dźwięku ale już silniejsze położenie zeszytu na stoliku, uderzenie kijem, uderzenie młotkiem w strunę fortepianu sprawia, ze tworzy się dźwięk. Możemy wysunąć wniosek iż cały czas kiedy jakieś ciało albo jego fragment doznaje szybkiego przyśpieszenia albo opóźnienia, usłyszymy dźwięk. Wśród wszystkich typów dźwięków rozróżnia się tony, które jak łatwo przekonać się o tym z doświadczenia, tworzą się wówczas kiedy ciało dokonuje ruchu periodycznego. Kiedy wprawimy w gwałtowny obrót np. koło zębate oraz przyczepimy do niego kartkę papieru albo blaszkę metalową sprężystą, będzie się ona bardzo szybko drgać oraz my równocześnie w tym momencie usłyszymy ton - przy niewielkim obrocie kółka gruby lub, jak mówimy poprawnie niski, przy coraz gwałtowniejszym obrocie coraz cieńszy lub, jak mówimy się na zwykle coraz wyższy. Zróbmy na okręgu koła wyrysowanego na tarczy metalowej dziury o takich samych odstępach. Gdy wprawimy teraz tarczę w gwałtowny ruch oraz nakierujemy prostopadle do tarczy ogromny prąd powietrza wydmuchiwany z rury tak, by w czasie obrotu przechodził przez kolejno padające na niego dziurki. Usłyszymy także ton podwyższający się w miarę zwiększania się prędkości obrotu. Urządzenie takie zwie się syreną Seebecka. Jak zauważymy za chwilę, urządzenia te wydają tony złożone. Ton prosty uzyskujemy kiedy ciało dokonuje ruchu harmonicznego. Urządzeniem tego typu są widełki strojowe. Jest to pręt stalowy zgięty w formie litery U, ulokowany na nóżce. Kiedy uderzymy młotkiem 1 koniec widełek strojowych, zaczną one drgać i będą wydawać ton

Zjawiska jakie możemy zaobserwować przy falach dźwiękowych:

- Interferencja

Nakładanie się fal bardzo łatwo możemy zaobserwować przy pomocy urządzenia Quinckego. Złożony jest on z rur które wygięte są tak jak na ilustracji. Fale wywołuje się przy pomocy widełek strojowych zbliżonych do otwartego końca A. Do końca D przykłada się ucho. Fala dźwiękowa przebiega 2 drogami, przez rurę B oraz przez rurę C. Przez przesuwanie rurki C da się przedłużać drogę, którą fale przebywają przez ten fragment urządzenia. Kiedy droga ta jest o pół długości fali dłuższa od drogi B fale spotkają się w fazach przeciwnych, dojdzie do osłabienia . Usłyszymy wówczas wyraźne minimum.

- Fale stojące

Falę stojącą da się uzyskać w rutce zamkniętej, czyli tak zwanej rurze Kundta. Jest to szeroka rura wykona ze szkła zamknięta ruchomym tłokiem. Do 2 jej końca wprowadzony jest pręt wykonany ze szkła oraz metalowy który dodatkowo zaopatrzony jest na końcu w płytkę o średnicy rurki. Pręt umocowany jest w uchwycie w środku jego długości. Do rurki dosypuje się jakiegoś delikatnego proszku, np. lycopodium albo starty na drobny proszek korek. Kiedy pręt pociągnie się mokra szmata wyda wysoki silny dźwięk który wzbudza fale dźwiękowe w rurze. Fale odbijając się od tłoka ulokowanego na końcu rury produkują fale stojące. Tłok przez przesuwanie nastawia się tak, by przy nim wyprodukował się węzeł szybkości cząstek powietrza w fali dźwiękowej. Poprzez ruchy powietrza proszek zostaje porwany oraz zbiera się w węzłach fal stojących. Gdy będziemy mierzyć odległość węzłów będziemy mogli odnaleźć długość produkowanej fali zauważając, iż odległość pomiędzy węzłami fali stojącej wynosi 2.

- Echo i Dudnienie

Na skutek odbicia fal dźwiękowych pojawia się zjawisko nazywane echem, można je zaobserwować wówczas, kiedy fala dźwiękowa spotka na swej drodze przeszkodę, odbije się od niej oraz powróci do ucha osoby obserwującej sprawiając powtórzenie wrażenia dźwiękowego. Nie wszystkie jednak odbicia fal spowodują echo. Nasze ucho może wyróżnić 2 dźwięki, jeśli dojdą do niego w odstępie nie mniejszym aniżeli jedna dziesiąta sekundy. Odbicie zatem powinno nastąpić od przegrody odległej co najmniej o połowę tej drogi, którą przebędzie fala dźwiękowa podczas jednej dziesiątej sekundy.

Czasami fale dźwiękowe odbijają się od wielu przeszkód które leżą w przeróżnej odległości od słyszącego. Da się wtedy usłyszeć kilkakrotne echo albo na skutek interferencji fal odbitych echo którego czas trwania jest dłuższy od dźwięku pierwotnego. Z odbiciem fal dźwiękowych powiązane jest zagadnienie akustyki pomieszczeń. Fale które odbijają się od ścian czy sufitu są w stanie się nakładać na dźwięki pierwotne powiększając ich natężenie, ale pomniejszając jednocześnie ich wyrazistość. Natężenie utworzonych dźwięków uzależnione jest od wielkości oraz formy pokoju i od zdolności odbijającej występujących się w nim elementów. Dobry dobór tych czynników jest jednym z głównych zagadnień konstrukcji sal koncertowych oraz wykładowych.

W momencie kiedy źródła emitują jednocześnie dźwięki o podobnych częstotliwościach pojawia się charakterystyczne zjawisko które polega na kolejnym osłabianiu oraz wzmacnianiu się natężenia dźwięku - nazywane jest ono dudnieniem. Przyczyną tego zjawiska jest nakładanie się (interferencja) dwóch fal o takich samych częstotliwościach na skutek czego dochodzi kolejno do zwiększenia się oraz zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Częstotliwość dudnienia zatem pojawianie się tych wzmocnień oraz osłabień jest równa różnicy częstotliwości fal nakładających się.

- Rezonans akustyczny.

Fale dźwiękowe jakie rozchodzą się w ośrodku, trafiają na powierzchnię jakiegoś ciała wywierają na nim skutek zagęszczeń oraz rozrzedzeń cząstek ośrodka okresowo zmienne ciśnienie oraz wprawiają je w ruch drgający. W momencie kiedy częstotliwość fali jest taka sama jak częstotliwości drgań własnych ciała, natężenie drgań wzbudzonych na skutek interferencji bardzo wzrośnie. Zjawisko to nazywa się rezonansem akustycznym.

Jeśli położymy obok siebie 2 takie same kamertony oraz przez uderzenie wprawimy 1 z nich w ruch drgający, a po jakimś czasie, dotkniemy go ręką stłumimy drganie to wyraźnie będziemy słyszeć dźwięk 2 kamertonu, który został wzbudzony przez rezonans. Do analiz dźwięku wykorzystuje się urządzenie nazywane rezonatorem. Jest to kulka zaopatrzona w 2 dziury oraz mająca cechę silnego rezonansowego wzmacniacza natężenia drgań o pewnej częstotliwości, uzależnionej od średnicy kulki oraz kształtu otworu. Przy pomocy tego typu rezonatorów da się zbadać jakie tylko chcemy dźwięki złożone, rozkładając je na szereg fal harmonicznych (tonów). Rezonatorami są również cienkie płyty o przeróżnych formach, nazywane membranami, które bardzo łatwo jest pobudzić do drgań, powodując w nich fale stojące o przeróżnych długościach, a zatem o przeróżnych częstotliwościach drgań. Membrany stanowią główny element mikrofonów, słuchawek czy głośników.

- Zjawisko Dopplera

Kiedy osoba obserwująca przemieszcza się w stronę spoczywającego źródła dźwięku, usłyszy dźwięk wyższy (o większej częstotliwości) aniżeli wówczas, kiedy jest on nieruchomy. Kiedy osoba obserwująca oddala się od nie poruszającego się źródła usłyszy dźwięk niższy aniżeli wówczas, kiedy jest nieruchome. Takie same wyniki uzyskamy wówczas, kiedy źródło jest w ruchu, w kierunku do albo od nieruchomej osoby obserwującej. Ton gwizdka lokomotywy jest wyższy podczas jej zbliżania się do osoby obserwującej aniżeli wówczas, kiedy lokomotywa przejeżdża obok niego oraz się oddala. Christian Johann Doppler (1803-1853), Austriak w pracy z roku 1842 zauważył również to, że kolor świecącego światła , tak samo jak wysokość dźwięku, powinna ulegać zmianie na skutek względnego ruchu ciała oraz osoby obserwującej. Zjawisko to zwane jest zjawiskiem Dopplera, pojawia się dla wszelkich możliwych fal.

Literatura:

- Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie techniczne - Z. Kamiński

- Fizyka M. Jeżewski

- Fizyka tom 1 - R. Resnick, D. Halliday

- Fizyka dla klas III technikum i Liceum Zawodowego - J. Morawiec E. Kozaczka