Fale dźwiękowe — powstawanie i właściwości
Fala dźwiękowa to drgania rozchodzące się w ośrodku sprężystym. Jest falą podłużną, więc wymaga ośrodka i nie rozchodzi się w próżni, a jej prędkość zależy od rodzaju materiału.
Dźwięk jest zjawiskiem mechanicznym, a nie promieniowaniem — to rozróżnienie wyjaśnia wszystkie jego właściwości. Poniżej mechanizm i praktyczne konsekwencje.
Jak powstaje dźwięk
Źródłem jest zawsze drgające ciało: struna, membrana głośnika, struny głosowe. Drgania powodują naprzemienne zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka, które rozchodzą się na boki.
Fala dźwiękowa jest podłużna — cząsteczki drgają wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali, a nie w poprzek. To odróżnia ją od fal na wodzie.
Dlaczego dźwięk nie rozchodzi się w próżni
Bo potrzebuje cząsteczek, które przekażą drgania dalej. Bez ośrodka nie ma czego zagęszczać ani rozrzedzać.
Stąd cisza w przestrzeni kosmicznej — eksplozje w filmach science fiction są konwencją, nie faktem. Klasyczne doświadczenie polega na umieszczeniu dzwonka pod kloszem i odpompowaniu powietrza: dzwonek nadal widocznie drga, ale przestaje być słyszalny.
Prędkość dźwięku
- Powietrze — około 340 m/s
- Woda — około 1500 m/s
- Stal — około 5000 m/s
Zależność jest odwrotna do intuicji: im gęstszy i bardziej sprężysty ośrodek, tym szybciej biegnie dźwięk. W ciałach stałych cząsteczki leżą blisko siebie i szybciej przekazują drgania.
W powietrzu prędkość rośnie wraz z temperaturą, bo cząsteczki poruszają się energiczniej.
Cechy fali a cechy dźwięku
- Częstotliwość → wysokość dźwięku; im wyższa, tym dźwięk wyższy
- Amplituda → głośność; im większa, tym głośniej
- Kształt fali → barwa dźwięku
Barwa tłumaczy, dlaczego ta sama nuta zagrana na skrzypcach i na pianinie brzmi inaczej — częstotliwość jest identyczna, ale towarzyszące jej tony składowe różne.
Echo i pogłos
Echo to odbicie fali docierające na tyle późno, by odebrać je jako osobny dźwięk. Wymaga to opóźnienia co najmniej jednej dziesiątej sekundy, czyli przeszkody oddalonej o ponad 17 metrów.
Pogłos powstaje przy krótszym opóźnieniu — odbicia zlewają się z dźwiękiem pierwotnym, przedłużając go. To on decyduje o brzmieniu wnętrz, dlatego sale koncertowe projektuje się z uwzględnieniem czasu pogłosu.
Natężenie dźwięku i decybele
Głośność mierzy się w decybelach, a skala jest logarytmiczna. Wzrost o 10 dB oznacza dziesięciokrotnie większe natężenie, a nie dziesięć procent więcej. Dlatego 90 dB jest sto razy intensywniejsze niż 70 dB, choć liczby różnią się o jedną czwartą.
Punkty odniesienia: szept to około 30 dB, rozmowa 60, ruchliwa ulica 80, koncert 110. Uszkodzenie słuchu zaczyna się przy długotrwałej ekspozycji powyżej 85 dB, a próg bólu leży w okolicach 130 dB. Logarytmiczny charakter skali tłumaczy, dlaczego pozornie niewielkie przekroczenie normy hałasu bywa w rzeczywistości wielokrotnym wzrostem energii docierającej do ucha.
Efekt Dopplera
Dźwięk zbliżającego się źródła wydaje się wyższy, a oddalającego niższy. Nie zmienia się przy tym częstotliwość emitowana, lecz odbierana — kolejne zagęszczenia docierają częściej albo rzadziej.
Zjawisko słychać przy przejeżdżającej karetce i wykorzystuje się je w radarach drogowych oraz badaniach ultrasonograficznych przepływu krwi. W astronomii ten sam efekt, zastosowany do światła, pozwolił stwierdzić, że galaktyki oddalają się od siebie.