Dźwięk - fale dźwiękowe.

W życiu codziennym człowiek spotyka się z wieloma różnymi dźwiękami i odgłosami. Nasze ucho jest doskonale przystosowane do odbierania tych fal głosowych. Dzięki małżowinie usznej dźwięki z naszego otoczenia wpadają do kanału słuchowego, gdzie wprawiają w ruch błonę bębenkową i przedostają się dalej ślimakiem do nerwów słuchowych. Potem przechodzą do ośrodka słuchu w korze mózgowej (płat skroniowy), gdzie są odbierane i interpretowane. Nauka zajmująca się własnościami dźwięku nazywana jest akustyką.

Dźwięk to po prostu fale rozchodzące się w powietrzu, które mogą być zidentyfikowane przez nasze uszy. Fale dźwiękowe można porównać do fale wody, z tą tylko różnicą, że poruszają się szybciej, około 1224 km/h oraz rozchodzą się w trzech płaszczyznach. Ciała wytwarzają dźwięki, drgając lub szybko poruszając się tam i z powrotem. W ten sposób w otaczającym powietrzu powstają fale dźwiękowe. Prawie każde ciało może drgać, wytwarzając dźwięki. Niekiedy drgania te można zauważyć gołym okiem. Dźwięki są drganiami, które odbieramy za pomocą słuchu. Inaczej niż w przypadku promieniowania elektromagnetycznego, dźwięk musi rozchodzić się w ośrodkach stałym, ciekłym lub gazowym.

Wśród wrażeń słuchowych rozróżniamy tony, dźwięki i szmery. Tony odpowiadają drganiom harmonicznym źródeł o jednej, ściśle określonej częstotliwości. Dźwięki powstają wtedy, gdy źródło, prócz fali podstawowej, o częstotliwości najmniejszej wysyła fale harmoniczne o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości fali podstawowej.
Szmery zaś SA to wrażenia słuchowe powstające wtedy, gdy do ucha dochodzą fale o różnych, dowolnych częstotliwościach. Nakładanie się bardzo dużej liczby tonów o dowolnej charakterystyce prowadzi do wrażenia hałasu. Tony proste występują niesłychanie rzadko. Dźwięk wydawany przez kamerton jest zbliżony do tonu prostego, gdyż jego składowe drgania harmoniczne są stosunkowo bardzo słabe w porównaniu z tonem podstawowym

Dźwięk to zaburzenie falowe w ośrodku sprężystym zdolne do wywołania wrażenia słuchowego, a także wrażenie słuchowe wywołane tym zjawiskiem. Dźwięki stanowią zachodzące z odpowiednią częstotliwością zmiany ciśnienia akustycznego. Źródłem dźwięku są ciała drgające i zawirowania powietrza. Dla człowieka słyszalne są dźwięki w zakresie częstotliwości 16 Hz - 20000Hz. Dźwięki o częstotliwości mniejszej to infradźwięki, większych ultradźwięki, hiperdźwięki.

Dźwięki mogą się różnić wysokością, natężeniem i barwą.
Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością drgań źródła: częstotliwością małym odpowiadają dźwięki niskie i odwrotnie. O wysokości często decyduje częstotliwość tonu podstawowego. Częstotliwość to liczba zderzeń lub cyklów danego zjawiska okresowego w jednostce czasu, na przykład w ciągu jednej sekundy. W przypadku przesuwającej się fali jest to ilość grzbietów fal, przechodzących przez wybrany punkt w jednostce czasu. Częstotliwość mierzy się w hercach (Hz). Częstotliwość jednego herca oznacza, że na jedną sekundę przypada jedno zderzenie. Jest liczbowo równa odwrotności okresu drgań

Natężenie dźwięku mierzy się ilością energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ustawionej prostopadle do promienia fali. Natężenie dźwięku wyraża się J/m2*s lub W/m2.

Trzecia cecha dźwięku, barwa dźwięku, wiąże się z jego złożonością. Częstotliwość barwie odbieranego dźwięku decydują: liczba składowych tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń. Różnice barwy można ustalać za pomocą słuchu a także badać je obiektywnie porównując krzywe zależności wychyleń źródła od położenia równowagi od czasu. Taka krzywa w przypadku źródła tonu prostego ma kształt sinusoidy. Ustalając liczbę występujących w danym dźwięku tonów harmonicznych i stosunki ich natężeń otrzymujemy charakterystykę danego dźwięku w postaci widma akustycznego.

Podstawowe zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal dźwiękowych:
1. Odbicie fal dźwiękowych. Gdy fala napotyka na swej drodze nieprzenikliwą przeszkodę ulega odbiciu według ogólnych praw odbicia fal. Czasem zjawisku odbicia dźwięku towarzyszy wytworzenie się echa gdy fala głosowa po odbiciu powraca do ucha obserwatora. Z odstępu czasu upływającego między nadaniem fali dźwiękowej i jej odbiorem w postaci echa można wnioskować o odległości przeszkody odbijającej do ucha obserwatora.

2. Załamanie fal głosowych. Przejściu fali głosowej do ośrodka o innej prędkości rozchodzenia się dźwięku towarzyszy na ogół zjawisko załamania podlegające również ogólnym prawom załamania.

3. Interferencja fal dźwiękowych. Jeżeli w danym ośrodku spotykają się dwie lub więcej fal głosowych o jednakowej częstotliwości, występuje zjawisko interferencji. W wyniku interferencji można otrzymać wzrost lub zmniejszenie wychyleń poszczególnych cząstek ośrodka od położenia równowagi, zależnie od różnicy faz nakładających się fal. Zwiększenie amplitudy drgań odpowiada wzrostowi natężenia tonu.

4. Dudnienie. Dudnieniem nazywamy nakładanie się dwóch dźwięków o różniących się w niewielkim stopniu częstotliwościach (ucho ludzkie jest w stanie usłyszeć różnice do 7 Hz)

5.Pogłos. Gdy dźwięk odbija się od ścian w pomieszczeniu, zwykle ma do przebycia stosunkowo niewielką odległość. Kolejne odbite dźwięki docierają do naszych uszu tak szybko po sobie, że nie odbieramy ich jako wyraźnego echa. Dźwięk taki może wędrować po pomieszczeniu ulegając wielokrotnemu odbiciu od ścian, szczególnie, gdy są one wyłożone bardzo twardym materiałem, jak na przykład kafelki w łazience. Wtedy poszczególne echa nakładają się na siebie przedłużając trwanie dźwięku. Zjawisko to nosi nazwę pogłosu. Jest zjawiskiem akustycznym. Miarą pogłosu jest czas trwania. Czas pogłosu jest jedną z podstawowych wielkości określających warunki akustyczne sal koncertowych, studiów.

Zakres słyszalności

Człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwościach od około 20 Hz do około 20 kHz (20000 Hz). Takie dźwięki nazywamy słyszalnymi. Dźwięki o niższych częstościach powodują wyraźnie odczuwalne drgania ciała i są raczej odczuwane niż słyszane. Górna granica zakresu słyszalności jest cechą osobniczą i obniża się z wiekiem. Dla porównania nietoperze słyszą dźwięki w zakresie od 1 do 100 kHz. Z częstością Dźwięku związana jest ściśle wysokość słyszanego tonu. Fala Dźwiękowa o niskiej częstości jest słyszana jako głęboki i niski głos - bas. Przeciwnie, dźwięk o wysokiej częstości, wysoki i przenikliwy - sopran.


Ultradźwięki
Dźwięki o częstotliwości większej niż górna granica częstotliwości dźwięku słyszalnego przez człowieka nazywamy ultradźwiękami. Jest to zaburzenie falowe rozchodzące się w środowisku sprężystym, związane z drganiami akustycznymi o częstotliwościach większych niż 20 Hz. Górna granica słyszalności u zwierząt jest niekiedy wyższa (na przykład pies może być przywoływany do właściciela za pomocą ultradźwiękowego gwizdka, którego dźwięku nie słyszą ludzie, także nietoperz wysyła ?piski? niesłyszalne przez człowieka). Ultradźwięki stosowane są w technice (między innymi w badaniach nieniszczących, obróbce materiałów), echolokacji, medycynie (ultrasonografia). W przyrodzie ultradźwięki występują jako składniki szumów naturalnych (wiatru, morza, deszczu i innych), także jako głosy świata zwierzęcego (nietoperzy, delfinów).

Infradźwięki
Są to poddźwięki, fale sprężyste nie wywołujące u człowieka wrażenia dźwięku, o częstotliwości mniejszej niż 16 Hz. Źródłem infradźwięków są: wyładowania atmosferyczne (pioruny), wiatr, różnego rodzaju eksplozje, trzęsienia ziemi, duże elementy drgające konstrukcji i urządzeń mechanicznych itp. Infradźwięki są słabo tłumione i rozchodzą się na duże odległości. Są wykorzystywane do wyznaczania miejsc wybuchów, w badaniach warstw atmosfery, hydrosfery i skorupy Ziemi. Infradźwięki o dużych natężeniach wpływają ujemnie na organizmy żywe.

Decybele

Decybel (dB) jest jednostką równą 0,1B (bela), określającą stosunek dwóch wartości pomiaru tej samej wielkości fizycznej, na przykład natężenia dźwięku. Zwykle jedna z tych wartości jest ustalona i nazywana poziomem odniesienia. Zwykle za poziom odniesienia odbieramy natężenie dźwięku ledwo słyszalnego, czyli tzw. próg słyszalności.

Zjawisko Dopplera
Jeżeli źródło dźwięku porusza się względem obserwatora to następuje pozorna zmian częstotliwości dźwięku odbieranych przez obserwatora. Gdy źródło oddala się od obserwatora to długość fal docierających do niego wzrasta a częstotliwość maleje (dźwięk niższy). Gdy źródło zbliża się do obserwatora długość fali maleje, a częstotliwość rośnie (dźwięk jest wyższy). Jeżeli źródło porusza się z prędkością większą od prędkości dźwięku to powstaje tzw fala uderzeniowa o kształcie stożka na powierzchni, którego następuje skokowa zmiana ciśnienia, gęstości ośrodka i temperatury.