Co to są fale akustyczne?

Fale akustyczne, nazywane również falami dźwiękowymi, to cyklicznie następujące po sobie zmiany ciśnienia i gęstości, rozchodzące się w ośrodku w postaci fali podłużnej, którym towarzyszą drgania cząsteczek ośrodka. Fale te możemy podzielić w zależności od ich częstotliwości na:

– fale infradźwiękowe (poniżej 16 Hz)

 – fale dźwiękowe (od 16 Hz do 20 kHz) – jedyne słyszane przez człowieka

– fale ultradźwiękowe (powyżej 20 kHz)

– fale hiperdźwiękowe (powyżej 1010 Hz)

 

Fale akustyczne cechują się wieloma charakterystycznymi zależnościami i zjawiskami. Warto przyjrzeć się kilku najważniejszym.

Zależności parametrów fali akustycznej:

  1. Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości – im większa częstotliwość fali, tym wyższy dźwięk
  2. Głośność dźwięku zależy od natężenia – jeśli rośnie natężenie fali, dźwięk jest głośniejszy, choć zależność między natężeniem a głośnością nie jest liniowa.
  3. Barwa zależy od składu widmowego fali akustycznej – pozwala np. odróżniać dźwięki wytwarzane przez różne źródła.

 

Zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal akustycznych:

 

Odbicie fal dźwiękowych – następuje gdy fala napotyka na swej drodze nieprzenikliwą przeszkodę. Wówczas ulega odbiciu według ogólnych praw odbicia fal. Zjawisku odbicia dźwięku może towarzyszyć wytworzenie się echa, które powstaje 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.

Załamanie fal dźwiękowych – zmiana kierunku rozchodzenia się fali (elektromagnetycznych, akustycznych) przy przejściu przez granicę 2 ośrodków, a także w ośrodku jednorodnym, w którym prędkość fali zmienia się w sposób ciągły.

Interferencja fal dźwiękowych. – zja­wi­sko nakła­da­nia się fal pro­wa­dzące do zwięk­sza­nia lub zmniej­sza­nia ampli­tudy fali wypad­ko­wej. Inter­fe­ren­cja zacho­dzi dla wszyst­kich rodza­jów fal (elek­tro­ma­gne­tycz­nych, mecha­nicz­nych, de Bro­glie itd.), we wszyst­kich ośrod­kach, w których mogą roz­cho­dzić się dane fale. 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.

Dudnienie – nakładanie się dwóch dźwięków o różniących się nieznacznie częstotliwościach (ucho ludzkie jest w stanie usłyszeć różnice do 7 Hz)

Pogłos – zjawisko stopniowego zanikania energii dźwięku po ucichnięciu źródła. Jest związane z występowaniem dużej liczby fal odbitych od powierzchni pomieszczenia. Ucho ludzkie odczuwa pogłos jako przedłużenie dźwięku. Mamy z nim do czynienia bardzo często na klatkach schodowych, korytarzach i w pustych pomieszczeniach – wszędzie tam, gdzie występują duże powierzchnie dobrze odbijające dźwięk. Pogłos jest określany ilościowo przez czas pogłosu, czyli ilość sekund potrzebną na spadek poziomu ciśnienia akustycznego o 60 dB. Czas pogłosu jest jedną z podstawowych wielkości określających warunki akustyczne sal koncertowych, studiów.

Zjawisko Dopplera – zjawisko fizyczne polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości fali wysyłanej przez jej źródło oraz częstotliwości fali rejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem tego źródła. 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.