1

2 Co to jest dźwięk ? ► Dźwięk – fala akustyczna rozchodząca się w danym ośrodku sprężystym (ciele stałym, płynie, gazie) zdolna wytworzyć wrażenie słuchowe, które dla człowieka zawarte jest w paśmie między częstotliwościami granicznymi od ok. 16 Hz do 20 kHz. ► Drgania akustyczne, których częstotliwość jest tak mała, że nie są słyszalne nazywamy infradźwiękami, zaś których częstotliwość jest tak duża, że również nie są słyszalne nazywamy ultradźwiękami. Dźwięk, jako drgania cząsteczek, może rozchodzić się tylko w ośrodku sprężystym. Wynika z tego, że mamy do czynienia z ruchem falowym, który charakteryzuje się tym, iż cząsteczka pobudzona przekazuje energię cząstce sąsiedniej, a sama drga wokół własnej osi. Mamy trzy ośrodki sprężystości: - gazowy - ciekły - stały ► W potocznym znaczeniu każde rozpoznawalne przez człowieka pojedyncze wrażenie słuchowe. ► W potocznym znaczeniu dźwięk to każde rozpoznawalne przez człowieka pojedyncze wrażenie słuchowe.

3 Historia dźwięku ► Kiedy zapisano pierwsze dźwięki? ► Pierwszego zapisu dźwięku za pomocą urządzenia zwanego fonografem dokonał w 1877 r. Amerykanin Thomas Alva Edison. Drgająca membrana przechwytywała dźwięki i przekazywała je na igłę żłobiącą spiralny rowek w obracającym się wałku pokrytym metalową folią. Ponowne przejście igły wzdłuż wyrytych na wałku rowków umożliwiało wprawienie w ruch innej membrany połączonej z tubą głosową. ► Dźwięk (w rozumieniu akustyki) składa się z tonów.

4 Klasyfikacja dźwięków ► Obiektywna klasyfikacja dźwięków jako fal: ► ton ► wieloton (dźwięk o widmie prążkowym)  harmoniczny  nieharmoniczny ► szum (mający widmo ciągłe)  szum biały  szum barwny ► Subiektywna klasyfikacja dźwięków jako wrażeń słuchowych: ► mające określoną wysokość (tony, wielotony harmoniczne) ► nie mające określonej wysokości (szumy, wielotony nieharmoniczne).

5 Prędkość dźwięku ► Prędkość dźwięku w określonym ośrodku jest prędkością rozchodzenia się w nim zaburzenia mechanicznego. ► Prędkość dźwięku w substancjach zależy od prędkości przekazywania kolejnym cząsteczkom substancji zwiększonej ciśnieniem dźwięku prędkości cząsteczek. Dla małych natężeń dźwięku ta dodatkowa prędkość jest znacznie mniejsza od prędkości ruchu cieplnego cząsteczek, dlatego prędkość dźwięku nie zależy od natężenia dźwięku. ► W powietrzu w temperaturze 15°C przy normalnym ciśnieniu prędkość rozchodzenia się dźwięku jest równa 340 m/s = 1225 km/h. Prędkość ta zmienia się przy zmianie parametrów powietrza, najważniejszym czynnikiem wpływającym na prędkość jest temperatura, w niewielkim stopniu wpływ na prędkość ma wilgotność powietrza, nie zauważa się, zgodnie z przewidywaniami modelu gazu idealnego, ciśnienie nie wpływa na prędkość dźwięku. ► Prędkość rozchodzenia się dźwięku dla różnych ośrodków: ► woda - 1500 m/s ► powietrze - 340 m/s ► stal - 5100 m/s - 6000 m/s ► szkło - 6000 m/s ► rtęć - 1500 m/s ► lód - 3300 m/s ► beton - 3800 m/s

6 Bariera dźwięku ► Bariera dźwięku – potoczne, obrazowe określenie dotyczące zjawisk, które zachodzą w zakresie prędkości samolotu bliskich prędkości dźwięku. Przy prędkości dokładnie równej prędkości dźwięku nie dzieje się nic nadzwyczajnego, w szczególności nie powstaje grom dźwiękowy. Powyżej przedstawiono schematy ruchu ciała z prędkością niższą niż prędkość dźwięku (A), prędkością dźwięku (B) i prędkością ponaddźwiękową (C). A B C

7 Historia bariery dźwięku ► Termin "bariera dźwięku" powstał w notatniku dziennikarza, któremu w czasie udzielania wywiadu w latach 40. XX w. brytyjski inżynier lotniczy W. F. Hilton pokazał wykres ukazujący zdecydowany szczyt współczynnika oporu Cx, jaki napotyka samolot w zakresie prędkości w pobliżu prędkości dźwięku. Od tamtej pory, dzięki działaniu na wyobraźnię, zwrot ten istnieje w wielu językach. Niemniej poza takim wykresem żadna bariera, którą z hukiem można "pokonać", fizycznie nie istnieje. ► Pierwszym samolotem zdolnym do przekroczenia prędkości dźwięku, aczkolwiek dalekim od doskonałości w przystosowaniu do takich lotów, był Bell X-1, a "barierę" tę pokonał jako pierwszy Charles "Chuck" Yeager 14 października 1947. ► Najbardziej znanym wśród ludzi naddźwiękowym samolotem był Francusko-Brytyjski Concorde, który był w stanie rozwinąć prędkość 2,04 Ma (2 170 km/h)

8 Fale dźwiękowe ► Fale dźwiękowe to rodzaj fal ciśnienia. Ośrodki w których mogą się poruszać, to ośrodki sprężyste (ciało stałe, ciecz, gaz). Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki ośrodka (zgęszczenia i rozrzedzenia) bez zmiany ich średniego położenia. Drgania mają kierunek oscylacji zgodny z kierunkiem ruchu fali (fala podłużna). ► Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić cztery rodzaje tych fal: ► infradźwięki - poniżej 20 Hz, ► dźwięki słyszalne 20 Hz - 20 kHz - słyszy je większość ludzi, ► ultradźwięki - powyżej 20 kHz, ► hiperdźwięki - powyżej 10^10 Hz.

9 Efekt Dopplera ► Efekt Dopplera – zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości, a tym samym i długości fali, wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal propagujących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora. Rozchodzenie się fal dla prostego efektu Dopplera

10 Decybele ► Jednostka opisująca natężenie dźwięku. Decybel (dB) to jedna dziesiąta bela (od nazwiska Aleksandra Grahama Bella - wynalazcy telefonu). Decybel nie opisuje głośności dźwięku, gdyż ta jest parametrem subiektywnym - zależy od wrażliwości ucha słuchacza. Decybel wyraża logarytmiczny stosunek głośności dwóch sygnałów dźwiękowych. Z powodu logarytmicznych właściwości słuchu ludzkiego używanie tego typu jednostki okazało się bardziej praktyczne niż posługiwanie się bezwzględnymi wartościami. Dwukrotny wzrost natężenia dźwięku odpowiada trzem decybelom. Ok. 26 decybeli to próg słyszalności. Człowiek rozmawia z natężeniem dźwięku ok. 60 dB, słucha muzyki przy ok. 90 dB, a odgłos startującego samolotu odrzutowego to w tej skali 160-170 dB (już za granicą bólu, która wynosi ok. 130 dB)

11 Częstotliwość ► Częstotliwość określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość drgań, częstotliwość napięcia, częstotliwość fali.