Jak długi jest dźwięk
14 paź 2024
Kluczowe w pracy z dźwiękiem jest zrozumienie podstawowych zjawisk fizycznych z nim związanych. Dlatego w pierwszym odcinku serii „Czy wiedzieliście, że…” zajmiemy się tematem tego, czym dźwięk jest oraz jego najprostszych parametrów fizycznych. A przy okazji zastanowimy się co ma wspólnego fala o częstotliwości 20 Hz z przemierzającym oceaniczne bezkresy humbakiem.
Czym jest dźwięk?
Dźwięk pod względem fizycznym jest „falą”, a w zasadzie wrażeniem słuchowym wywoływanym przez małe, chwilowe zmiany ciśnienia w stosunku do stałego ciśnienia atmosferycznego, które fala powoduje. Zmiany te zachodzą poprzez drganie cząsteczek danego ośrodka – to znaczy odchylanie się ich względem położenia równowagi. Takie zaburzenie środowiska nazywamy falą akustyczną. Jeśli zachodzące zmiany powodują odbieranie przez człowieka wrażeń w zakresie jego słyszalności, mówimy o falach dźwiękowych. O falach poza tym zakresem opowiemy innym razem.
Czy wiesz, że… ?
Dokładne wartości prędkości dźwięku zależą od typu ośrodka oraz jego gęstości. Przykładowe uśrednione wartości przedstawiamy poniżej:
Powietrze: 340 m/s
Woda: 1500 m/s
Beton: 3800 m/s
Jakimi parametrami opisujemy fale?
Każdą falę opisujemy podstawowymi parametrami fizycznymi:
amplituda,
faza drgania,
częstotliwość lub proporcjonalny do niej okres fali,
długość fali.
Amplituda (A) to maksymalne odchylenie od położenia równowagi i wyrażana w paskalach przekłada się na poziom odbieranego przez nas dźwięku.
Faza drgania to opisywana grecką literą fi (∅) wielkość wyrażająca odchylenie cząsteczki od „średniego położenia” – na ilustracji ukazywanym przez oś x wykresu, wartość zero.
Okres (T) to najprościej mówiąc odcinek czasu, po którym dane zjawisko się powtarza. W tym przypadku cząsteczka wraca do tej samej pozycji.
Częstotliwość fali informuje nas ile okresów drgań mieści się w jednostce czasu – zazwyczaj za tę jednostkę przyjmujemy 1 sekundę i wtedy wartości częstotliwości wyrażamy w herzach. Nasze zmysły uzależniają wysokość odbieranego dźwięku właśnie od częstotliwości.
Długość fali definiujemy jako odległość pomiędzy dwoma punktami będącymi w tej samej fazie. Oznaczamy ją w fizyce grecką literą lambda (λ) i matematycznie obliczamy jako stosunek prędkości fali w danym ośrodku (c) do częstotliwości tej fali.
Wiedząc, że prędkość propagacji fali w danym ośrodku jest wartością przyjmowaną za stałą w danej temperaturze możemy z łatwością obliczyć długość fali o danej częstotliwości w wybranym ośrodku.
Podsumowanie
Według tego fale o najniższej słyszalnej przez człowieka częstotliwości (20 Hz) mają w powietrzu długość 17 metrów, a najwyższe (20 000 Hz) jedynie 1,7 centymetra!
Tym samym wracamy do wspomnianego na początku tego tekstu humbaka, który osiąga rozmiary przybliżone właśnie do fali o częstotliwości 20 Hz. Chociaż skoro humbaki żyją w oceanie, to może powinniśmy rozważyć długość tych fal w wodzie... Czy po dzisiejszej lekturze potrafisz to obliczyć?
Źródła do dalszej eksploracji tematu:
R. Makarewicz, Dźwięki i fale, Wydawnictwo Naukowe UAM, 2004
M. Kirpluk, Podstawy Akustyki, NTL, Warszawa 2024