Podstawowe pojęcia. Rozchodzenie się dźwięku. Fale akustyczne

Transkrypt

1 Wykład VI Fale akustyzne propagaja fal dźwiękowyh dźwięk w muzye europejskiej ehy natężenie głośność barwa prę rezonans akustyzny zjawisko Dopplera ultradź i infradź Podstawowe pojęia akustyka - dział fizyki zajmująy się falami dźwiękowymi fala dźwiękowa (akustyzna) - dowolna fala podłużna rozhodząa się w ośrodku sprężystym dźwięk - wrażenie słuhowe wytworzone przez falę akustyzną ton - sinusoidalna fala dźwiękowa o śiśle określonej zęstotliwośi, amplitudzie i fazie dźwięk słyszalny - dźwięk o zęstotliwośi i amplitudzie rejestrowalny dla uha przeiętnego złowieka rozdzielzość zasowa słuhu - minimalny odstęp zasowy pomiędzy dwoma następująymi po sobie dźwiękami, pozwalająy na odebranie ih jako osobnyh (złowiek: ~50 ms) Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 1 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski Rozhodzenie się Rozhodzenie się propagaja w zależnośi od ośrodka iała iekłe i lotne - fala polegająa na przemieszzaniu się zagęszzeń i rozrzedzeń ośrodka (wyłąznie fala podłużna z powodu braku sprężystośi postai ośrodka) iała stałe - fala polegająa na rozhodzeniu się naprężeń lub odkształeń mehaniznyh (fala podłużna lub poprzezna w związku ze sprężystośią postai ośrodka) opis propagaji fal akustyznyh zasada superpozyji zasada Huygensa-Fresnela równanie falowe zjawiska zahodząe z udziałem fal dźwiękowyh odbiie załamanie dyfrakja interferenja odbiie od powierzhni gładkih pogłos - odbita fala akustyzna powraająa do obserwatora z opóźnieniem krótszym niż ~0.1 s (dwukrotna rozdzielzość zasowa słuhu) eho odbita fala akustyzna powraająa do obserwatora z opóźnieniem dłuższym niż ~0.1 s Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 3 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 4 Dźwięk k w muzye europejskiej Dźwięk k w muzye europejskiej wysokość - zęstotliwość tonu podstawowego strój używany od 1939 r.: a 1 / 440 Hz skala - podstawowy zestaw dźwięków muzyznyh oktawa razkreślna dźwięk A A 1 A a a 1 a a 3 a 4 dźwięk 1 d 1 e 1 f 1 g 1 a 1 h 1 zęstotliwość (Hz) zęstotliwość (Hz) półton - najmniejsza stosowana odległość dźwięków, odpowiadająa stosunkowi ih zęstotliwośi równemu ały ton - odległość dźwięków odpowiadająa stosunkowi ih 6 zęstotliwośi równemu widmo - funkja I I() lub I I(ω) harakteryzująa rozkład poszzególnyh zęstotliwośi w złożonym (dź muzyzne - widmo dyskretne, szumy - widmo iągłe) Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 5 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 6 1

2 Natęż ężenie dźwid więku natężenie I - stosunek moy P fali akustyznej (inazej szybkośi przenoszenia energii) do pola powierzhni S, na którą pada fala P I S W [ I ] m punktowe źródło izotropowe P I ( r) 4πr Prawo Webera-Fehnera prawo fenomenologizne opisująe reakję zmysłu ludzkiego na zmianę fizyznej miary danego bodźa, dotyząe m.in. wzroku słuhu węhu odzuwania temperatury odpowiedź układu biologiznego (wrażenie w) zależy nie od bezwzględnej wielkośi bodźa b, a od jego względnej zmiany w log b b 0 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 7 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 8 Głośność Barwa dźwid więku dolny próg słyszalnośi - minimalne natężenie I 0 o zęstotliwośi 1 khz, przy którym w uhu ludzkim pojawia się wrażenie słuhowe głośność β o natężeniu I β log [ β ] B I I 0 1B 10 db wzrost natężenia o zynnik 10 - wzrost głośnośi o 10 db subiektywna eha umożliwiająa odróżnianie dźwięków o tej samej wysokośi i głośnośi, pohodząyh z różnyh źródeł (np. wydawanyh przez różne instrumenty muzyzne) zynniki kształtująe barwę sposób wzbudzania widmo (zawartość tonów harmoniznyh, wzajemne stosunki ih amplitud, obeność obszarów rezonansowyh, tzw. formantów) dynamika (zmienność w zasie) Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 9 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 10 pierwsza odnotowana próba wyznazenia prędkośi w powietrzu - pomiar zasu między błyskiem a hukiem wystrzału z odległego działa, wynik 450 m/s (M. Mersenne, Harmonie universelle, 1636 r.) wybrane narzędzia pomiarowe dwa odległe mikrofony i osyloskop mikrofon, głośnik i osyloskop (figury Lissajous) rura Quinkego rura Kundta wygodna, przybliżona wartość prędkośi w powietrzu 1 km 3 s wzór Newtona-Laplae a K ρ - prę w ośrodku, ρ - gęstość ośrodka, K - moduł sprężystośi objętośiowej (miara odpornośi ośrodka na zmianę objętośi pod wpływem zmiany iśnienia) K V Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 11 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 1

3 wzór Poissona dla przemiany adiabatyznej gazu doskonałego pv κ C κ C onst. p V sposób wyznazenia modułu sprężystośi ln( pv κ ) ln( onst.) ln p + κ lnv ln( onst.) + κ 0 p V p κ V p K V V ( κ ) κp V prę w gazie doskonałym κp ρ Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 13 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 14 temperatura pokojowa, różne ośrodki ośrodek (m/s) diament 1000 żelazo 5130 guma 1600 woda 1493 rtęć 1450 alkohol metylowy 1143 wodór 186 hel 97 powietrze powietrze, przybliżona zależność od temperatury ( T) T [ T] C, [ ] T ( C) m s (m/s) Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 15 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 16 Rezonans akustyzny zjawisko wzrostu amplitudy drgańźródła (np. struny) zahodząe przy śiśle określonyh wartośiah zęstośi (tzw. rezonansowyh) przykłady rezonans dwóh kamertonów instrumenty muzyzne fale stojąe w strunah i piszzałkah pudła rezonansowe rura Quinkego rura Kundta Drgania rezonansowe struny warunek powstania fali stojąej n λ L, n 1,, 3,... zęstotliwośi rezonansowe n n L pierwsza harmonizna (mod podstawowy) - drganie o najniższej zęstośi rezonansowej szereg harmonizny - zbiór wszystkih możliwyh drgań własnyh Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 17 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 18 3

4 Drgania rezonansowe powietrza w piszzałe e piszzałka obustronnie otwarta λ n L, n n L n 1,, 3,... piszzałka jednostronnie otwarta λ n L, 4 n n 4L n 1, 3, 5,... Chordofony i aerofony dopasowanie rozmiarów do zakresu długośi emitowanyh fal dźwiękowyh Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 19 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 0 Rura Quinkego rura z wodą (w zęśi niewypełnionej) - rezonator typu piszzałki jednostronnie otwartej regulaja poziomu wody w rurze za pośrednitwem nazynia rezonans przy zgodnośi zęstośi drgań kamertonu z jedną z zęstośi drgań własnyh słupa powietrza n λ h, n 1, 3, 5,... 4 Rura Kundta wzbudzanie drgań pręta poprzez poieranie zwilżonym suknem regulaja długośi rury przy pomoy tłozka rezonans przy zgodnośi zęstośi drgań pręta z jedną z zęstośi drgań własnyh słupa powietrza w rurze nagromadzenie okruhów korka w węzłah (brak drgań) Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 1 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski zmiana odbieranej zęstotliwośi spowodowana ruhem źródła i/lub obserwatora rys historyzny Doppler (184 r.) - obserwaja zmiany barwy światła gwiazd w układzie podwójnym, opis niepełny Buys-Ballot (1845 r.) - weryfikaja doświadzalna dla fali akustyznej (lokomotywa iągnąa wagon z trębazami), upamiętniona przez BBC Fizeau (1848 r.) niezależna obserwaja dla fal elektromagnetyznyh przypadek nr 1a: źródło fali o zęstotliwośi zbliża się z prędkośią u do nieruhomego obserwatora zmiana odległośi źródło - obserwator s w zasie pojedynzego okresu T u s ut długość λ fali odbieranej przez obserwatora λ' λ s zęstotliwość rejestrowana przez obserwatora ' λ' λ s u u Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 3 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 4 4

5 przypadek nr 1a: źródło fali o zęstotliwośi zbliża się z prędkośią u do nieruhomego obserwatora ' u ' > przypadek nr 1b: źródło fali o zęstotliwośi oddala się z prędkośią u od nieruhomego obserwatora ' + u ' < przypadek nr a: obserwator zbliża się z prędkośią w do nieruhomego źródła o zęstotliwośi + w ' ' > przypadek nr b: obserwator oddala się z prędkośią w od nieruhomego źródła o zęstotliwośi w ' ' < Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 5 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 6 przypadek nr 1a - uzupełnienie ' u u '??? u > ' < 0??? dla fal elektromagnetyznyh u > niemożliwe, lez dla fal akustyznyh owszem (np. samoloty naddźwiękowe) lizba Maha - stosunek prędkośi źródła do prędkośi w danym ośrodku u M Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 7 powstawanie fali uderzeniowej tworząej tzw. stożek Maha sin θ 1 M samoloty naddźwiękowe i poiski - grom uderzeniowy Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 8 Infradźwi, ultradźwi i hiperdźwi zakres zułośi uha ludzkiego: 16 Hz - 0 khz infradź - dź o zęstotliwośi niższej niż 16 Hz ultradź - dź o zęstotliwośi w zakresie 0 khz - 1 GHz hiperdź - dź o zęstotliwośi wyższej niż 1 GHz Infradźwi źródła naturalne burze, trąby powietrzne, silne wiatry wodospady, fale morskie wybuhy wulkanów, trzęsienia ziemi komunikowanie się zwierząt (m.in. aligatory, hipopotamy, orki, żyrafy) sztuzne transport lotnizy i iężki transport drogowy elektrownie wiatrowe wieże wiertnize i ruroiągi duży zasięg (słabe tłumienie, ekrany akustyzne mało skutezne) prawdopodobny negatywny wpływ na organizm złowieka Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 9 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 30 5

6 Ultradźwi Ultradźwi źródła naturalne eholokaja zwierząt (m.in. delfiny, nietoperze) sztuzne syrena mehanizna gwizdek Janovsky ego-pohlmana elektrostrykja (odkształanie materiału w polu elektryznym) magnetostrykja (odkształanie materiału ferromagnetyznego w polu magnetyznym) wyładowania w płynah detekja najzęśiej z wykorzystaniem efektu piezoelektryznego (powstawanie różniy potenjałów na przeiwległyh śianah kryształu pod wpływem fali uderzeniowej) zastosowania medyyna obrazowanie (USG) litotrypsja (kruszenie kamieni) fizykoterapia zabiegi kosmetyzne lokaja (dalmierz, sonar, USID) mikroskopia akustyzna defektoskopia zgrzewanie ultradźwiękowe ozyszzanie drobnyh obiektów w łaźni ultradźwiękowej sonohemia Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 31 Fizyka ogólna 3 fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 3 6