FALE AKUSTYCZNE. Wytwarzanie fali akustycznej

Transkrypt

1 FALE AKUSTYCZNE Fale akustyczne to fale podłuŝne, rozchodzące się w ośrodkach ciągłych. Są słyszalne przez ucho ludzkie w zakresie częstości: Hz Hz. Mogą powstać wskutek drgań strun, słupów powietrza (np. instrumenty dęte), membran (bęben), czy płyt (cymbałki). Fale o częstościach niŝszych od słyszalnych nazywamy falami poddźwiękowymi lub infradźwiękowymi (częstości niŝsze od Hz). Są one wytwarzane przez źródła o duŝych rozmiarach, np. w czasie trzęsień ziemi. Fale o częstościach wyŝszych od słyszalnych (aŝ do Hz) nazywa się falami naddźwiękowymi lub ultradźwiękowymi, które są wytwarzane np. przez drgający kryształ kwarcu w zjawisku piezoelektrycznym. Wytwarzanie fali akustycznej Wyobraźmy sobie rurkę z jednej strony zatkaną tłokiem, wypełnioną powietrzem, lub innym gazem. Linie pionowe dzielą tą substancję na plasterki, mające równe masy. Oczywiście, tam gdzie linie są blisko siebie, ciśnienie i gęstość substancji są większe. Kiedy przesuniemy tłok w lewo substancja znajdująca się przed nim zostanie spręŝona, czyli jej ciśnienie i gęstość wzrosną. Następnie, warstwa zagęszczonej substancji przesuwa się do przodu podnosząc ciśnienie i gęstość następnego plasterka (przez rurkę przebiega impuls zgęszczenia). Natomiast jeśli cofniemy tłok to plasterek w jego sąsiedztwie rozpręŝy się i podobnie jak wcześniej przez rurkę przebiegnie impuls rozrzedzenia. Drgający w ten sposób tłok powoduje ciąg rozrzedzeń i zagęszczeń, przebiegający przez rurkę. W rurce powstaje fala podłuŝna, gdyŝ drgania gazu są równoległe do kierunku rozchodzenia się fali. Sytuacja ta została przedstawiona na rysunku 1. Rys. 1. Wytwarzanie fali podłuŝnej w rurce z tłokiem Podobnie jak to zrobiliśmy w przypadku fal poprzecznych, moŝna wyprowadzić równanie dla fali podłuŝnej. Parametrem spręŝystości, decydującym o prędkości fali podłuŝnej w gazie jest współczynnik spręŝystości objętościowej, K: V p K = V (1) W definicji powyŝszej występuje znak minus, aby K było dodatnie (wzrost ciśnienia powoduje zmniejszanie objętości). Nawiązując do wzoru Newtona (patrz poprzedni rozdział), prędkość rozchodzenia się omawianej fali podłuŝnej wynosi: 1

2 v = K ρ () Jeśli ośrodkiem jest gaz (np. powietrze) to K moŝna wyrazić przez ciśnienie p gazu niezaburzonego. Wykazaliśmy juŝ w poprzednim rozdziale, Ŝe jeśli temperatura gazu jest stała (T=const), to: K = p (3) Natomiast, jeśli fala rozchodzi się w gazie izolowanym termicznie (przemiana adiabatyczna), to moŝna wykazać, Ŝe: K = γp (4) gdzie γ=c p /C V jest stosunkiem ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu do ciepła właściwego przy stałej objętości. Tak więc, w tym przypadku prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej wynosi: γ p (5) v = ρ Równanie fali akustycznej Widzieliśmy juŝ, Ŝe równanie biegnącej fali poprzecznej moŝna wyrazić jako: ( kx t) y = ym sin ω (5) Identyczne równanie opisuje falę podłuŝną, z tym, Ŝe w takim przypadku y oznacza wychylenie cząstek ośrodka z połoŝenia równowagi, które jest równoległe do kierunku rozchodzenia się fali. A zatem: gdy y v fala podłuŝna (np. fala w rurze z gazem) gdy y v fala poprzeczna (np. fala na sznurze) Jak widzieliśmy na Rys.1, fala dźwiękowa rozchodząca się w powietrzu, moŝe być przedstawiona jako fala zaburzeń ciśnienia p(x,t) (w odniesieniu do ciśnienia równowagi p). Proste wyprowadzenie prowadzi do wniosku, Ŝe zaburzenia ciśnienia, wywoływane przez falę akustyczną, opisywane są równaniem analogicznym do Równ. 5, a mianowicie: ( kx t) p = p m sin ω (6) gdzie p m jest amplitudą zmian ciśnienia oraz: p m = kρv y m (ρ jest średnią gęstością gazu). Źródła fal dźwiękowych Zastanówmy się, jakie fale stojące mogą powstać na strunie instrumentu, takiego jak np. gitara. Podstawowym warunkiem, jaki trzeba uwzględnić, jest to, Ŝe w punktach zamocowania struny muszą być węzły fali stojącej. Jak juŝ widzieliśmy, narzuca to naturalną dyskretyzację moŝliwych długości fali:

3 λ l l = n λ = lub n gdzie l jest długością struny. Zagadnienie to zilustrowano na Rys.. (7) Rys.. MoŜliwe długości fal stojących, które powstają na drgającej strunie. A zatem ogólnie: Pamiętając ponadto, Ŝe: n f n = v l v = F µ otrzymujemy następujący szereg częstotliwości drgań, które mogą powstać na strunie: n n F f n = v = ; n = 1,,3,... (8) l l µ Podobną dyskretyzację powstających długości fali oraz częstotliwości zaobserwujemy w przypadku fletu (lub piszczałki) Rys. 3. Przedstawiona na tym rysunku piszczałka jest obustronnie otwarta, tak więc na obu jej końcach muszą wystąpić strzałki fali stojącej. W efekcie uzyskamy identyczny rozkład długości fali i częstotliwości drgań jak na strunie, czyli: l n λ = oraz f n = v ; n = 1,,3,... n l 3

4 Rys. 3. Fale stojące w piszczałce Na ogół dźwięk wytwarzany w kaŝdym instrumencie muzycznym (przez drgająca strunę lub słup powietrza), zawiera mieszankę kilku tonów: tonu podstawowego oraz kilku dźwięków o częstotliwościach będących wielokrotnością tonu podstawowego (czyli wyŝszych harmonicznych). Proporcja natęŝenia wyŝszych harmonicznych w stosunku do natęŝenia tonu podstawowego decyduje o barwie dźwięku. Na ogół ten sam dźwięk (ta sama nuta) zagrany na róŝnych instrumentach, np. na pianinie i na skrzypcach, ma inną barwę. Na Rys. 4 pokazano przykład widma akustycznego dwóch dźwięków o tym samym natęŝeniu i częstotliwości tonu podstawowego, a o róŝnej barwie. Rys. 4. Dwa dźwięki o tej samej częstotliwości tonu podstawowego, lecz o innej barwie. Po lewej stronie pokazano widma częstotliwościowe, (czyli amplitudy tonów składowych, zaś po prawej przebieg czasowy obu dźwięków. 4

5 Dudnienia Wyobraźmy sobie, Ŝe dochodzi do interferencji dwóch ciągów fal lub drgań (rozchodzących się w tym samym ośrodku), które mają tą samą amplitudę lecz nieco róŝne częstotliwości. Sytuację taką moŝemy wytworzyć dwa generatory akustyczne o nieco róŝnych częstotliwościach lub dwa minimalnie róŝniące się, drgające kamertony. W efekcie takiej interferencji usłyszymy wolno zmieniający swe natęŝenie dźwięk. Jest to właśnie zjawisko dudnień. Rozpatrzmy to zjawisko ilościowo. Wypiszmy równania dwóch interferujących drgań: y = y cos ω t y 1 = y m m 1 cos ω Oba wychylenia drgającego punktu ośrodka dodają się zgodnie z zasadą superpozycji: t ( cos ω t + cos t) y = y1 + y = y m 1 ω (9) Skorzystajmy z toŝsamości trygonometrycznej: a b a + b cosa + cos b = cos cos W świetle powyŝszego drgania wypadkowe (Równ. 9) opisane są następująca relacją: ω1 ω ω1 + ω y = ym cos t cos Wynik ten moŝemy dogodnie zinterpretować następująco: t (1) ω1 + ω y = A cos t gdzie ω1 ω A = ym cos t (11) A zatem moŝemy uwaŝać, Ŝe drgania wypadkowe mają częstość: ω1 + ω ω = czyli: y = A cos ωt (1) ale amplituda drgań jest wolnozmienną funkcją czasu: ω1 ω A = y m cos t PoniŜej przedstawiono ilustrację graficzną powstawania dudnień poprzez superpozycję dwóch drgań o nieco róŝnych częstotliwościach: 5

6 Rys. 5. Dodanie dwóch drgań o tych samych amplitudach, lecz o nieco róŝnych częstotliwościach prowadzi do powstania dudnień (rysunek górny); Dodano: y 1 = cos(1.4 * t) oraz y = cos(1.6 * t) (rysunek dolny). 6

7 Efekt Dopplera Jeśli występuje względny ruch źródła dźwięku i obserwatora, odbierana częstość dźwięku ulega zmianie. Obserwujemy to np. jadąc pociągiem. Sygnał lokomotywy pociągu, który jedzie z naprzeciwka, nagle staje się znacznie niŝszy, gdy lokomotywa nas minęła. Istotnym elementem jest to, Ŝe lokomotywa ta najpierw do nas się zbliŝała, a potem się od nas oddala Fala dźwiękowa rozchodzi się w powietrzu. Obserwowana częstotliwość dźwięku zaleŝy nie tylko od względnej prędkości źródła dźwięku i obserwatora, ale teŝ od tego, które z nich się porusza względem powietrza, a które jest nieruchome. Oto trzy typowe przypadki. Przypadek 1 : Źródło nieruchome, obserwator ruchomy. V O Gdy obserwator stoi, to odbierana przez niego częstotliwość: Gdy obserwator porusza się z prędkością v to jego prędkość względem czoła fali wynosi: v + v. Wtedy rejestrowana przez niego częstotliwość wyniesie:: f = v λ f ' = v + v v + v v + v = = f λ v v f (13) A zatem: v + v = f v f (14) Natomiast, gdy obserwator oddala się od nieruchomego źródła: v v f = f v (15) Wyniki opisane Rów. 14 i 15 moŝna zwięźle opisać jako: v ± v = f v f (16) Jest to wynik na rejestrowaną częstotliwość, gdy źródło dźwięku jest nieruchome, zaś obserwator się do niego przybliŝa (znak + w powyŝszym równaniu) lub oddala (znak ). 7

8 Przypadek : Obserwator nieruchomy, źródło dźwięku się porusza Tutaj wystąpi skrócenie długości fal, czyli zmniejszenie odległości między kolejnymi szczytami fali, jeśli obserwator będzie stał po lewej stronie od poruszającego się źródła. Jeśli częstotliwość drgań źródła dźwięku wynosi f, zaś prędkość źródła v z, to w czasie jednego okresu (T) źródło przesuwa się o: vz vz T = f O tyle skróci się długość fali docierającej do obserwatora (stojącego po lewej stronie na powyŝszym rysunku) i wynosi ona: vz λ = λ = f zaś rejestrowana przez obserwatora częstotliwość: v v v f = = ( v v ) = f z λ v v f v v z f f Natomiast, gdy źródło oddala się od obserwatora (na powyŝszym rysunku obserwator na prawo od poruszającego się źródła), to obserwowana przez niego długość fali wzrośnie, zaś rejestrowana częstotliwość zmaleje i wyniesie: z (17) f = f v v + v z (18) Oba powyŝsze wyniki moŝemy skrótowo zapisać: f = f v vm v z (19) Znak + w mianowniku odpowiada sytuacji, gdy źródło oddala się od obserwatora, zaś znak sytuacji, gdy źródło się zbliŝa. Przypadek 3 : Źródło i obserwator poruszają się 8

9 JeŜeli zarówno źródło jak i obserwator poruszają się, to efekty opisane Równ. 16 i 19 występują łącznie i wyraŝenia na poprawkę częstotliwości wymnaŝają się: f = f v v ± m v v z () Górne znaki w liczniku i mianowniku ( + i ) odpowiadają sytuacji, gdy źródło i obserwator poruszają się ku sobie, zaś znaki dolne gdy poruszają się od siebie. NatęŜenie fali na przykładzie natęŝenia fali dźwiękowej Problem natęŝenia fali (czyli energii przypadającej na jednostkę powierzchni czoła fali i na jednostkę czasu), rozwaŝymy na przykładzie fali podłuŝnej, takiej jak fala akustyczna rozchodząca się w powietrzu. Wyodrębnijmy w myślach cienką warstwę ośrodka. fala: prędkość V A A Rys. 1. Rozchodząca się fala wprawia cienką warstwę ośrodka w ruch drgający Całkowita energia w ruchu drgającym jest równa maksymalnej energii kinetycznej. A zatem energia mechaniczna warstwy wynosi: 1 1 (1) E = mu = mω A gdzie u o jest maksymalną prędkością w ruchu drgającym warstwy. PoniŜej podano krótkie wyprowadzenie na u o, które uŝyto w powyŝszym równaniu. x = Asin ωt W ruchu harmonicznym: dx u = = Aωcos ωt dt u = Aω WyraŜając masę warstwy m przez jej objętość (powierzchnia przekroju poprzecznego (S) razy szerokość ( x)) i gęstość ośrodka (ρ), energia warstwy wynosi: 9

10 E = ( ρs x) ω 1 A Czoło fali przesuwa się i dostarcza energii kolejnym takim warstwom. Prędkość przekazu energii do kaŝdej kolejnej warstwy o szerokości x : E 1 x = ρs ω A t t x gdzie t to czas przesunięcia się czoła fali o x. ZauwaŜmy, Ŝe v = jest prędkością t przesuwania się czoła (czyli prędkością fali), a zatem moc przenoszona przez powierzchnię S: 1 P = ρsω A v P Ostatecznie, natęŝenie biegnącej fali I = (czyli moc na jednostkę powierzchni) wynosi: S 1 () I = ρω A v ω ZauwaŜmy, Ŝe I ~ A v RozwaŜania powyŝsze dotyczyły fali płaskiej, ale uzyskane wyniki są poprawne w ogólnym przypadku. Na koniec zastanówmy się jak natęŝenie I zmienia się z odległością (r) od punktowego źródła drgań wytwarzającego falę kulistą. r ZałóŜmy, Ŝe źródło drgań (np. dźwiękowych) ma moc P. A zatem natęŝenie fali: P P I = = S 4πr gdzie S jest powierzchnią kuli o promieniu r. Widzimy więc, Ŝe natęŝenie fali kulistej: P I r (3) (3) 1

11 maleje szybko wraz z odległością od źródła dźwięku (jak 1/r ). Wiemy, np., z własnego doświadczenia, Ŝe juŝ po odsunięciu się 1 m od szosy, uciąŝliwość hałasu od samochodów znacznie spada. Czułość ucha ludzkiego Ucho ludzkie ma bardzo duŝą elastyczność, jeśli chodzi o rejestrację dźwięków z otoczenia. 1 Toleruje lub słyszy dźwięki o natęŝeniach w zakresie od 1 do 1 W m. Jest to ogromna rozpiętość, obejmująca dwanaście rzędów wielkości. Badania nad słuchem ludzkim pokazały, Ŝe w istocie ucho reaguje na natęŝenie dźwięku bardzo nieliniowo. Związek między fizycznym natęŝeniem dźwięku (I), a subiektywnym poziomem dźwięku (β) ujmuje prawo Webera Fechnera: β log I (4) Poziom wraŝenia dźwięku o natęŝeniu I wyraŝamy w decybelach (db): gdzie I I I (5) β = 1log = 1log 1 I 1 1 = 1 W jest natęŝeniem progu słyszalności dla tonu o częstotliwości 1 Hz. m Definicja ta nie uwzględnia jeszcze zaleŝności czułości ucha od częstotliwości fali. Dlatego w akustyce uŝywa się skali natęŝenia subiektywnego w fonach. Dwa tony o róŝnej częstotliwości, które są jednakowo głośne dla ucha, mają tą samą głośność wyraŝoną w fonach, przy czym głośność dowolnego tonu wynosi tyle fonów, ile wynosi natęŝenie (mierzone w db) tonu o częstotliwości 1 Hz, wywołującego to samo wraŝenie słuchowe. Przy wyznaczaniu głośności danego tonu porównujemy, zatem poziom odbieranego wraŝenia z poziomem wraŝenia tonu o częstotliwości 1 Hz i poszukujemy takiego natęŝenia tego drugiego, aby wraŝenia głośności wywołane przez obydwa tony było takie same. Oto przykłady głośności róŝnych dźwięków (w fonach): próg słyszalności szum w zacisznym pokoju 3 głośna mowa w odległości 5 m 7 orkiestra symfoniczna w odległości 5 m 1 Warkot samolotu w odległości 5 m 13 PoniŜszy rysunek pokazuje zaleŝność czułości ucha ludzkiego β (głośność wyraŝona w fonach) w funkcji częstotliwości. 11

12 DODATEK (materiał nadobowiązkowy dla chętnych) Paczki fal i prędkość grupowa Paczka drgań Prędkość fazowa fali (tzn. taka, jaką omawialiśmy powyŝej), określa jak szybko przemieszcza się czoło fali w danym ośrodku. Jednak w ośrodkach, w których prędkość fali zaleŝy od częstotliwości przenoszonych drgań (efekt ten opisuje tzw. relacja dyspersji), drugą waŝną charakterystyką jest prędkość grupowa. Wykazuje się, Ŝe ta ostatnia jest prędkością przenoszenia energii w ośrodku. W celu przybliŝenia pojęcia prędkości grupowej, rozwaŝmy przykład dudnień. Widzieliśmy juŝ, Ŝe dodanie dwóch ruchów drgających produkuje dudnienia. Przypomnijmy, Ŝe polegają one na znacznie wolniejszym oscylowaniu garbków wypadkowych drgań w funkcji czasu, niŝ drgań składowych patrz rysunek poniŝej 1

13 y t MoŜna pójść jeszcze dalej i dodać nieskończenie wiele drgań z odpowiednimi amplitudami; moŝliwe jest wycięcie wszystkich paczek oprócz jednej. Weźmy rozkład amplitud poszczególnych drgań w zaleŝności od częstości, zgodny z funkcją typu Gaussa: Ilustruje go poniŝszy rysunek: A ( ) = exp ( ω ω) ( ω) ω (d1) Rys. D1. Rozkład amplitud składowych drgań w celu otrzymania jednej wypadkowej paczki drgań Drganie wypadkowe uzyskamy przez zsumowanie (dokładniej: scałkowanie) nieskończonej ilości ruchów drgających: ( ω) y = A cosωtdω = exp ( ω ω) ( ω) cosωtdω (d) Korzystając z tablic całek otrzymujemy kształt wypadkowego drgania: t = exp 1 ω y cos ωt (d3) 13

14 Wyrysowano je poniŝej; pierwszy czynnik w Równ. d3 opisuje obwiednię wypadkowych drgań, zaś drugi drgania o średniej częstości ϖ. Rys. D. Pojedyncza paczka drgań uzyskana przez scałkowanie nieskończonej ilości drgań, zgodnie z relacją d. MoŜna wykazać, Ŝe: 1 (d4) t = ω gdzie t definiuje szerokość paczki drgań (por. Równ. d3). Widzimy zatem, Ŝe rozrzut częstości składowych fal sinusoidalnych (występujący w Równ. d1) jest równy odwrotności szerokości paczki fal t. Funkcję A ( ω) nazywa się transformatą Fouriera paczki fal. Prędkość grupowa (materiał nadobowiązkowy) Oczywiście moŝemy dodawać nie tylko drgania, ale takŝe fale sinusoidalne o róŝnych częstościach. Dodajmy dla prostoty tylko dwie fale, róŝniące się niewiele częstością i wektorem falowym: y = y Stąd na zasadzie superpozycji: y 1 cos ( k k) x ( ω ω) t) ( k + k) x ( ω + ω) t) = y cos (d5) m m ( x, t) y + y = cos ( ω) t ( k) [ x] cos( ωt kx) y 1 = (d6) gdzie π k = jest średnią liczba falową, zaś λ ω π = T jest średnią częstością obu fal. 14

15 Rys. D4 Paczki falowe powstające przez zsumowanie dwóch fal mało róŝniących wektorem falowym i częstością. ZauwaŜmy, Ŝe: A( x, t) cos[ ( ω) t ( k) x] = jest amplitudą powstałych paczek falowych (czyli funkcją modulującą). Prześledźmy jak przesuwa się wybrane maksimum otrzymanego rozkładu paczek falowych. Pozostajemy przy danym maksimum, gdy: ωt kx = x t = ω k v g = ω k (d7) Otrzymana prędkość v g nazywa się prędkością grupową; podkreślmy, Ŝe jest to prędkość z jaką poruszają się wszystkie grzbiety obwiedni. I znów, podobnie jak to było w przypadku drgań, moŝna dodać nieskończenie wiele fal sinusoidalnych, stosując gaussowski rozkład amplitud w funkcji k. Otrzymamy wtedy jedną paczkę falową (w funkcji x). Wykazuje się, Ŝe jeśli częstość drgań ośrodka zaleŝna jest od wektora falowego zgodnie z relacją (zwaną zaleŝnością dyspersji): ω = ω k (d8) to prędkość przemieszczanie się paczki falowej, czyli prędkość grupowa, wynosi: ( ) dω (d9) v g = dk Prędkość grupowa definiuje takŝe prędkość transportu energii przenoszonej przez tą sumaryczną falę. Prędkości fazowe poszczególnych fal składowych (v=ω/k, roŝne na ogół od prędkości grupowej) są nieistotne w opisie przekazu energii, gdyŝ drgania cząstek ośrodka zachodzą tylko w obrębie paczki falowej. Warto nadmienić, Ŝe paczki falowe znalazły bardzo waŝne zastosowanie w opisie ruchu mikrocząstek, czyli w mechanice kwantowej. Cząstki przedstawiamy tam jako paczki fal materii (kaŝda z nich jest funkcją falową, którą uzyskujemy z rozwiązania równania ω Schrödingera). Prędkość cząstki jest dana właśnie prze prędkość grupową v =. k 15