Fale akustyczne. Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość. ciśnienie atmosferyczne

Transkrypt

1 Fale akustyczne Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość ciśnienie atmosferyczne

2 Fale podłużne poprzeczne długość fali λ = v T T = 1/ f okres fali f - częstotliwość

3 Prędkość dźwięku

4 Fale i dźwid więki Odbicie na granicy ośrodków fala akustyczna ulega odbiciu załamaniu i absorpcji Echo fala padająca i odbita ulegają interferencji na dużych odległościach Pogłos fala padająca i odbita ulegają interferencji na małych odległościach Dudnienie dwa źródła o zbliżonych częstotliwościach

5 Cechy dźwid więku Wysokość określa częstotliwość dźwięku Barwa subiektywne wrażenie słuchowe związane z ilością harmonicznych w dźwięku Głośność lub natężenie dźwięku określa ilość energii niesioną przez falę dźwiękową

6 Harmoniczne...

7 Fala zawierająca tylko jedną częstotliwość to w akustyce ton a w optyce fala monochromatyczna. Ton to zaburzenie sinusoidalne. Charakteryzuje go wysokość, zależna od częstotliwości i natężenie, wprost proporcjonalne do kwadratu amplitudy drgań źródła tonu. Dźwięk to zaburzenie niesinusoidalne. Jest ono wypadkową tonu podstawowego i jego harmonicznych. Natężenie i wysokość dźwięku są takie same jak dla tonu podstawowego. Oprócz wysokości i natężenia dźwięk posiada jeszcze barwę. Barwa zależy od częstotliwości i natężenia wyższych harmonicznych.

8 Barwa dźwięku ton dźwięk

9 Barwa dźwięku

10 Fale akustyczne w środowisku Infradźwięki poniżej 20 Hz Zakres słyszalny 20 do Hz Ultradźwięki powyżej Hz Zjawiska naturalne Hałas Działalność człowieka

11 Zakres dynamiczny ucha wynosi od W/m 2 do 1 W/m N/m 2 lub 20 µpa Wprowadzono jednostkę względna w stosunku do progu słyszalności i zastosowano skale logarytmiczną L = log I/I 0 [1 bel] L=1 odpowiada I/I 0 równe 10:1 L =10 log I/I 0 [1dB]

12 Natężenie dźwięku Jest to stosunek energii E, którą przenosi fala dżwiękowa przez 1m 2 powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali w jednostce czasu E W I = [ I] = [ St m 2 ] Czułość ucha ludzkiego na dźwięk o słabym natężeniu jest stosunkowo duża w zakresie częstotliwości od 500 do 4000 Hz Np. dla 1000 Hz próg słyszalności I 0 = W/m 2 Przy bardzo dużych natężeniach dźwięku odczuwamy ból. Minimalne natężenie przy którym zaczynamy go odczuwać to tzw. próg bólu. Dla 500 Hz I PB = 1 W/m 2

13 Natężenie dźwięku c.d... Inną popularną jednostką natężenia dźwięku jest decybel [db] Jeśli natężenie dźwięku I wynosi np. z decybeli to: z = 10log I I 0 np. natężenie progu bólu wyniesie: I0 z pb = 10log = 120decybeli I 0 Pytanie: Ile db wynosi natężenie dźwięku na progu słyszalności?

14 Przykładowe natężenia w decybelach: Próg słyszalności - 0 db Szum w cichym pokoju - 30 db Głośna rozmowa z 5 metrów - 70 db Orkiestra symfoniczna z 5 metrów db Warkot samolotu z 5 metrów db Osoby narażone na hałas powyżej 100 db powinny ochraniać słuch!!!

15 Prędkość rozchodzenia się fal w ośrodkach sprężystych zależy od: -jednorodności ośrodka -rodzaju fali (podłużna czy poprzeczna) -kierunku drgań w przypadku fal poprzecznych -częstotliwości drgań (dyspersja)

16 Rozchodzenie się dźwięku W gazach v = κrt µ v - prędkość µ - masa molowa κ -c p /c v T - temperatura W cieczach E v = ρ E- moduł Younga ρ -gęstość W ciałach stałych

17 O tym, czy fala sprężysta jest podłużna czy poprzeczna decydują własności sprężyste ośrodka. Fale sprężyste poprzeczne powodują zmiany kształtu ciała i mogą rozchodzić się jedynie w ośrodkach mających tzw. sprężystość postaci, o której decyduje moduł sztywności, czyli w ciałach stałych. Fale podłużne mogą rozchodzić się w ciałach stałych, cieczach i gazach i polegają na okresowej zmianie gęstości ośrodka, uwarunkowanej odkształceniem objętości i zależnej od modułu ściśliwości ośrodka (wyjątek fale na powierzchni cieczy) v = M ρ gdzie M to odpowiedni moduł sprężystości: M=G (moduł sztywności) dla fali poprzecznej M=K (moduł ściśliwości) dla fali podłużnej

18 Dla fal podłużnych rozchodzących się w cieczy: v = K ρ gdzie K = dp dv V W gazach K=κp gdzie κ=c p /c v κp v = = ρ κrt µ dla jednego mola gazu Gdzie R to tzw. stała gazowa R=8,3 J/mol K

19 Efekt Dopplera Polega na zmianie częstotliwości odbieranego przez obserwatora dźwięku w przypadku gdy on sam lub źródło są w ruchu. Zjawisko to występuje dla wszystkich rodzajów fal. 1) Poruszający się obserwator: Ilość fal odbieranych przez ucho nieruchomego obserwatora to vt/λ Ilość fal odbieranych przez ucho ruchomego obserwatora to Odbierana częstotliwość to ilość długości fal w jednostce czasu: v ' = f 1 ± v f 0 vt v0t + ' λ v f = = + t λ vt vt + 0 λ λ v λ λ 0 f v ' = f 1 + v o

20 Efekt Dopplera c.d... obserwator v ź f v f v f v z z = = λ λ' ) ( 1 ' v z v f f v = v z v v f f = ' v z v v f f m = ' 2) Poruszające sięźródło λ λ λ = '

21 Powstawanie fali dziobowej Gdy prędkość źródła się zmienia Samolot przekracza prędkość dźwięku

22 Fale dziobowe i uderzeniowe (v z > v) źródło wyprzedza falę Stożkowa fala uderzeniowa v ź Stosunek v z /v to w aerodynamice tzw. liczba Macha v z t

23 Słuchawki redukujące hałas i szum Sygnał hałasu Sygnał generowany przez głośnik Sygnał docierający do słuchacza Docierający hałas jest wykryty przez mikrofon, który połączony z układem elektronicznym generuje falę o przeciwnej amplitudzie