Fale dźwiękowe - ich właściwości i klasyfikacja ze względu na ich częstotliwość dr inż. Romuald Kędzierski
Czym jest dźwięk? Jest to wrażenie słuchowe, spowodowane falą akustyczną rozchodzącą się w ośrodku sprężystym, tzn. cieczach, gazach i ciałach stałych Jakie warunki muszą spełniać fale akustyczne, aby były przez człowieka słyszalne? każdy człowiek może inaczej odbierać dźwięki o danej częstotliwości i głośności! wraz z wiekiem zakres częstotliwości się zawęża (dotyczy to szczególnie częstotliwości wysokich) oraz podnosi się dolna granica poziomu głośności słyszalnych dźwięków!
Jakie fale akustyczne są słyszalne przez standardowego człowieka? ich częstotliwość powinna się zawierać w zakresie około: poniżej 16 Hz infradźwięki Działają na cały organizm ludzki wywołując drgania rezonansowe klatki piersiowej, przepony brzusznej i organów trawiennych. Może to doprowadzić do: zaburzenia oddychania, chorób układu trawienia, zakłócenia układu równowagi i zmniejszenia ostrości widzenia, skłonności do omdleń, drażliwości, drżenia rąk, zaburzenia snu, bólów i zawrotów głowy. Badania pokazują, że przy narażeniu na wysokie poziomy infradźwięków może wystąpić: - poczucie ucisku w uszach, dyskomfortu, nadmiernego zmęczenia, senności oraz zaburzenia sprawności psychomotorycznej i funkcji fizjologicznych, a nawet apatii i depresji.
powyżej 20 khz ultradźwięki W przypadku ultradźwięków o umiarkowanym natężeniu: - w komórkach maleje ph, zmienia się aktywność enzymów i przemiana materii, rośnie temperatura, poprawia się ukrwienie. Ultradźwięki o odpowiednim natężeniu mają działanie przeciwbólowe, przeciwskurczowe i przeciwzapalne. W przypadku ultradźwięków o dużym natężeniu: - mogą powodować omdlenia, krwotoki, a nawet zatrzymanie akcji serca. Może dojść również do uszkodzenia tkanek i narządów oraz poparzenia.
Fale dźwiękowe w rozchodzące się w powietrzu są to fale podłużne, których prędkość rozchodzenia się nie zależy (poza falami o bardzo dużej amplitudzie) od ich długości i częstotliwości, podczas rozchodzenia się dźwięku w powietrzu, dochodzi do lokalnych zagęszczeń i rozrzedzeń powietrza, tzn. zmienia się gęstość powietrza, prędkość dźwięku zależy od właściwości sprężystych ośrodka, w którym się rozchodzi, w gazach: - tzw. wykładnik adiabaty, dla doskonałych gazów dwuatomowych wynosi on 1,4 - tzw. uniwersalna stała gazowa, - tzw. temperatura bezwzględna gazu, tzn. wyrażona w kelwinach - tzw. masa molowa (cząsteczkowa) gazu, dla powietrza:
Co nazywamy tonem? Jest to tzw. dźwięk prosty, którego częstotliwość jest ściśle określona, o sinusoidalnym przebiegu zmian amplitudy od czasu i odległości od jego źródła. Jego źródłem może być kamerton lub generator akustyczny Od czego zależy wysokość dźwięku? Wysokość dźwięku zależy od jego częstotliwości. basy - tony niskie o częstotliwościach od 20 do ok. 300 Hz tony średnie - od około 300 do ok. 3000 Hz soprany - tony wysokie o częstotliwościach od 3000 do ok. 20000 Hz
Zadanie 1. Oblicz maksymalną i minimalną długość fali akustycznej, słyszalnej dla statystycznego człowieka, rozchodzącej się w powietrzu z prędkością 330 m/s. Do jakiego zakresu fal akustycznych, można zaliczyć fale o długości 10 centymetrów? Zadanie 2. Z chmury burzowej znajdującej się 1 km nad powierzchnią ziemi, nastąpiło pionowe wyładowanie atmosferyczne. Jak długo (ile sekund?) trwał efekt dźwiękowy tego wyładowania dla człowieka, znajdującego się w odległości 500 metrów od miejsca uderzenia pioruna w ziemię? Przyjmij, że dźwięk rozchodził się z prędkością 330 m/s, natomiast czas trwania efektu optycznego był wielokrotnie krótszy, niż czas trwania efektu akustycznego. Zadanie 3. Fale dźwiękowe po odbiciu się od przeszkody mogą powrócić w postaci tzw. echa. Oblicz odległość nieruchomego źródła dźwięku od wysokiego muru, jeżeli wyemitowany przez źródło krótki sygnał dźwiękowy powrócił w postaci echa po upływie 1 sekundy. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu wynosi około 340 m/s.
Zadanie 4. Motocyklista oddala się od szerokiego i wysokiego budynku ze stałą prędkością. W pewnej chwili wyemitował krótki sygnał dźwiękowy, który powrócił do niego w postaci echa po upływie 1,3 sekundy. Z jaką prędkością poruszał się motocyklista, jeżeli usłyszał echo znajdując się 200 metrów od budynku, a dźwięk rozchodził się z prędkością 330 m/s. Zadanie 5. Jacek i Tomek stoją przy szynach kolejowych wykonanych ze stali, a odległość między nimi wynosi 340 m/s. Tomek przyłożył ucho do szyny, natomiast Jacek uderzył w szynę trzymanym w ręce młotkiem. Tomek usłyszał dwa uderzenia o szynę odległe w czasie o 0,943 sekundy. Oblicz prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w stali. Prędkość dźwięku w powietrzu wynosiła 340 m/s.