Dźwięk: definicja, rodzaje, charakterystyka i częstotliwości

Dźwięk jest wokół nas. Używamy zmysłu dźwięku, aby poruszać się po naszym otoczeniu, komunikować się i cieszyć muzyką. Ale czym jest dźwięk? Jak powstaje i jak przenosi się z jednego miejsca do drugiego?

Dźwięk to rodzaj mechanicznej fali lub drgań materii. Fala to zakłócenie, które przemieszcza się w ośrodku z jednego miejsca do drugiego. Kluczem jest tutaj to, że punkty w ośrodku oscylują w miejscu, podczas gdy samo zakłócenie przemieszcza się.

Rozważmy na przykład falę wykonaną przez tłum podczas meczu piłki nożnej. Wentylatory w ich fotelach służą jako medium fal. Samodzielnie wstają, podnoszą ręce, a następnie siadają – oscylują w miejscu. Zakłócenie jednak rozchodzi się po całym stadionie.

Oscylacje w ośrodku występują zwykle w dwóch odmianach: Fale poprzeczne oscylują pod kątem prostym do kierunku podróży (jak z publicznością na stadionie, czy falą na sznurku), a fale podłużne oscylują równolegle do kierunku podróżować.

Fale dźwiękowe to fale podłużne. Kiedy fala dźwiękowa rozchodzi się przez ośrodek, taki jak powietrze, robi to, powodując wibracje cząsteczek powietrza, co powoduje zmiany w ciśnienie powietrza, powodujące kompresje (obszary wysokiego ciśnienia) i rozrzedzenia (obszary niskiego ciśnienia) w powietrzu jako fala podróże.

Pomyśl o zabawkowej sprężynce, takiej jak Slinky, rozciągniętej na stole, z jedną osobą trzymającą za każdy koniec. Jeśli jedna osoba przyciągnie Slinky do siebie, wyśle ​​wzdłużną falę w dół Slinky. Zobaczysz obszary cewek Slinky, które są gęściej rozmieszczone (kompresja) i luźniej (rozrzedzenia). Każdy punkt w Slinky oscyluje tam i z powrotem w miejscu, gdy zakłócenie przesuwa się z jednego końca na drugi.

Ponownie, dokładnie tak się dzieje z falami dźwiękowymi w powietrzu lub jakimkolwiek innym medium.

Podobnie jak w przypadku każdej innej fali, fale dźwiękowe powstają w wyniku początkowego zakłócenia lub wibracji. Na przykład uderzony kamerton wibruje z określoną częstotliwością. Gdy się porusza, wpada na otaczające go cząsteczki powietrza, okresowo je ściskając.

Skompresowane regiony przekazują tę energię również sąsiednim cząsteczkom powietrza, a zakłócenie przemieszcza się w powietrzu, aż osiągnie ucho, w którym to momencie przekazuje energię do błony bębenkowej, która będzie wibrować z tą samą częstotliwością – i zostanie zinterpretowana przez mózg jako dźwięk.

Kiedy mówisz, wibrujesz krtań (mała pusta rurka na szczycie tchawicy), która z kolei wibruje otaczające ją powietrze, które następnie przekazuje energię dźwięku do słuchacza. Zaciskając i rozszerzając tkankę krtani, a także manipulując artykulatorami w ustach (wargami, językiem i innymi strukturami jamy ustnej), możesz tworzyć różne dźwięki.

Wszystkie obiekty mogą być źródłami dźwięku, które wytwarzają dźwięk w ten sam sposób – wibrując i przenosząc te wibracje na sąsiednie medium, takie jak powietrze.

W suchym powietrzu dźwięk rozchodzi się z prędkością

gdzieT_doto temperatura w stopniach Celsjusza. W standardowy dzień o temperaturze 20 stopni Celsjusza (68 stopni Fahrenheita) dźwięk przemieszcza się z prędkością około 343,4 m/s. To około 768 mil na godzinę!

Prędkość dźwięku jest różna w różnych mediach. Na przykład prędkość, z jaką fala dźwiękowa przemieszcza się w wodzie, może być większa niż 1437 m/s; w drewnie 3850 m/s; oraz w aluminium powyżej 6320 m/s!

Zasadniczo dźwięk rozchodzi się szybciej w materiałach, w których cząsteczki są bliżej siebie. Najszybciej porusza się w ciałach stałych, drugi najszybszy w cieczach i najwolniej w gazach.

Możesz wykonać prosty eksperyment, aby zmierzyć prędkość dźwięku. Aby to zrobić, potrzebujesz źródła emitującego dźwięk (może to być kamerton, klaskanie lub własny głos) oraz odbijający powierzchnia w znanej odległości od źródła (np. solidna ściana klifu kilka metrów przed tobą lub zamknięty koniec prostego rura).

Pod warunkiem, że masz sprzęt (i/lub wystarczająco szybki refleks), który może mierzyć upływ czasu między wyemitowaniem dźwięku a momentem powraca do lokalizacji źródłowej za pomocą echa od powierzchni odbijającej, będziesz miał wystarczająco dużo informacji, aby określić prędkość.

Po prostu weź dwukrotną odległość od źródła do powierzchni odbijającej (ponieważ dźwięk rozchodzi się z źródło na powierzchnię, a następnie z powrotem) i podzielić przez czas między emisją dźwięku a Echo.

Załóżmy na przykład, że krzyczysz do kanionu o głębokości 200 m i otrzymujesz echo w ciągu 1,14 sekundy. Prędkość dźwięku wynosiłaby 2 × 200 / 1,14 = 351 m/s.

Być może znasz zjawisko przekraczania bariery dźwięku przez niektóre samoloty. Oznacza to, że samolot leci szybciej niż prędkość dźwięku. W momencie, gdy przekracza tę prędkość, tworzy grzmot dźwiękowy.

Samolot lecący wMacha 1podróżuje z prędkością dźwięku. Mach 2 to dwukrotnie większa prędkość dźwięku i tak dalej. Najszybszym samolotem na świecie był północnoamerykański X-15, który 3 października 1967 osiągnął prędkość 6,7 Macha.

Na lądzie prędkość dźwięku została złamana 15 października 1997 r. przez Andy'ego Greena, który pokonał 763,035 mil na godzinę w odrzutowym samochodzie ThrustSSC na pustyni Black Rock w stanie Nevada.

Częstotliwość fali to liczba oscylacji występujących w danym punkcie ośrodka na sekundę. Jest mierzony w hercach (Hz), gdzie 1 Hz = 1/s. Długość fali dźwiękowej to odległość między dwoma kolejnymi obszarami maksymalnej kompresji. Zazwyczaj jest mierzona w metrach (m).

Prędkość fali dźwiękowej,w,jest bezpośrednio związany z częstotliwościąfadługość fali lambda przezv = λf​.

Prędkość dźwięku w określonym medium nie zależy od częstotliwości lub długości fali, ale jest stałą tego konkretnego medium. Częstotliwość fali dźwiękowej zawsze będzie odpowiadać częstotliwości źródła dźwięku, więc nie zależy od medium ani prędkości fali.

W związku z tym w dwóch różnych mediach częstotliwości będą takie same, podczas gdy prędkości będą specyficzne dla mediów, a długości fal będą się odpowiednio różnić. (Wysoka częstotliwość odpowiada małym długościom fal i odwrotnie.)

Zakresy częstotliwości, które są zwykle wykrywane przez ludzkie ucho, wahają się od 64 Hz do 23 kHz, chociaż ludzie tracą zdolność słyszenia wyższych częstotliwości wraz z wiekiem. W przeciwieństwie do tego psy słyszą aż do około 45 kHz (dlatego reagują na gwizdki psa) które są niesłyszalne dla ludzi), koty słyszą do 64 kHz, a morświny do 150 kHz kHz!

Bez wątpienia natknąłeś się na ten cytat z filmu z 1979 rokuObcyi to prawda: dźwięk nie porusza się w próżni. To dlatego, że potrzebuje medium. Pomiędzy źródłem dźwięku a tobą musi być jakiś materiał, aby dźwięk się rozchodził.

Więc wszystkie te sceny bitew kosmicznych, które widzisz w filmach z głośnymi eksplozjami? Całkowicie fałszywe! Nie byłoby dźwięku, ponieważ nie ma medium, przez które mógłby podróżować.

Natężenie dźwięku,ja, to moc akustyczna na jednostkę powierzchni. Jednostka SI dla natężenia dźwięku to waty/m² gdzieja₀​ = 10^-12 W/m² jest uważany za próg ludzkiego słuchu. Potocznie intensywność dźwięku to to, co uważamy za „głośność” dźwięku.

Powszechnym sposobem przedstawiania odczuwanej głośności dźwięku jest użycie skali decybelowej (dB), gdzie natężenie dźwięku jest wyrażone w decybelach:

Ta skala jest przydatna, ponieważ ludzie nie odbierają głośności w sposób liniowy. Oznacza to, że dźwięk o dwukrotnie większej intensywności może wydawać się ponad dwa razy głośniejszy, gdy zaczął się cicho, i mniej niż dwa razy głośniejszy, jeśli już zaczął się nieco głośno. Skala decybelowa dostarcza liczb bardziej zgodnych z naszymi spostrzeżeniami.

Dźwięk światła oddycha na poziomie około 10 dB, podczas gdy rozmowa w restauracji to około 60 dB. Przelot odrzutowca na wysokości 1000 stóp to około 100 dB. Graniczne bolesne uderzenie pioruna wynosi 120 dB, a bębenki uszne pękają przy 150 dB.

Energia fali dźwiękowej jest bezpośrednio związana z intensywnością. Jednostki intensywności, W/m², są takie same jak J/(sm²) lub energia w dżulach na sekundę na metr kwadratowy.

Przypomnijmy, że prędkość dźwięku zależała tylko od medium, a nie od częstotliwości fali. To dobrze, bo inaczej słuchanie koncertu byłoby okropnym przeżyciem, z różnymi dźwiękami docierającymi do ciebie nie w porządku.

Różne częstotliwości dźwięku odpowiadają różnym wysokościom lub nutom muzycznym. Kiedy śpiewak śpiewa, wytwarza różne częstotliwości, zmieniając rozmiar i kształt krtani. Instrumenty muzyczne są przeznaczone do tworzenia dźwięku o czystych tonach, zazwyczaj poprzez tworzenie fal stojących, zarówno w rurze, rurze, jak i wzdłuż struny.

Rozważ instrument smyczkowy, taki jak gitara. Częstotliwość drgań szarpanej struny zależy od jej gęstości (ile masy na jednostkę długości), napięcia struny (jak mocno jest trzymana) i jej długości. Jeśli spojrzysz na gitarę, zobaczysz, że każda struna ma inną grubość. Pokrętła strojenia na końcu rękojeści pozwalają regulować napięcie struny, a progi zapewniają miejsca, w których można umieścić palce, aby zmienić długość strun podczas gry, co pozwala tworzyć wiele różnych notatki.

W przeciwieństwie do tego, dęte drewniane składają się z pustych rurek, w których fale stojące mogą tworzyć się w kolumnach powietrza (tak jak w krtani). Różne otwory tonowe w takim instrumencie umożliwiają zmianę rodzajów fal stojących, które mogą się tworzyć, a tym samym zmianę nut, które można zagrać.

W przypadku instrumentu takiego jak puzon można również dostosować długość tuby, przesuwając suwak do przodu i do tyłu, pozwalając na różne częstotliwości fal stojących, a tym samym na granie różnych nut.

Instrumenty perkusyjne, takie jak bębny, opierają się na wibracjach membrany (takich jak główka bębna). Podobnie jak szarpanie strun gitary, kiedy uderzasz w bęben w różnych miejscach, na membranie tworzą się fale stojące, tworząc dźwięk. Częstotliwość i jakość dźwięku zależy od wielkości membrany, jej grubości i napięcia.