Fale dźwiękowe

Kiedy zamkniesz oczy na środku gwarnego szkolnego boiska możesz całkiem dokładnie zlokalizować źródła dochodzących do Ciebie dźwięków. Wiesz, że kolega przebiegł z lewej strony na prawą krzycząc „podaj!” do rówieśnika z drużyny. Słyszysz, jak koleżanka oddala się pod ogrodzenie, gadając do przyjaciółek. Możesz też zorientować się że Jasiek z siódmej B właśnie wdrapał się na płot i stamtąd komentuje, co się dzieje na boisku. Jak to się dzieje że możesz podać tak precyzyjne informacje? Kluczem do sukcesu jest posiadanie pary sprawnie działających uszu, w tym i nastawionych na słuchanie małżowin. Nasz mózg wyciąga w ułamku sekundy potrzebne wnioski na podstawie różnic między tym co słyszy lewe ucho a tym co słyszy prawe. Jest tak dokładny, że rozróżnia źródła oddalone od siebie zaledwie o 2 stopnie kątowe. Bierze przy tym pod uwagę zarówno różnice w głośności jak i w częstotliwości odbieranych dźwięków. W tej lekcji opowiem Ci o tych i jeszcze innych właściwościach dźwięku. Mózg analizuje dane, których dostarczają mu dwa wyspecjalizowane detektory dźwięku czyli nasze uszy. Ale co tak w zasadzie one wykrywają i czym właściwie jest ten dźwięk? Fizyk powie Ci, że dźwięk jest falą i to taką wywołaną przez drgania. Każde źródło dźwięku wywołuje drgania ośrodka, w którym się znajduje. Najczęściej tym ośrodkiem jest powietrze. Wprawione w drganie cząsteczki powietrza uderzają o siebie i w ten sposób przekazują drgania kolejnym. Rozchodzenie się dźwięku nazywamy falą dźwiękową. Jeśli znasz już inne filmy z tej playlisty to wiesz, że jest to fala podłużna gdyż cząsteczki drgają wzdłuż kierunku jej rozchodzenia się. Falę podłużną porównywaliśmy z taką jaką wywoła pchnięcie osoby w tłumie. Zachwieje się ona do przodu popychając następne osoby by po chwili wrócić do stanu równowagi. Kolejna popchnięta osoba wpadnie jednak na następną i zakłócenie to będzie się przemieszczać. Fala dźwiękowa składa się z obszarów w których powietrze jest rozrzedzone i takich, gdzie jest zagęszczone. Obszary te występują na zmianę podobnie jak w falach na powierzchni wody grzbiety występują na zmianę z dolinami. W powietrzu dźwięk rozchodzi się od źródła w każdym kierunku dlatego rysując obraz takiej fali otrzymamy sferę. Skoro dźwięk rozchodzi się przez przekazywanie drgań kolejnym cząsteczkom ośrodka coraz bardziej oddalonym od źródła prędkość tego rozchodzenia zależy od gęstości ośrodka. Im bliżej siebie znajdują się cząsteczki czy atomy, tym szybciej przekazują sobie drgania, a co za tym idzie z tym większą prędkością rozchodzi się dźwięk. Na przykład w powietrzu prędkość dźwięku to 340 metrów na sekundę w wodzie 1450, a w diamencie 18 000. Idąc tym tropem jaka będzie prędkość dźwięku w próżni? W próżni nie ma cząsteczek którym źródło mogłoby przekazać drgania a więc dźwięk nie może się rozchodzić. Dlatego prędkość dźwięku w próżni jest równa zeru. Wiedząc, jak rozchodzi się fala dźwiękowa możemy narysować jej wykres. Musimy tylko pamiętać że dołki i górki na takim wykresie nie będą obrazować ruchu w górę i w dół jak to miało miejsce w fali na powierzchni wody, a zagęszczenie cząsteczek. Szczyt na wykresie to obszar gdzie na daną objętość ośrodka przypada najwięcej cząsteczek a najniższy punkt, czyli dołek wykresu pokazuje, gdzie ich zagęszczenie jest najmniejsze. Pobawmy się teraz parametrami naszego wirtualnego głośnika. Ustawmy go najpierw tak żeby grał cicho, a następnie stopniowo zwiększajmy głośność. Obserwuj uważnie, co dzieje się z cząsteczkami i wykresem. Im głośniejszy dźwięk, tym membrana bardziej się odchyla, silniej wytrącając cząsteczki z równowagi. To tak, jakbyśmy w tłumie mocniej kogoś przed sobą popchnęli. Ta osoba, tracąc równowagę bardziej odchyli się od swojego początkowego położenia. Podobnie zachowają się popchnięte przez membranę cząsteczki powietrza. Zostaną mocniej popchnięte do przodu dając falę o większej amplitudzie co potwierdza wykres. Drugim poza głośnością, parametrem dźwięku jest jego wysokość. Może być on wysoki lub niski. Co się dzieje z falą dźwiękową kiedy ją modulujemy? Sprawdźmy to na naszej animacji. Ustawmy stałą głośność. Zmieniać będziemy tylko wysokość dźwięku. Ciii! Słuchamy i obserwujemy. Co możesz powiedzieć o zmianach na wykresie? Tym razem widzimy, że zmianie ulega długość fali, a więc i jej częstotliwość czyli ilość pełnych drgnięć membrany a przez to także powietrza w ciągu sekundy. Wyższy dźwięk to większa częstotliwość. Własności fal dźwiękowych można sprawdzić i w realnym życiu. Aby to zrobić, potrzebna będzie nam gitara albo inny instrument ze strunami które można szarpać. Szarpnij jedną ze strun. Najpierw lekko. A później mocniej. Co obserwujesz? Jeśli szarpiesz strunę lekko dźwięk będzie cichy. Zauważ też, że jej drgania będą niewielkie. Jeśli szarpiesz ją mocniej amplituda drgań będzie większa przez co większa będzie też amplituda rozchodzącej się fali dźwiękowej. Efekt? Usłyszysz głośniejszy dźwięk. Głośność to jednak tylko jeden z parametrów dźwięku jaki wydaje gitarowa struna. Innym jest wysokość dźwięku. Aby zrozumieć różnice w wysokościach dźwięków wydawanych przez struny gitary musimy się odwołać do wiadomości z innej lekcji tej playlisty, w której omawialiśmy drgania ciężarka na sprężynie oraz wahadło matematyczne, czyli ciężarek zawieszony na nieważkim sznurku. Takie wahadło ma tym mniejszą częstotliwość drgań, im dłuższego użyjemy sznurka. Natomiast dla ciężarka zawieszonego na sprężynie, częstotliwość maleje wraz ze wzrostem masy ciężarka. Struna gitary może być traktowana jako połączenie wahadła matematycznego i drgającego na sprężynie ciężarka. Im grubsza struna, czyli większa masa tym mniejsza częstotliwość jej drgań a więc niższy dźwięk. Jeśli natomiast tę samą strunę zaczniemy skracać kładąc palec na kolejnych progach to podobnie jak w wahadle matematycznym częstotliwość jej drgań wzrośnie a dźwięk będzie wyższy. Tak jak w przypadku innych fal częstotliwość fal dźwiękowych podajemy w hercach. Przykładowo struny gitary tworzą fale o częstotliwościach od osiemdziesięciu trzech do trzystu trzydziestu herców. Nasze uszy są w stanie rejestrować zakres od szesnastu do około dwudziestu tysięcy herców ale wartości te różnią się u różnych osób i zmieniają wraz z wiekiem. Na tle chociażby psowatych wypadamy blado. One słyszą dźwięki nawet o częstotliwości trzydziestu ośmiu tysięcy herców. Co wykorzystuje się przy produkcji gwizdków dla tych zwierząt, zupełnie niesłyszalnych dla ludzkiego ucha. Delfiny mogą usłyszeć dźwięki nawet o częstotliwości dwustu tysięcy herców. Dźwięki o częstotliwości powyżej dwudziestu tysięcy herców niesłyszalnych dla ludzkich uszu nazywamy ultradźwiękami. Za ich pomocą między innymi nietoperze lokalizują przeszkody i swoje ofiary. Ultradźwięki mają też zastosowanie w medycynie, na przykład do badań ultrasonograficznych, USG czy kruszenia kamieni nerkowych. Z kolei słonie, nosorożce czy wieloryby potrafią wychwytywać dźwięki o częstotliwości poniżej szesnastu herców nazywanych infradźwiękami. Zdolność zwierząt do słyszenia infradźwięków wykorzystuje się do ostrzegania przed katastrofami. Źródłem takich dźwięków mogą być trzęsienia ziemi, fale tsunami wyładowania atmosferyczne duże elektrownie wiatrowe czy samoloty. Dźwięki o niskich częstotliwościach mogą budzić niepokój, ale mogą też mieć działanie kojące i gojące. Najlepiej wiedzą o tym właściciele kotów. Ich mruczenie najczęściej zawiera się w przedziale dwudziestu pięciu do czterdziestu czterech herców. Fala dźwiękowa jest falą mechaniczną i do rozchodzenia się potrzebuje ośrodka na przykład powietrza. Fala dźwiękowa jest falą podłużną to znaczy, że kierunek drgań cząstek ośrodka jest taki sam jak kierunek rozchodzenia się fali. Infradźwięki to dźwięki o częstotliwości niższej niż 16 herców. Ultradźwięki to dźwięki o częstotliwości wyższej niż 20 000 herców. Wiesz już, czym jest dźwięk i jak się rozchodzi. Jeśli chcesz się dowiedzieć więcej o falach, oglądaj inne filmy z tej playlisty na pistacja.tv.