Dźwięk i jego cechy. Zjawisko Dopplera
Zacznijmy od tego czym jest dźwięk. Jest to, fala akustyczna rozchodząca się w ośrodku sprężystym lub wrażenie słuchowe wywołane tą falą. Skoro wiemy , że dźwięk jest falą to czym tak naprawdę jest ta fala?
Fale akustyczne i fale sprężyste są to zaburzenia mechaniczne ośrodka sprężystego, nie powodujące przesunięcia średnich położeń atomów ośrodka. W cieczach i gazach fala akustyczna jest falą podłużną, w ciałach stałych może być zarówno falą podłużną, jak i poprzeczną.
W ujęciu bardziej tradycyjnym fale akustyczne to fale głosowe, czyli falowe podłużne zgęszczenia i rozrzedzenia powietrza odczuwane przez ucho ludzkie (dźwięk).
Przyjmuje się, że człowiek słyszy dźwięki o częstościach od 16 Hz do 20 kHz. Drgania o mniejszej częstości to infradźwięki, a o wyższej ultradźwięki. Najłatwiej słyszalne są dźwięki o częstości ok. 1000 Hz.
Fizycznymi aspektami dźwięków są: jego widmo, natężenie, długość trwania dźwięku i zmiany w czasie.
Ze względu na rodzaj widma dźwięki klasyfikuje się następująco:
1) ton (dźwięk prosty) - drganie sinusoidalne o jednej częstości.
2) wieloton harmoniczny (dźwięk złożony) - drganie będące sumą drgań sinusoidalnych o częstościach będących wielokrotnościami (1,2,3,...) częstości podstawowej.
3) wieloton nieharmoniczny - drganie będące sumą nie uporządkowanych drgań.
4) szum - dźwięk o ciągłym widmie.
A czym jest widmo? Jest to rozkład natężenia promieniowania w zależności od jego energii, częstotliwości lub długości fali, dostarcza wielu informacji o źródle danego promieniowania (tzw. widmo emisyjne), a często i o ośrodku, przez który ono przenikało.
Natężenie dźwięku jest to uśredniona energia fali akustycznej padającej prostopadle na jednostkową powierzchnię.
Jednostką natężenia dźwięku w układzie SI jest W/m2.
Częstotliwość (dla drgania okresowego) jest to liczba okresów drgań w danym przedziale czasu. Jednostką częstości w układzie SI jest 1 herc (Hz) równy jednemu drganiu na sekundę.
Barwa dźwięku to jedna z podstawowych cech wrażeniowych dźwięku pozwalająca na szeregowanie dźwięków pod względem ich ostrości, jasności, dźwięczności itd. oraz ich rozróżnianie mimo jednakowej wysokości, głośności i czasu trwania. Barwa dźwięku może być wielowymiarowa, np. dźwięki mogą być jednocześnie ostre, jasne i chropowate.
Wysokość dźwięku czyli subiektywna ocena częstotliwości dźwięku, określoną wysokość dźwięku można przypisać tonowi (lub dźwiękom zbliżonym do tonu).
Głośność to wielkość charakteryzująca subiektywne odczuwanie natężenia dźwięku przez człowieka, zależy od natężenia i częstotliwości dźwięku. Przy stałym natężeniu jako najgłośniejsze odbierane są dźwięki o częstotliwości 3-4 kHz, zaś jako najmniej głośne dźwięki o częstotliwości poniżej 100 Hz oraz powyżej 10000 Hz. Jednostką głośności jest son.
Son to jednostka głośności. 1 son odpowiada 40 fonom przy częstotliwości dźwięku 1 kHz.
Fon czyli jednostka poziomu głośności wyrażona w skali decybeli, 1 fon odpowiada poziomowi głośności dźwięku o częstotliwości równej 1 kHz i o poziomie ciśnienia akustycznego 1 dB (1 fon = 1 dB, przy 1kHz).
Dopplera zjawisko jest to zmiana obserwowanej częstości fali wywołana względnym ruchem źródła fali i odbiornika.
W akustyce zmiana częstości wywołana zjawiskiem Dopplera zależy nie tylko od wielkości prędkości ruchu względnego, ale i od ich prędkości względem ośrodka. Dopplera zjawisko wykorzystywane jest w wielu dziedzinach, m.in. w urządzeniach radiolokacyjnych do pomiaru prędkości obiektu.