Zjawiska akustyczne

Akustyka zajmuje się wszelkiego rodzaju dźwiękami i głosami. Dźwięki odczuwamy bezpośrednio przy pomocy naszego organu słuchu. Przy pomocy słuchu rozróżniamy różne wrażenia dźwiękowe i odróżniamy je różnymi nazwami. Mówimy, że słyszymy tony skrzypiec, szum morza, szelest liści lub papieru, huk grzmotu, hałas maszyn. Zagadnienia jakie tu natychmiast się nasuwają, są następujące: jak powstają wszelkiego rodzaju dźwięki, jak i dzięki czemu się rozchodzą, jakimi cechami rozmaite dźwięki się różnią?
Przede wszystkim łatwo stwierdzić, że powstawanie dźwięków związane jest z ruchem. Układy, których wszystkie części pozostają w spoczynku, nie wydają dźwięku. Lecz i ciała poruszające się nie zawsze wydają dźwięk. Powolny ruch naszej ręki np. nie wydaje dźwięku lecz silne położenie książki na stole, uderzenie kijem, uderzenie młotkiem w strunę fortepianu powoduje powstanie dźwięku. Można powiedzieć że zawsze gdy jakieś ciało lub jego cześć doznaje gwałtownego przyśpieszenia lub opóźnienia, słyszymy dźwięk. W śród wszelkiego rodzaju dźwięków wyróżniamy tony, które jak łatwo doświadczeniem się przekonać, powstają wtedy, gdy ciało wykonuje ruch periodyczny. Gdy wprawimy w szybki obrót np. koło zębate i przytkniemy do niego kartkę papieru lub blaszkę metalową sprężystą, zacznie ona szybko drgać i jednocześnie usłyszymy ton - przy powolnym obrocie kółka gruby albo, jak mówimy poprawnie niski, przy coraz szybszym obrocie coraz cieńszy albo, jak mówimy zwykle coraz wyższy. Zróbmy na okręgu koła narysowanego na tarczy metalowej otwory o równych odstępach. Wprawmy tarczę w szybki ruch i skierujmy prostopadle do tarczy silny prąd powietrza wydmuchiwany z rurki tak, aby podczas obrotu przechodził przez kolejno nasuwające się otworki. Usłyszymy również ton podwyższający się w miarę powiększania się szybkości obrotu. Przyrząd taki nazywa się syreną Seebecka. Jak zobaczymy później, przyrządy te wydają tony złożone. Ton prosty otrzymujemy gdy ciało wykonuje ruch harmoniczny. Przyrządem takim są widełki strojowe. Jest to pręt stalowy zgięty w kształcie litery U, umocowany na nóżce. Gdy uderzymy młotkiem jeden koniec widełek strojowych, zaczynają one drgać wydając ton
Zjawiska obserwowane przy falach dźwiękowych:
- Interferencja
Interferencję fal najłatwiej możemy obserwować za pomocą przyrządu Quinckego. Składa się on z rur wygiętych jak na rysunku. Fale wywołuje się za pomocą widełek strojowych zbliżonych do otwartego końca A. Do końca D zbliża się ucho. Fala dźwiękowa przebiega dwoma drogami, przez rurę B i przez rurę C. Przez przesuwanie rury C można przedłużać drogę, którą fale przebywają przez tę część przyrządu. Gdy droga ta jest o pół długości fali dłuższa od drogi B fale spotykają się w fazach przeciwnych osłabiając się silnie. Słyszymy wtedy wyraźne minimum.








- Fale stojące
Fale stojące można otrzymać w róże zamkniętej, tzw. rurze Kundta. Jest to szeroka rura szklana zamknięta ruchomym tłokiem. Do drugiego jej końca wchodzi pręt szklany lub metalowy zaopatrzony na końcu w płytkę o średnicy rury. Pręt umocowany jest w uchwycie w środku jego długości. Do rury wsypuje się jakiś delikatny proszek, np. lycopodium lub starty na drobny proszek korek. Gdy pręt pociągnie się wilgotna szmatką wydaje on wysoki silny dźwięk wzbudzający fale dźwiękowe w rurze. Fale odbijając się od tłoka umieszczonego na końcu rury wytwarzają fale stojące. Tłok przez przesuwanie nastawia się tak, aby przy nim wytworzył się węzeł prędkości cząsteczek powietrza w fali dźwiękowej. Przez ruchy powietrza proszek zostaje porwany i zbiera się w węzłach fal stojących. mierząc odległość węzłów można znaleźć długość wytwarzanej fali wiedząc że odległość między węzłami fali stojącej równa się /2





- Echo i Dudnienie
W wyniku odbicia fal dźwiękowych występuje zjawisko zwane echem, obserwowane wtedy, gdy fala dźwiękowa napotyka na swojej drodze przeszkodę, odbija się od niej i wraca do ucha obserwatora powodując powtórzenie wrażenia dźwiękowego. Nie każde jednak odbicie fali powoduje echo. Ucho ludzkie jest w stanie rozróżnić dwa dźwięki, jeżeli dojdą do niego w odstępie nie mniejszym niż 0,1 sek. Odbicie więc musi nastąpić od przegrody odległej co najmniej o połowę tej drogi, którą przebędzie fala dźwiękowa w czasie 0,1 sek, czyli


Niekiedy fale dźwiękowe odbijają się od kilku przeszkód leżących w różnej odległości od słyszącego. Można wówczas usłyszeć kilkakrotne echo lub w skutek nakładania się fal odbitych echo którego czas trwania jest dłuższy od dźwięku pierwotnego. Z odbiciem fal dźwiękowych związane jest zagadnienie akustyki pomieszczeń. Fale odbite od ścian i sufitu mogą się nakładać na dźwięki pierwotne zwiększając ich natężenie, lecz zmniejszając równocześnie ich wyrazistość. Natężenie powstających dźwięków zależy od wielkości i kształtu pomieszczenia oraz od zdolności odbijającej znajdujących się w nim przedmiotów. Właściwy dobór tych czynników jest jednym z podstawowych zagadnień budowy sal koncertowych i wykładowych.
W przypadku gdy źródła wysyłają równocześnie dźwięki o zbliżonych częstotliwościach występuje charakterystyczne zjawisko polegające na kolejnym osłabianiu i wzmacnianiu się natężenia dźwięku - zwane dudnieniem. Przyczyną tego zjawiska jest nakładanie się (interferencja) obydwu fal o zbliżonych częstotliwościach w wyniku którego następuje kolejno zwiększanie się i zmniejszanie amplitudy fali wypadkowej. Częstotliwość dudnienia czyli występowanie tych wzmocnień i osłabień jest równa różnicy częstotliwości fal interferujących.
- Rezonans akustyczny.
Fale dźwiękowe rozchodzące się w ośrodku, trafiając na powierzchnię jakiegoś ciała wywierają na nią skutek zagęszczeń i rozrzedzeń cząsteczek ośrodka okresowo zmienne ciśnienie i wprawiają je w ruch drgający. W przypadku gdy częstotliwość fali jest równa częstotliwości drgań własnych ciała, natężenie drgań wzbudzonych wskutek nakładania się znacznie wzrośnie. Zjawisko to nazywamy rezonansem akustycznym.
Jeżeli ustawimy obok siebie dwa jednakowe kamertony i przez uderzenie wprawimy jeden z nich w ruch drgający, a po pewnym czasie, dotykając go ręką stłumimy drganie to wyraźnie usłyszymy dźwięk drugiego kamertonu, który został wzbudzony przez rezonans. Do badań dźwięku służy przyrząd zwany rezonatorem. Jest to kula zaopatrzona w dwa otwory i posiadająca własności silnego rezonansowego wzmacniacza natężenia drgań o określonej częstotliwości, zależnej od średnicy kuli i wielkości otworu. Za pomocą takich rezonatorów można zanalizować dowolne dźwięki złożone, rozkładając je na szereg fal harmonichnych (tonów). Rezonatorami są także cienkie płyty o różnych kształtach, zwane membranami, które łatwo jest pobudzić do drgań, wywołując w nich fale stojące o różnych długościach, a więc o różnych częstotliwościach drgań. Membrany stanowią podstawowy element mikrofonów, słuchawek i głośników.
- Zjawisko Dopplera
Gdy obserwator porusza się w kierunku spoczywającego źródła dźwięku, słychy dźwięk wyższy (o większej częstotliwości) niż wtedy, gdy jest w spoczynku. Gdy obserwator oddala się od nieruchomego źródła słych dźwięk niższy niż wtedy, gdy jest w spoczynku. Podobne rezultaty otrzymujemy wtedy, gdy źródło jest w ruchu, w kierunku do lub od spoczywającego obserwatora. Ton gwizdka lokomotywy jest wyższy w czasie jej zbliżania się do obserwatora niż wtedy, gdy lokomotywa przejeżdża koło niego i oddala się. Christian Johann Doppler (1803-1853), Austryjak w pracy z roku 1842 zwrócił uwagę na fakt, że barwa świecącego siała , podobnie jak wysokość dźwięku, musi się zmieniać z powodu względnego ruchu ciała i obserwatora. Zjawisko to nazywane zjawiskiem Dopplera, występuje dla wszystkich fal.





Bibliografia:
- Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie techniczne - Z. Kamiński
- Fizyka M. Jeżewski
- Fizyka tom1 - R. Resnick, D. Halliday
- Fizyka dla klas III technikum i Liceum Zawodowego - J. Morawiec E. Kozaczka