Infradźwięki

1. Podstawy fizyczne dźwięku
Dźwięk jest wytwarzany przez ciała drgające, które wywołują fale akustyczna. Docierająca fala powoduje wrażenia dźwiękowe powstające w uchu człowieka. Najprostszym rodzajem drgań są drgania sinusoidalne.
Każde drganie charakteryzują następujące parametry: amplituda (maksymalne wychylenie membrany z poziomu równowagi)
Częstotliwość (liczba drgań membrany na sekundę - HZ).
Wielkością odwrotna do częstotliwości jest okres - czyli czas w którym źródło dźwięku wykonuje jedno pełno drganie.
Amplituda drgań jest związana z głośnością odbieranego dźwięku. Natomiast częstotliwość drgań odpowiada za wysokość słyszanego dźwięku. Im większa częstotliwość tym dźwięk wydaje się być wyższy. Ludzie słyszą dźwięki z zakresu ok. 15 HZ do 20 KHZ. Granice te ulegają zmianie w zależności od wieku, stopnia zmęczenia, stanu emocjonalnego itp. Tony poniżej 400 HZ odbiera się jako niskie, w przedziale 400 HZ - 3000 HZ jako średnie, a powyżej 3 KHZ jako wysokie.
Ton (drganie proste) jest najprostszym dźwiękiem. Jednak większość dźwięków spotykanych w otoczeniu jest bardziej złożoną. Drgania te można przedstawić jako suma pewnych drgań prostych o różnych częstotliwościach i amplitudach. Dźwięki takie nazywa się wielotonami.

Każdy dźwięk można opisać w sposób przybliżony przedstawiając go w postaci wykresu zwanego widmem harmonicznym dźwięku. Metoda Pozwalająca znaleźć harmoniczne dźwięku zwana jest transformata Fouriera.

Jeżeli w widmie dźwięku wszystkie występujące składowe są całkowita wielokrotnością pewnej częstotliwości, to dźwięk taki nazywa się wielotonem harmonicznym, a każdy jego ton to składowa harmoniczna. Ton podstawowy jest to ton będący największym wspólnym podzielnikiem tonów składowych. Subiektywne wrażenie wysokości wielotonu jest związane z tonem podstawowym. Może on w ogóle nie występować, a będzie słyszany. Np. jeśli docierający dźwięk daje się rozłożyć na tony harmoniczne o częstotliwościach 440HZ, 660 HZ i 880 HZ, to wysokość dźwięku słyszanego będzie odpowiadać częstotliwości 220 HZ.

Wiele dźwięków można rozłożyć na składowe harmoniczne. W niektórych dźwiękach tak jednak nie jest - nie można znaleźć częstotliwości, która byłaby wspólnym podzielnikiem wszystkich występujących w danym dźwięku tonów składowych. Dźwięki takie nazywa się wielotonami anharmonicznymi. Ogólnie dowolny dźwięk da się przedstawić w postaci sumy wielotonu harmonicznego i anharmonicznego.

Skład harmoniczny dźwięku, tzn. Liczba i amplituda poszczególnych zawartych w dźwięku tonów składowych, odpowiada za barwę dźwięku - czyli wrażenie słuchowe umożliwiające rozpoznanie dwóch dźwięków pochodzących z dwóch źródeł, nawet przy jednakowej częstotliwości (np. dźwięk organów i akordeonu). W tworzeniu barwy dźwięku decydującą role odgrywają obszary formantowych. Są to obszary w widmie akustycznym o podwyższonych wartościach amplitud tonów składowych względem pozostałej części widma.

Inną kategorią dźwięku są szumy - czyli dźwięk, którego widmo akustyczne jest ciągle, tzn. występują w nim wszystkie częstotliwości składowe. Jeżeli wszystkie częstotliwości składowe maja te same amplitudy, to szum taki nazywa się białym. W przypadku, gdy niektóre zakresy częstotliwości maja większe amplitudy niż inne, szum taki nazywa się kolorowym.

Obwiednia dźwięku jest zależnością amplitudy od czasu. W największym przybliżeniu w obwiedni dźwięku wyróżnić cztery fazy:
narastanie (attack); amplituda dźwięku narasta od zera do głośności maksymalnej

opadanie (decay); dźwięk nieco zmienia swoja głośność

ustalenie (sustain); natężenie dźwięku trwa przez pewien czas na ustalonym poziomie

wybrzmiewanie (release); głośność dźwięku maleje do zera.

Obwiednie nazywa się często obwiednia ADSR (skrót od pierwszych liter poszczególnych faz). Czasy trwania każdej z faz są charakterystyczne dla różnych instrumentów i dodatkowo, obok barwy, ułatwiają rozpoznanie instrumentów.

W niektórych dźwiękach nie występują wszystkie fazy. Dźwięk wielu instrumentów, jak np. gitary, ma tylko obwiednie AR.
.

Infradźwięki - poddźwięki - fale sprężyste analogiczne do fal dźwiękowych o częstotliwościach leżących poniżej obszaru słyszalności. Źródłami są m.in. wyładowania atmosferyczne, wiatr, eksplozja itp.

Zjawisko dudnień pozwala na wygenerowanie dźwięków o małych częstotliwościach. Np. jeżeli wygeneruje się dwa dźwięki o częstotliwościach f i g, niewiele się różniących od siebie, to w efekcie człowiek usłyszy dźwięk o niskiej częstotliwości będącej różnica częstotliwości F-G. Dla przykładu, gdy wygeneruje się dźwięki o częstotliwościach 400 i 420 HZ, to efektywnie słyszana częstotliwość będzie odpowiadać bardzo niskiemu dźwiękowi 20 HZ.

Inny zjawiskiem jest modulacja amplitudy w czasie. Objawia się ono cykliczna zmiana głośności generowanego dźwięku. Wielkość tych zmian nazywana jest głębokością modulacji, a sama modulacja nosi nazwę efektu tremolo.

Ostatnim opisywanym efektem to modulacja częstotliwości dźwięku. Cyklicznej zmianie podlega częstotliwość generowanego dźwięku. Akustycznie objawia się to wibracja generowanego dźwięku i nasi nazwę efektu wibrato

Cechy dźwięku
Wysokość - wielkość zależna od częstotliwości dźwięku. Im większa częstotliwość, tym wyższe dźwięki.

Barwa - cecha określająca, co wydaje dźwięk, często określana jako brzmienie.

Głośność - wielkość wyrażona w fonach określająca "siłę" dźwięku zależna również od częstotliwości dźwięku.

Ton - dźwięk wydawany przez źródło drgające ruchem harmonicznym.

Echo - fala dźwiękowa powstająca przez odbicie od przeszkody, docierająca do źródła dźwięku z pewnym opóźnieniem

Dudnienie - zjawisko periodycznej zmiany amplitudy w wyniku nakładania się fal o podobnych częstotliwościach.


Wielkości charakteryzujące dźwięk

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej zależy od gęstości, temperatury i ciśnienia ośrodka, w którym fala się rozchodzi.

Prędkość fali w warunkach normalnych w powietrzu wynosi

Fala dźwiękowa nie rozchodzi się w próżni - brak ośrodka

Natężenie dźwięku

Miarą natężenia dźwięku I jest stosunek ilości energii, która w ciągu czasu przechodzi przez powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej.

Próg słyszalności jest to taka minimalna wartość natężenia dźwięku, który jest słyszalny.

Poziom natężenia dźwięku wynosi n beli, jeżeli jego natężenie jest 10n raza większe od natężenia progu słyszalności.




Zjawisko Dopplera

f? - częstotliwość drgań rejestrowanych przez odbiorcę

f - częstotliwość drgań wysyłanych przez źródło

c - prędkość dźwięku

V - prędkość poruszania się odbiorcy

U - prędkość poruszania się źródła dźwięku

Górne znaki dotyczą przypadku, kiedy odbiorca lub źródło zbliżają się do siebie.

Dolne znaki oznaczają oddalanie się odbiornika lub źródła.


Jeżeli odległość między odbiornikiem a źródłem maleje, wtedy częstotliwość odbieranego dźwięku f?
jest większa niż częstotliwość dźwięku wysyłanego f.

Jeżeli odległość rośnie, wówczas częstotliwość odbieranego dźwięku f? jest mniejsza niż częstotliwość emitowanego dźwięku f.


Każde wrażenie, otrzymane za pośrednictwem ucha (narząd Cortiego w uchu wewnętrznym), nazywamy głosem. Źródło głosu jest zawsze w obrębie kuli ziemskiej. Doświadczenia wykazują, że do wzbudzenia głosu są potrzebne nagłe, krótkie uderzenia (głos krótki). Głos ciągły powstaje , gdy liczne uderzenia powstają jedno po drugim (częstotliwość wstrząśnień powinna przekraczać 30 na sekundę - wtedy ucho nie odróżnia pojedynczych wstrząśnień). Wrażenie jednostajne i niezmienne nazywamy dźwiękiem. Wrażenia zmienne i niejednostajne nazywamy szmerami. Wrażenia głosu odbieramy dopiero po upływie niejakiego czasu, stąd wniosek, że głos bywa przewodzony; prędkość przewodzenia głosu w powietrzu równa się 340m/s, a więc równa się prędkości przewodzenia fal podłużnych w powietrzu; w ogóle prędkość przewodzenia fal w danym ośrodku równa się prędkości rozchodzenia się fal podłużnych w tymże ośrodku (w próżni głos się nie rozchodzi - dzwon pod kloszem pompy pneumatycznej nie dzwoni mimo uderzeń). Fale głosowe bywają unoszone razem z przewodnikiem (np. powietrzem), stąd prędkość ich zmienia się o prędkość przewodnika; mogą one być odbijane od powierzchni (ciała jednolite i ciecze dobrze odbijają) i wtedy otrzymujemy odgłos czyli echo. Odbicie to podlega wszystkim prawom odbicia fal.