Fale dźwiękowe fizyka to jeden z ciekawszych tematów w tej dziedzinie nauki. Dotyczy propagacji fal mechanicznych przez ośrodek sprężysty, np. powietrze, wodę czy ciała stałe. Te fale powstają w wyniku drgań cząsteczek ośrodka i mogą być odbierane przez nasz narząd słuchu. W artykule przyjrzymy się bliżej różnym rodzajom fal dźwiękowych, jak powstają, jak się rozchodzą oraz jakie mają właściwości i zastosowania.
Kluczowe wnioski:- Fale dźwiękowe powstają w wyniku drgań mechanicznych i rozchodzą się w ośrodkach sprężystych
- Mają określoną częstotliwość, długość fali i prędkość rozchodzenia się
- Występują zjawiska rezonansu akustycznego, odbicia i pochłaniania fal dźwiękowych
- Falami dźwiękowymi można sterować i mają szerokie zastosowanie techniczne
- Poznanie tych fal pozwala lepiej zrozumieć otaczający nas świat
Rodzaje fal dźwiękowych i ich cechy
Fale dźwiękowe są to fale mechaniczne, czyli drgania cząsteczek ośrodka, które rozchodzą się i mogą być odbierane przez ucho ludzkie. Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje fal dźwiękowych:
Fale podłużne - w takich falach naprzemiennie występują obszary ściskania i rozrzedzenia cząsteczek ośrodka. Kierunek drgań cząsteczek jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali.
Fale poprzeczne - w nich cząsteczki drgają prostopadle do kierunku propagacji fali. Tego typu fale mogą występować np. na powierzchni cieczy.
Każda fala dźwiękowa, niezależnie od rodzaju, charakteryzuje się pewnymi wielkościami fizycznymi:
- Częstotliwość - liczba drgań (cykli) na sekundę, wyrażana w hercach (Hz)
- Okres drgań - czas trwania jednego cyklu
- Długość fali - odległość pomiędzy dwoma kolejnymi punktami będącymi w tej samej fazie drgań
- Prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku
Zakres częstotliwości i natężenia
Nie wszystkie rodzaje fal słyszalne są dla człowieka. Aby fala została zarejestrowana przez ucho ludzkie, musi mieć częstotliwość od 16 Hz do 20 000 Hz. Natomiast natężenie fali, czyli amplituda drgań cząsteczek, musi przekraczać pewien minimalny próg słyszalności. Poniżej niego fala istnieje, ale jest niesłyszalna.
Jak powstają fale dźwiękowe i jak się rozchodzą
Fale dźwiękowe powstają w wyniku drgań obiektów materialnych, np. struny instrumentu muzycznego, płyty głośnika, stroików w ludzkim uchu itp. Drgania te przenoszą się na otaczający je ośrodek.
Najczęściej ośrodkiem tym jest powietrze - małe oscylacje gęstości powietrza przemieszczają się od źródła fal w postaci kolejnych stref ściskania i rozrzedzania. W ten sposób fala dźwiękowa rozchodzi się w przestrzeni z pewną prędkością.
Innymi ośrodkami mogą być ciecze i ciała stałe. Jednak najlepiej dźwięk rozchodzi się w ciałach o dużej sprężystości i małych oporach tłumienia drgań.
Absorpcja fal dźwiękowych
Fale dźwiękowe fizyka znajduje też szerokie zastosowanie w technice. Możliwe jest celowe wzmacnianie lub tłumienie dźwięków za pomocą różnych technologii.
Specjalne materiały i konstrukcje pochłaniające dźwięk stosuje się w studio nagrań czy salach koncertowych. Pozwala to uzyskać odpowiednią akustykę pomieszczeń i wysoką jakość nagrań.
Czytaj więcej: Notatka o baroku - wszystko, co musisz wiedzieć o epoce baroku
Prędkość i częstotliwość fal dźwiękowych
Jedną z podstawowych właściwości fal dźwiękowych jest ich prędkość rozchodzenia się w ośrodku. Jest ona stała dla danego ośrodka i zależy od jego parametrów fizycznych.
Największą prędkość fale dźwiękowe osiągają w ciałach stałych, nieco mniejszą w cieczach, a najmniejszą w gazach. Dla powietrza wynosi ona zwykle ok. 340 m/s.
| Ośrodek | Prędkość dźwięku (m/s) |
| Powietrze | 340 |
| Woda | 1500 |
| Szkło | 5000 |
Z kolei częstotliwość fali zależy od częstości drgań źródła i może być różna, nawet dla tego samego ośrodka. Im większa częstotliwość, tym dźwięk jest wyższy.
Rezonans akustyczny fali dźwiękowej
Bardzo ciekawym zjawiskiem związanym z falami dźwiękowymi jest rezonans akustyczny. Polega on na gwałtownym wzroście amplitudy fali w momencie, gdy jej częstotliwość zrówna się z jedną z częstotliwości drgań własnych ośrodka.
Dzieje się tak np. przy uderzaniu w dzwon, gdy jego dźwięk nagle się wzmaga. Resonans akustyczny wykorzystuje się też celowo w konstrukcji instrumentów muzycznych czy głośników.
Zjawisko Dopplera
Innym interesującym zjawiskiem z dziedziny fal dźwiękowych jest efekt Dopplera. Polega on na zmianie częstotliwości odbieranej fali w sytuacji, gdy jej źródło lub odbiorca poruszają się względem siebie.
Dzięki niemu możliwe jest określanie prędkości poruszających się obiektów, np. samochodów czy pociągów. Jest to szeroko wykorzystywane w technice radarowej.
Absorpcja i odbicie fal dźwiękowych
Fale dźwiękowe mogą ulegać zjawisku odbicia, podobnie jak ma to miejsce w przypadku fal świetlnych. Następuje ono przy nagłej zmianie ośrodka, którą fala napotyka na swojej drodze.
Kąt odbicia fal dźwiękowych jest równy kątowi padania. Zjawisko to tłumaczy np. efekt echa, gdy fale odbijają się od przeszkód terenowych.
Fale te mogą również ulegać absorpcji, czyli pochłanianiu przez ośrodek. Stopień tego pochłaniania zależy od właściwości ośrodka oraz częstotliwości fali.
Im większa częstotliwość fali dźwiękowej, tym szybciej ulega ona tłumieniu podczas rozchodzenia się w ośrodku.
Wytłumienie hałasu
Fale dźwiękowe fizyka znajduje też szerokie zastosowanie w technice. Możliwe jest celowe wzmacnianie lub tłumienie dźwięków za pomocą różnych technologii.
Na przykład, specjalne ekrany akustyczne wzdłuż dróg i torów kolejowych pochłaniają hałas komunikacyjny. Chroni to okoliczne budynki przed nadmiernym hałasem.
Zastosowanie fal dźwiękowych w technice
Fale dźwiękowe znalazły bardzo szerokie zastosowanie we współczesnej nauce i technice. Oprócz standardowego wykorzystania w urządzeniach audio, są również używane min. do następujących celów:
- Badania nieniszczące materiałów i konstrukcji
- Diagnostyka medyczna (USG)
- Sonary i echolokacja
- Obróbka materiałów wykorzystująca zjawisko kawitacji
Intensywne prace badawcze pozwalają ciągle odkrywać nowe właściwości i zastosowania fal dźwiękowych w wielu dziedzinach nauki i gospodarki.
Podsumowanie
W artykule przyjrzeliśmy się tematyce fal dźwiękowych w fizyce. Dowiedzieliśmy się, że fale te to fale mechaniczne powstające w wyniku drgań i rozchodzące się w ośrodkach sprężystych. Mają różne cechy jak częstotliwość, długość czy prędkość. Poznaliśmy dwa główne rodzaje tych fal - podłużne i poprzeczne.
Omówione zostały szczegóły dotyczące powstawania i propagacji fal dźwiękowych w różnych ośrodkach. Wiemy już, jakie czynniki wpływają na prędkość tych fal i w jaki sposób można je wzmacniać lub tłumić. Ciekawe są też zjawiska rezonansu akustycznego czy efektu Dopplera.
Fale dźwiękowe odgrywają dużą rolę w otaczającym nas świecie. Ich znajomość pozwala lepiej zrozumieć mechanizmy przyrody. Ponadto znalazły szerokie zastosowanie w nowoczesnej technice, nauce i medycynie. Wciąż dokonuje się nowych odkryć dotyczących tych fal.
Mamy nadzieję, że artykuł pozwolił Czytelnikom zapoznać się z tematyką fal dźwiękowych i poszerzyć swoją wiedzę w tej dziedzinie fizyki. Jest to fascynujący obszar badań, a jego dobre zrozumienie przydaje się na co dzień w życiu.
