Fale dźwiękowe – czym są, co warto o nich wiedzieć?

W najprostszym ujęciu fale dźwiękowe (lub fale akustyczne) to zaburzenie w postaci drgań, przenoszonych przez cząsteczki materii (np. powietrza). Charakteryzują się one różną częstotliwością, amplitudą i prędkością poruszania się w różnych substancjach, co przekłada się na słyszany dźwięk. Fale dźwiękowe są ponadto falami mechanicznymi i ulegają tzw. zjawiskom akustycznym. W dalszej części dowiesz się więcej na temat fal akustycznych i znajdziesz odesłania do powiązanych z tym zjawiskiem treści.

Podstawowe zależności parametrów fali akustycznej

Zrozumienie, jak działają fale dźwiękowe, pozwala nam lepiej pojąć, dlaczego różne dźwięki są przez nas inaczej odbierane. Rozważmy trzy kluczowe parametry fali dźwiękowej: wysokość dźwięku, głośność oraz jego barwę.

Wysokość

Wysokość dźwięku jest bezpośrednio powiązana z częstotliwością fali. Im wyższa częstotliwość, tym dźwięk, który odbieramy, wydaje się być wyższy. Dlatego dźwięki wysokie, jak śpiew ptaka, mają dużo wyższą częstotliwość niż na przykład niski pomruk silnika.

Głośność

Głośność dźwięku związana jest z natężeniem fali dźwiękowej, które odnosi się do energii fali. Kiedy mówimy o głośniejszym dźwięku, mamy na myśli większe natężenie fali. Ważne jest jednak zrozumienie, że nasze odbieranie głośności nie jest stałe – nie wzrasta ono liniowo. Oznacza to, że podwojenie natężenia fali niekoniecznie odbieramy jako podwojenie głośności.

Barwa

Barwa dźwięku to parametr, który pozwala nam odróżnić dźwięki o tej samej częstotliwości i głośności, ale pochodzące z różnych źródeł. Jest to możliwe dzięki analizie składu widmowego fali dźwiękowej, czyli rozkładu energii fali na różne częstotliwości. To dzięki barwie możemy rozróżnić, czy słuchamy dźwięku wydawanego przez skrzypce, czy przez fortepian, nawet jeśli oba instrumenty grają tę samą nutę na tej samej głośności.

Jak wytwarzane są fale akustyczne?

Fale akustyczne/dźwiękowe to fale mechaniczne, czyli drgania przenoszone przez ośrodki takie jak powietrze, woda, czy stałe materiały. Każda fala dźwiękowa zaczyna się od źródła wibracji, czyli ruchu, który zakłóca ośrodek i tworzy w nim zaburzenia.

Źródło drgań

Źródłem dźwięku może być dowolny obiekt zdolny do wibracji, który przenosi swoją energię na otaczające go cząsteczki. Przykładowo, kiedy gitarzysta szarpie strunę, powoduje jej drganie. Ruch struny wprawia w ruch cząsteczki powietrza, które z kolei popychają sąsiednie cząsteczki. To samo dzieje się w przypadku membrany głośnikowej, która porusza się na przykład wewnątrz domowego radia.

Proces tworzenia fali dźwiękowej

Fale dźwiękowe są serią naprzemiennych obszarów kompresji i rozprężania, które rozprzestrzeniają się w danym ośrodku. W obszarze kompresji cząsteczki są ściśnięte blisko siebie, co zwiększa lokalne ciśnienie, natomiast w obszarze rozprężania, cząsteczki są od siebie oddalone, co obniża ciśnienie. Takie cykliczne zmiany ciśnienia, przenoszone przez ośrodek, stanowią właśnie falę dźwiękową.

Dlaczego fale dźwiękowe potrzebują materii?

Fale dźwiękowe są falami mechanicznymi, co oznacza, że do ich propagacji potrzebny jest ośrodek materialny. W próżni, gdzie nie ma materii, dźwięk nie może się rozprzestrzeniać, ponieważ nie ma cząsteczek, które mogłyby przekazać drgania.

Jak zanika się fala dźwięku?

Fala dźwiękowa kontynuuje swoją podróż do momentu, gdy energia wibracji zostanie stłumiona lub pochłonięta przez substancję. Na przykład dźwięki w powietrzu z czasem zanikają z powodu oporu powietrza i absorpcji przez otaczające obiekty.

Fala dźwiękowa w różnych stanach skupienia

Dźwięk, jako fala mechaniczna, potrzebuje medium do propagacji. To, jak szybko dźwięk się rozprzestrzenia, zależy od właściwości fizycznych tego medium, czyli od tego, czy jest to gaz, ciecz, czy ciało stałe. Interesujące jest również, że w próżni, gdzie nie ma materii, dźwięk nie może się w ogóle rozchodzić. Poniżej przedstawiamy, jak prędkość dźwięku różni się w różnych mediach.

Tabela prędkości dźwięku w różnych substancjach:

Substancja	Stan skupienia	Prędkość dźwięku (m/s)
Powietrze	Gaz	ok. 343
Woda	Ciecz	ok. 1482
Stal	Ciało stałe	ok. 5960
Aluminium	Ciało stałe	ok. 6420
Próżnia	Brak materii	0

Jak widać, dźwięk rozchodzi się najszybciej w ciałach stałych, takich jak stal czy aluminium, ponieważ cząsteczki w ciałach stałych są bardziej zbliżone i sztywno połączone, co sprzyja szybszemu przekazywaniu wibracji. W cieczach, takich jak woda, prędkość dźwięku jest również wysoka, lecz niższa niż w ciałach stałych. Gazy, takie jak powietrze, mają najmniejszą prędkość rozprzestrzeniania się dźwięku, ponieważ cząsteczki w gazie są bardziej rozproszone.

Podział fal akustycznych

Zrozumienie różnych rodzajów fal dźwiękowych, oparte na ich częstotliwościach oraz charakterze widma, pozwala na lepsze wykorzystanie ich właściwości w różnych zastosowaniach.

Podział ze względu na częstotliwość

1. Infradźwięki:
   • Zakres: poniżej 16 Hz
   • Charakterystyka: Niesłyszalne dla ludzkiego ucha, wykorzystywane w sejsmologii, prognozowaniu pogody, badaniach nad zachowaniami zwierząt.
2. Dźwięki słyszalne:
   • Zakres: od 16 Hz do 20 kHz
   • Charakterystyka: Zakres percepcji ludzkiego ucha, obejmuje większość dźwięków codziennego życia, muzykę, mowę.
3. Ultradźwięki:
   • Zakres: powyżej 20 kHz
   • Charakterystyka: Niesłyszalne dla ludzi, stosowane w medycynie (np. ultrasonografia), przemyśle (np. czyszczenie ultradźwiękowe), badaniach naukowych.
4. Hiperdźwięki:
   • Zakres: powyżej 10^10 Hz
   • Charakterystyka: Znaczenie głównie w badaniach naukowych i technologii, takich jak radar kwantowy czy badania nad materiałami.

Podział ze względu na widmo fali

1. O widmie dyskretnym:
   • Proste: Dźwięki o ściśle określonej częstotliwości, np. ton prosty z generatora.
   • Harmoniczne: Dźwięki składające się z wielu tonów prostych, np. mowa, śpiew, muzyka; mają okresowy charakter.
2. O widmie ciągłym:
   • Szum: Dźwięki o równomiernym rozłożeniu energii w całym widmie, np. szum morza, wiatru.
   • Hałas: Dźwięki zazwyczaj o wysokim natężeniu, nieprzyjemne, często szkodliwe dla zdrowia, np. hałas maszyn, uliczny.