+ Pokaż spis treści

Dźwięki

Jesteś tu: Baza wiedzy / Fizyka / Fale / Dźwięki

Źródła i cechy dźwięków


Źródłami dźwięków
są ciała drgające z częstotliwością od 16 Hz do 20000 Hz. Dźwięki są przenoszone od źródła w postaci fali (akustycznej) podłużnej (zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka), mogącej rozchodzić się w gazach, cieczach i ciałach stałych. Brak ośrodka (próżnia) uniemożliwia rozchodzenie się fali akustycznej.
Ciała, których częstotliwość drgań jest mniejsza od 16 Hz są źródłami infradźwięków (poddźwięków), a ciała drgające z częstotliwością większą od 20000 Hz są źródłami ultradźwięków (naddźwięków).
Dźwięki są odbierane przez ucho człowieka (błona bębenkowa zostaje wprawiona w drgania o częstotliwości źródła - te drgania są poprzez młoteczek i kowadełko przekazane do mózgu). Ucho człowieka jest najbardziej czułe dla częstotliwości około 3000 Hz. Ultradźwięki są odbierane m.in. przez psy i nietoperze.
 
Dźwięki różnią się natężeniem, wysokością i barwą.
 
natężenie - fala akustyczna niesie ze sobą energię. Ilość energii (E) przepływającej w jednostce czasu (t) przez jednostkę powierzchni (S) ustawionej prostopadle do kierunku ruchu fali nazywamy natężeniem (I) dźwięku. Wyrażamy to wzorem:

Minimalne natężenie (tzw. próg słyszalności) dźwięku wywołujące wrażenie słuchowe wynosi dla dźwięku o częstotliwości 1000 Hz :
Dźwięki o natężeniach bardzo dużych są odbierane jako uczucie bólu. Przekroczenie progu bólu  może doprowadzić do zniszczenia ucha.
Ucho ludzkie rejestruje tzw. poziom natężenia wyrażany w Belach (B) lub (częściej) w belach dB . Poziom natężenia (p) wyraża natężenie (I) odbieranego dźwięku w stosunku do progu słyszalności (I0). Poziom natężenia wynosi p gdy natężenie dźwięku I jest
10p razy większy od progu słyszalności.
                I = Io .10p
np. p = 50 dB = 5 B gdy

Przykłady natężenia i poziomów natężenia:

Rodzaj dźwięku

J [W/m2]

p [dB]

szept

rozmowa (dość głośna)

korytarz szkolny w czasie przerwy

koncert muzyczny

10-9

10-6 - 10-5

10-3

10-2

30

60 - 70

90

100 i więcej



wysokość dźwięku - jest zależna od częstotliwości drgań źródła i rośnie ze wzrostem częstotliwości
barwa dźwięku - jest cechą pozwalającą odróżnić źródła dźwięków (o tej samej wysokości i natężeniu). Wynika to z faktu, iż źródła dźwięków (np. struny) wykonują drgania złożone z drgań podstawowych (i są źródłami tonów podstawowych o największym natężeniu) i drgań o większej częstotliwości i mniejszym natężeniu. Te dodatkowe tony decydują o barwie dźwięku.

Fale stojące w strunach (prętach)


Podstawowymi źródłami dźwięków w instrumentach muzycznych są struny i słupy powietrza . Struny są pobudzane do drgań poprzez uderzanie (pianino), szarpanie (gitara), itp.
Drgania są przenoszone do miejsc przymocowania struny czyli w strunie rozchodzi się fala, odbija się i nakłada z falą padająca i w rezultacie powstaje fala stojąca.
Drgania strun przedstawiają poniższe rysunki.

a) drgania podstawowe



ton podstawowy ma częstotliwość 

b) drgania o wyższych częstotliwościach



ton wyższy ma częstotliwość

W równaniach określających częstotliwość tonów V jest prędkością dźwięku w strunie i zależy od naciągu struny, materiału z jakiego wykonano strunę, pola przekroju struny, itp.

Fale stojące w słupach powietrza


W wielu instrumentach muzycznych zamiast strun wykorzystuje się słupy powietrza np. puzon, trąbka, saksofon, itp. Strumień powietrza (z płuc grającego) trafia na układ szczelin (rys 2 a i b) co prowadzi do powstania dźwięków o różnych częstotliwościach w zależności od długości słupa powietrza (długość np. piszczałki).Niektóre częstotliwości ulegają rezonansowemu wzmocnieniu i powstaje fala stojąca o częstotliwości .
Równocześnie mogą powstać fale o częstotliwościach wyższych.

a) ton podstawowy ma częstotliwość: 



b) ton wyższy ma częstotliwość: 



V jest w tym przypadku prędkością dźwięku w powietrzu