Kiedy słyszę dźwięk, wiem, że wywołało go drgające źródło: struna gitary, membrana głośnika albo moje struny głosowe. Poruszając się tam i z powrotem, wprawia ono w drgania sąsiadujące cząsteczki ośrodka, najczęściej powietrza. W ten sposób powstają naprzemienne zagęszczenia i rozrzedzenia, czyli niewielkie zmiany ciśnienia. Rozchodzą się one dalej jako fala mechaniczna. W powietrzu i większości cieczy fala ta jest podłużna: cząsteczki drgają równolegle do kierunku jej ruchu, ale nie przemieszczają się wraz z nią na dużą odległość.

Fala przenosi energię, a nie cały ośrodek. Każda cząsteczka drga wokół średniego położenia i przekazuje ruch następnej, dzięki czemu energia mechaniczna dociera dalej. Powietrze jako całość nie wędruje jednak od głośnika do mojego ucha. Co więcej, dźwięk potrzebuje materialnego ośrodka — powietrza, wody lub ciała stałego — dlatego nie rozchodzi się w próżni. Jak już zgłębiasz ten temat, poznaj sekrety filtrowania i odkryj perfekcyjny dźwięk i grafikę. W powietrzu o temperaturze 20°C porusza się z prędkością około 340 m/s, w wodzie — około 1500 m/s, a w stali — około 6000 m/s.

Dlaczego głośny dźwięk potrafi poruszyć, a nawet uszkodzić przedmioty?

Większa amplituda oznacza większe zmiany ciśnienia, a zwykle także większe natężenie dźwięku, czyli więcej energii przenoszonej w jednostce czasu. Więcej w tym temacie napisaliśmy w tym artykule. Dlatego głośny dźwięk mocniej wprawia w drgania błonę bębenkową, zaś bardzo intensywne fale mogą poruszać inne przedmioty, a nawet je uszkadzać. Poziom natężenia często podaje się w decybelach: umowny próg słyszalności przy 1 kHz wynosi 0 dB, szept osiąga około 20 dB, odkurzacz — około 60 dB, a granica bólu przypada mniej więcej na 120–130 dB. W miarę oddalania się od źródła fala rozprasza energię, natomiast część energii pochłaniają napotkane obiekty i zamieniają ją w ciepło.

Częstotliwość określa liczbę drgań na sekundę i wpływa na wysokość dźwięku: im jest większa, tym wyższy dźwięk słyszymy. Człowiek zwykle odbiera częstotliwości od około 20 Hz do 20 000 Hz, choć górna granica często obniża się z wiekiem. Poniżej tego zakresu leżą infradźwięki, a powyżej — ultradźwięki. Długość fali to odległość między kolejnymi zagęszczeniami, a prędkość, częstotliwość i długość łączy wzór v = λf. Dzięki tym wielkościom opisuję zarówno niski pomruk, jak i wysoki pisk: częstotliwość określa wysokość, amplituda — głośność, a złożoność drgań źródła — barwę dźwięku.

Dźwięk to drgania, które przenoszą energię przez materię. Jego wysokość, głośność i barwa pomagają nam rozpoznawać otaczający świat.

Infradźwięki, dźwięki słyszalne i ultradźwięki — czym się różnią?

Fale dźwiękowe powstają, gdy drgające ciało — na przykład struna gitary, membrana głośnika albo struny głosowe — wprawia w drgania otaczający je ośrodek. W powietrzu cząsteczki poruszają się w przód i w tył, tworząc naprzemienne zagęszczenia i rozrzedzenia, które przenoszą energię. Dźwięk rozchodzi się tylko w ośrodku materialnym, takim jak powietrze, woda czy ciało stałe, a w próżni nie może się rozprzestrzeniać. Częstotliwość mierzymy w hercach (Hz) i to ona wpływa na wysokość tonu: im więcej drgań na sekundę, tym wyższy dźwięk. Z kolei głośność wiąże się z amplitudą fali i jej natężeniem.

Infradźwięki mają częstotliwość niższą niż około 20 Hz, dlatego ludzkie ucho zazwyczaj ich nie słyszy. Mimo to mogą rozchodzić się na duże odległości. Wytwarzają je między innymi fale morskie, wodospady, wulkany, ciężkie pojazdy i wentylatory, a słonie oraz niektóre wieloryby wykorzystują je do komunikacji. Dźwięki słyszalne mieszczą się w przybliżeniu w zakresie od 20 Hz do 20 000 Hz, choć granice zależą od człowieka i często obniżają się z wiekiem, zwłaszcza w przypadku wysokich tonów. W powietrzu o temperaturze około 20°C dźwięk przemieszcza się z prędkością bliską 340 m/s, natomiast w wodzie i ciałach stałych zwykle szybciej.

Poniżej wymieniono trzy zakresy częstotliwości dźwięku i ich podstawowe cechy:

• Infradźwięki: częstotliwość niższa niż około 20 Hz.
• Dźwięki słyszalne: w przybliżeniu od 20 Hz do 20 000 Hz.
• Ultradźwięki: częstotliwość wyższa niż około 20 000 Hz.

Niewidzialne fale, które pomagają nietoperzom i lekarzom

Ultradźwięki mają częstotliwość wyższą niż górna granica ludzkiego słuchu, czyli około 20 000 Hz. Dzięki krótkim falom można precyzyjnie określać położenie przeszkód i tworzyć obrazy. Wykorzystują je nietoperze i delfiny, które orientują się dzięki echolokacji; ludzie stosują je zaś w sonarach, badaniu USG oraz urządzeniach do usuwania kamienia nazębnego. Można traktować infradźwięki, dźwięki słyszalne i ultradźwięki jako trzy „rejestry” tego samego zjawiska: pierwsze są zbyt niskie, by je usłyszeć, drugie odbieramy uchem, a trzecie są zbyt wysokie. Wszystkie stanowią fale mechaniczne, a to, czy je słyszymy, zależy przede wszystkim od ich częstotliwości i czułości naszego słuchu.

Wysokość, głośność i barwa dźwięku: co je określa?

Lista wyjaśnia, co określa wysokość, głośność i barwę dźwięku. Pokazuje też, jak rozpoznać te cechy na oscylogramie oraz jak powstaje i rozchodzi się fala dźwiękowa.

• Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości drgań źródła i fali: im jest ona większa, tym wyższy dźwięk słyszymy, a im mniejsza — tym niższy. Częstotliwość mierzymy w hercach (Hz), zaś okres drgań stanowi jej odwrotność. Wysokość nie zależy od amplitudy fali. Człowiek słyszy zwykle dźwięki o częstotliwości około 20 Hz–20 kHz, choć zakres ten różni się w zależności od osoby i wieku. Z wiekiem najczęściej pogarsza się słuch wysokich tonów.
• Głośność dźwięku wiąże się z natężeniem fali, czyli ilością energii docierającej do ucha w jednostce czasu. Zwykle większa amplituda drgań oznacza większe natężenie i głośniejszy dźwięk. Poziom natężenia podajemy najczęściej w decybelach (dB): próg słyszalności umownie wynosi 0 dB, a granica bólu przypada w przybliżeniu na 120–130 dB. Odbierana głośność zależy także od częstotliwości, ponieważ ucho szczególnie dobrze odbiera dźwięki w zakresie 1–3 kHz. Zbyt silny dźwięk może uszkodzić słuch.
• Barwa dźwięku zależy od złożoności drgań i składu dźwięku, w tym od jego składowych. Dzięki niej odróżniamy instrumenty i głosy, nawet gdy wydają dźwięki o tej samej wysokości i głośności. Ton czysty ma jedną częstotliwość i sinusoidalny przebieg, natomiast dźwięki instrumentów oraz ludzkiej mowy są zwykle bardziej złożone.
• Fala dźwiękowa i jej wykres powstają, gdy drgające ciało, na przykład struna, membrana głośnika lub struny głosowe, przekazuje drgania sprężystemu ośrodkowi. W powietrzu i większości płynów dźwięk rozchodzi się jako fala podłużna: cząsteczki drgają wzdłuż kierunku jej ruchu, tworząc naprzemienne zagęszczenia i rozrzedzenia. Fala przenosi energię, ale same cząsteczki tylko drgają wokół położenia równowagi. Na oscylogramie większa amplituda zwykle oznacza głośniejszy dźwięk, a większa częstotliwość — wyższy. Dźwięk nie rozchodzi się w próżni, a jego prędkość zależy od ośrodka i temperatury. W powietrzu o temperaturze około 20°C wynosi około 340 m/s.
• Infradźwięki i ultradźwięki wykraczają poza typowy zakres ludzkiego słuchu: infradźwięki mają częstotliwość poniżej około 20 Hz, a ultradźwięki — powyżej około 20 kHz. Infradźwięki mogą pokonywać duże odległości, dlatego słonie i wieloryby wykorzystują je do komunikacji. Z kolei nietoperze i delfiny używają ultradźwięków do echolokacji. Ludzie stosują je między innymi w USG, sonarach i urządzeniach do usuwania kamienia nazębnego.

Zobacz również:  Stabat Mater Dolorosa: Wnikliwa analiza i kluczowe informacje o utworze

Dlaczego prędkość dźwięku zależy od ośrodka?

Gdy drga struna, membrana głośnika albo moje struny głosowe, wprawia w ruch cząsteczki otoczenia. Te przekazują zaburzenie kolejnym cząsteczkom, tworząc naprzemienne zagęszczenia i rozrzedzenia, czyli falę dźwiękową. Sam ośrodek nie wędruje wraz z falą: jego cząsteczki drgają wokół położeń równowagi, a energia przemieszcza się dalej. Dźwięk potrzebuje materii — w próżni nie ma cząsteczek, które mogłyby przekazywać drgania.

Prędkość fali zależy przede wszystkim od sprężystości i gęstości ośrodka. Im większa sprężystość, tym szybciej ośrodek zwykle przekazuje drgania, natomiast duża bezwładność cząsteczek może je spowalniać. W powietrzu dźwięk rozchodzi się z prędkością około 330 m/s przy 0°C, 340 m/s przy 20°C i 360 m/s przy 50°C. Dla porównania, woda przy 25°C przewodzi go z prędkością około 1500 m/s, cegła — około 3600 m/s, stal — około 6000 m/s, a diament — nawet około 18 000 m/s.

Od powietrza po stal: jak ośrodek i ciepło przyspieszają dźwięk

W gazach cząsteczki znajdują się stosunkowo daleko od siebie, dlatego przekazują drgania wolniej niż cząsteczki cieczy, które są ciaśniej upakowane. Z kolei w wielu ciałach stałych silne oddziaływania między cząsteczkami umożliwiają jeszcze szybsze rozchodzenie się fali. Jej prędkość zależy jednak od konkretnego materiału i jego właściwości. Znaczenie ma również temperatura: w cieplejszym powietrzu cząsteczki poruszają się szybciej, więc sprawniej przekazują zaburzenie.

Dźwięk przenosi energię, choć cząsteczki ośrodka pozostają w pobliżu swoich położeń równowagi. To, jak szybko dociera do odbiorcy, zależy od materiału, przez który się rozchodzi.

Gdy fala przechodzi do innego ośrodka, zmieniają się jej prędkość i długość, ale częstotliwość pozostaje taka sama, ponieważ wyznacza ją drgające źródło. Opisuje to zależność v = λf, w której v oznacza prędkość, λ — długość fali, a f — częstotliwość. W efekcie ten sam ton ma inną długość fali w powietrzu niż w wodzie. Różnice prędkości dźwięku wykorzystuje sonar do badania podwodnego otoczenia, a ultrasonografia — do tworzenia obrazów tkanek.