6. Fale mechaniczne - fale dzwiękowe

Fala dźwiękowa – dowolna fala podłużna rozchodząca się w ośrodku sprężystym

Ton – sinusoidalna fala dźwiękowa o ściśle określonej częstotliwości, amplitudzie i fazie

Rozchodzenie się fali dźwiękowej:

• gazy i ciecze: przemieszczanie się zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka
• ciała stałe: rozchodzenie się odkształceń lub naprężeń mechanicznych

---

Natężenie dźwięku

I = P/S

P – moc dźwięku
S – pole powierzchni, na którą pada fala

[I] = 1 W/m²

---

Częstotliwości fal dźwiękowych, które są słyszalne dla ludzkiego ucha:

16 Hz – 20000 Hz

Poniżej 16 Hz – infradźwięki
20000 Hz – 1 GHz – ultradźwięki
Powyżej 1 GHz – hiperdźwięki

Poziom natężenia dźwięku

β = 10·log(I/I₀)

I – natężenie dźwięku
I_o – dolny próg słyszalności – minimalne natężenie dźwięku o f = 1 kHz, przy którym w uchu ludzkim pojawia się wrażenie dźwiękowe

I₀ = 10^-12 W/m²

[β] = 1 dB (decybel) = 10 B (bel)

Prędkość dźwięku w powietrzu wynosi około 340 m/s.

---

Rezonans akustyczny - zjawisko wzrostu amplitudy drgań źródła dźwięku (np. struny) zachodzące przy ściśle określonych wartościach częstości (tzw. rezonansowych)

Drgania rezonansowe struny

warunek fali stojącej:

L = n·λ/2

n = 1, 2, 3, …

Drganie rezonansowe w piszczałce

• piszczałka obustronnie otwarta

L = n·λ/2

n = 1, 2, 3, …

• piszczałka jednostronnie zamknięta

L = n·λ/4

n = 1, 3, 5, …

---

Zjawisko Dopplera dla fal dźwiękowych - zmiana odbieranej częstotliwości dźwięku spowodowana ruchem źródła dźwięku i/lub obserwatora

f ' - częstotliwość odbierana przez obserwatora
f – częstotliwość źródła fali
v – prędkość dźwięku
w – prędkość obserwatora
u – prędkość źródła

Jeśli obserwator zbliża się do źródła w liczniku stawiamy znak '+', a jeśli się oddala znak '-'.

Jeśli źródło zbliża się do obserwatora w mianowniku stawiamy znak '-', a jeśli się oddala znak '+'.

---

Ciała poruszające się szybciej od dźwięku

np. samoloty, pociski naddźwiękowe

---

Liczba Macha

M = u/v_dź

u – prędkość źródła dźwięku
v_dź – prędkość rozchodzenia się dźwięku w danym ośrodku

Powstawanie fali uderzeniowej tworzącej tzw. stożek Macha

sinΘ = 1/M

M – liczba Macha