Czym jest dźwięk? Fizyk powie o fali dźwiękowej, która jest efektem specyficznego rodzaju ruchu zwanego drganiem*.
Każdy obiekt (właśc. sprężyste ciało stałe) drgający z określoną częstością – na przykład struna gitary – może być źródłem dźwięku, który dociera do uszu odbiorcy dźwięku dzięki rozprzestrzenianiu się drgań cząsteczek powietrza (lub innego ośrodka „przenoszącego” drgania, np. wody) znajdujących się na drodze pomiędzy źródłem dźwięku a odbiorcą. Energia związana z ruchem „przesuniętych” (wychylonych z położenia równowagi) cząsteczek powietrza „przenosi” się na przylegające do nich cząsteczki powietrza, które zostają wprowadzone w drgania itd., aż po pewnym czasie do drgań pobudzone zostaną bębenki uszne odbiorcy. W końcu te mechaniczne drgania zostają zamienione na sygnały nerwowe.

Falę dźwiękową (w konkretnym momencie czasu) można przedstawić poglądowo za pomocą linii, które przedstawiają tzw. czoła fali – największe „zagęszczenia” cząsteczek.

Membrana głośnika (np. w telefonie) drga bardzo szybko (porusza się tam i z powrotem). Znajdujące się przed nią cząsteczki powietrza są na przemian „zagęszczane” i „rozrzedzane”. Ruch drgający cząsteczek powietrza rozprzestrzenia się w różnych kierunkach. Czoło tej fali dociera do uszu człowieka.
Podkreślmy, że same cząsteczki powietrza nie przemieszczają się w przestrzeni, lecz jedynie odchylają się od własnego położenia równowagi.
Odległość między czołami fali nazwiemy długością fali. Liczbę czół fal „przechodzących” przez dany punkt w ciągu sekundy nazwiemy częstotliwością – mierzymy ją w hercach (np. 440 Hz oznacza „przejście” 440 fal w ciągu sekundy).
Fale dźwiękowe rozchodzą się z określoną prędkością – w powietrzu od 325 do 345 metrów na sekundę, w zależności od temperatury powietrza.
Fale dźwiękowe są przykładem fali podłużnej. Sposób rozchodzenia się fali dźwiękowej (cząsteczki powietrza poruszają się tam i z powrotem) można by porównać zachowania się zwojów na przemian ściskanej i rozciąganej sprężyny.
Niektóre dźwięki są efektem bardzo szybkich drgań obiektu, który jest źródłem dźwięku, tj. falami o bardzo dużej częstotliwości (np. śpiew ptaków) – mówimy wtedy o wysokich dźwiękach. Inne z kolei są falami o bardzo małej częstotliwości (np. silnik odrzutowy) – mówimy o niskich dźwiękach. Układ słuchu człowieka jest wrażliwy tylko na fale dźwiękowe z zakresu częstotliwości od 16 do ok. 20 000 herców (drgań na sekundę).
Dźwięków nie można zobaczyć. Używając mikrofonu i oscyloskopu można pokazać na ekranie kształt fali dźwiękowej. Fala dźwiękowa wprawia w ruch cienką blaszkę mikrofonu, a te drgania są zamieniane na impulsy elektryczne, które są przesyłane do oscyloskopu.
Powyższe wykresy przedstawiają zależność ciśnienia powietrza (stopnia „rozrzedzenia” czy „zagęszczenia” cząsteczek powietrza) od czasu pomiaru. Widać na nich, jak wzrasta i maleje ciśnienie powietrza w pobliżu mikrofonu, gdy docierają do niego fale dźwiękowe.
W miarę jak fala dźwiękowa oddala się od swego źródła, stopniowo zmniejsza się ilość energii przenoszonej przez drgające cząsteczki – maleje amplituda fali dźwiękowej, czyli wielkość wychylenia się drgających cząsteczek od położenia równowagi. W efekcie zmniejsza się głośność** dźwięku, która jest subiektywnym odczuciem własności dźwięku, nazywanej natężeniem*** dźwięku.
Dodajmy jeszcze jedną informację – ucho ludzkie może rozróżniać dwa różne dźwięki (fale dźwiękowe) tylko wówczas, gdy odstęp czasowy między nimi jest co najmniej 0,1 sekundy.
Nauka o dźwięku nazywa się akustyką. Efektem badań naukowych w tej dziedzinie są m.in. urządzenia, które używając fali dźwiękowej potrafią mierzyć dokładnie odległości czy kruszyć skały, ale i takie, które pozwalają „zaglądać” do wnętrza ciała ludzkiego.
***
Fizyka potrafi wyjaśnić różne zjawiska związane z dźwiękiem. Wspomnijmy tylko o jednym z nich – o echu, czyli „odbiciu” się fali dźwiękowej od jakiejś przeszkody. Wiemy, że im większa częstotliwość fali dźwiękowej, tym mniejsza długość fali – okazuje się, że w konsekwencji mniejszy przedmiot (przeszkoda) może falę „odbijać”.
Dźwięki o bardzo wysokiej częstotliwości, zwane są ultradźwiękami. W wyniku odbicia się od wewnętrznych części ciała człowieka ukazują ich obraz (położenie) – tak jak obraz dziecka w łonie matki na zdjęciu ekranu zwanego ultrasonografem.
* Mówi się o harmonicznym ruchu drgającym, gdyż wychylenia (od położenia równowagi) charakteryzują się regularną powtarzalnością.
** Dla poszczególnych częstotliwości dźwięku można określić minimalną głośność (próg słyszalności) i maksymalną głośność (próg bólu), poniżej której i powyżej której bębenek uszny traci wrażliwość.
*** W akustyce mówi się o poziomie natężenia dźwięku – określa się go porównując natężenie danego dźwięku z wartością progową (dla normalnie słyszącej osoby) natężenia dźwięku o częstotliwości 1000 Hz. Jednostką poziomu natężenia dźwięku jest decybel (dB). Próg bólu to ok. 120 dB.