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.

Fala dźwię­ko­wa powsta­ła w wyni­ku drgań kamertonu.

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

autor: DKP

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.