Niektóre zagadnienia z akustyki

Fale dźwiękowe nazywa się inaczej akustycznymi. Fale dźwiękowe są rodzajem fal mechanicznych, podłużnych. Wynika to z faktu, że ich propagacja zachodzi dzięki rozchodzeniu się drgań cząsteczek ośrodka wzdłuż prostej, która pokrywa się z kierunkiem rozchodzenia się fali. Ponieważ ośrodek sprężysty zawsze będzie dążył do przywrócenia stanu równowagi, dlatego też takie lokalne sprężenie powoduje rozprężenie w sąsiedztwie. W kolejnych położeniach pojawiają się następne sprężenia i rozprężenia. Tak więc fala akustyczna rozchodzi się jako następujące po sobie serie sprężeń i rozprężeń. Z tego względu fala taka nie może rozchodzić się w próżni. Takie miejscowe sprężanie i rozprężanie jest połączone ze zmianą ciśnienia atmosferycznego w tym lokalnym obszarze. Tą zmianę nazywa się ciśnieniem akustycznym.

Pojęciem charakteryzującym falę dźwiękową jest częstotliwość dźwięku. Jest to właśnie ilość zaburzeń ośrodka materialnego przypadająca na jeden okres. Wyrażana jest w hercach. Otaczają nas dźwięki o różnych częstotliwościach. Badania wykazały, że dźwiękiem o najniższej częstotliwości jaki może być jeszcze słyszalny przez człowieka jest dźwięk o f= 1000 herców. Odpowiada mu wartość ciśnienia akustycznego równa p=Pa.

Natomiast dla tej samej częstotliwości ale już powyżej wartości ciśnienia równej 20 Pa dźwięk nie jest słyszalny , ale wywołuje wrażenia bólowe.

Tak rozpiętość spowodowała, że wprowadzono inną skalę zwaną poziomem ciśnienia akustycznego. Wyrażany jest on w decybelach i opiera się na skali logarytmicznej. Stwierdzono bowiem w oparciu o prawo Webera - Fechnera, że czułość narządu słuchu zmniejsza się logarytmicznie.

Rozchodząca się fala akustyczna przenosi energię, która np. wprawia w ruch błonę bębenkową. Wprowadza się zatem pojęcie natężenia dźwięku, jako energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię

I - natężenie dźwięku

E - energia [ J ]

t - czas [ s ]

S - powierzchnia [ ]

Okazuje się, że natężenie dźwięku jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy ciśnienia akustycznego.

Najmniejsza wartość natężenia, które wywołuje wrażenia słuchowe dla częstotliwości 1000 Hz wynosi około W / m. Natomiast największa wartość natężenia dźwięku, który nie wywołuje jeszcze wrażenia bólowego wynosi 1 W. Iloraz tych dwóch wartości nosi nazwę zakresu dynamicznego ucha.

Ponieważ rozpiętość natężenia dźwięku również jest dosyć duża, dlatego również wprowadzono inne, wygodniejsze pojęcie zwane poziomem natężenia dźwięku L. Również opiera się ono na skali logarytmicznej i wyrażane jest w decybelach.

Gdzie Ito natężenie odniesienia.

Poziom 0 decybeli oznacza próg słyszalności. Przykładowe poziomy odpowiadające danym dźwiękom to np.

• 10 dB odpowiada szeptowi
• 45 dB - przeciętna rozmowa
• 60 dB - odkurzacz
• 90 dB - dźwięku budzika
• 110 dB - hałas panujący na ruchliwej ulicy w godzinach szczytu
• 120 dB - poziom natężenia dźwięku w dyskotece
• 130 dB - granica bólu.

Nie wszyscy zdają sobie sprawę jakie negatywne skutki dla organizmu człowieka może nieść hałas. Niekorzystne objawy pojawiają się już przy długotrwałej ekspozycji na dźwięk już o poziomie 55 dB. Odczuwane są jako zmęczenie i ogólne rozdrażnienie. Czasem towarzyszy temu ból głowy, brzucha i mięśni. Poziom z zakresu 60 - 75 dB wywołuje już zmiany w akcji serca, co prowadzi do skoków ciśnienia i zaburzeń oddychania. Najnowsze badania wskazują , że ekspozycja na taki hałas podwyższa znacznie ryzyko wystąpienia zawału serca.

Fala akustyczna może rozchodzić się zarówno w gazach jak i w cieczach i ciałach stałych. Fala akustyczna docierająca do ucha wywołuje u człowieka wrażenia słuchowe.

Zakres częstości słyszalnych to wartości od około 20 Hz do 20000Hz. Podłużne fale mechaniczne o częstościach wyższych to tzw. ultradźwięki a o częstościach niższych to infradźwięki.

Subiektywne cechy dźwięku:

Barwa dźwięku jest cechą, na podstawie której ucho ludzkie jest w stanie rozróżnić dwa dźwięki o tej samej wysokości i głośności, a pochodzące z różnych źródeł. Cechą obiektywną odpowiedzialną za barwę jest widmo. Ucho dokonuje analizy harmonicznej dźwięków.

Wysokość dźwięku jest funkcją częstości drgań. Zdolność bezwzględnej oceny wysokości dźwięku to słuch absolutny. Większość ludzi potrafi tylko ocenić prawidłowo równość stosunku częstości dwu drgań czyli interwał - słuch relatywny.

Głośność zależy od natężenia fali akustycznej i od czułości ucha na dźwięki o różnej częstości drgań czyli charakteryzuje subiektywne odczuwanie natężenia dźwięku.

- wprowadzenie skali fonowej - za ton wzorcowy przyjęto ton o częstotliwości 1000 Hz. Poziom natężenia tonu wzorcowego dobiera się tak aby brzmiał on jednakowo głośno jak ton badany. Ton badany ma wtedy tyle fonów poziomu głośności ile decybeli ma ton wzorcowy jednakowo słyszalny. na podstawie tego rodzaju obliczeń sporządzono krzywe izofoniczne czyli krzywe jednakowego natężenia.

- wprowadzenie skali sonowej - opiera się na założeniu, że ucho ludzkie ocenia stosunek dwu tonów ( w szczególności 2 : 1) Wzorzec głośności - son tj. głośność tonu wzorcowego o poziomie natężenia 40 dB.

Dla wszystkich fal obserwowane jest zjawisko zwane efektem Dopplera. Jednak chyba najlepiej można go zobrazować na przykładzie fali akustycznej. Polega ono na tym, że w sytuacji gdy obserwator zbliża się w kierunku spoczywającego źródła dźwięku lub gdy poruszające się źródło zbliża się do obserwatora słyszy on dźwięki o wyższej częstości niż gdy oboje są w spoczynku. Natomiast w sytuacji oddalania się źródła bądź obserwatora dźwięk słyszany ma niższą częstość.

Na koniec warto krótko powiedzieć o tym jak dochodzi do wywołania przez falę akustyczną wrażenia słuchowego. I tak fale takie są zbierane przez małżowinę uszną i dostają się do przewodu słuchowego. Tym przewodem trafiają do ucha środkowego. Znajdują się tam m.in. kosteczki słuchowe, które powodują przenoszenie dźwięku z powietrza do ośrodka płynnego ucha wewnętrznego.

Ucho wewnętrzne natomiast składa się z błędnika i nerwu statyczno - słuchowego. W skład błędnika wchodzi ślimak, który zawiera komórki słuchowe. Właśnie w nich zachodzą reakcje biochemiczne powodujące powstawanie impulsów elektrycznych. Następnie te impulsy wędrują do mózgu.


autor: I.K
źródło, za zgodą: www.bryk.pl