Dźwięk: wysokość, barwa, amplituda i echo

Potrzebne wiadomości: Okres, częstotliwość i droga przebyta w czasie.

Jak informacja dociera od głośnika do ucha?

Membrana głośnika przesuwa się tam i z powrotem. Ściska pobliskie powietrze, potem pozwala mu się rozprężyć. Kolejne warstwy przekazują to zaburzenie dalej. Nie trzeba, aby jedna cząsteczka wyleciała z głośnika i doleciała aż do ucha. Podobnie fala na długiej sprężynie może przebiec wzdłuż niej, choć poszczególne zwoje wykonują tylko miejscowe ruchy.

Na wykresie ciśnienia sinusoidalna linia oznacza większe i mniejsze ciśnienie wzdłuż drogi. Nie jest zdjęciem toru cząsteczek ani dowodem, że powietrze porusza się w górę i w dół. W powietrzu rozpatrywana fala dźwiękowa jest podłużna.

Co drga w powietrzu?

Dźwięk w powietrzu rozchodzi się jako zmiany ciśnienia i gęstości. Cząsteczki wykonują drgania wzdłuż kierunku rozchodzenia, więc jest to fala podłużna. Energia może wędrować daleko, podczas gdy cząsteczki drgają wokół lokalnych położeń. Przepływ powietrza z wentylatora nie jest tym samym co fala dźwiękowa.

Wyższa częstotliwość zwykle oznacza wyższy dźwięk. Większa amplituda przy porównywalnej częstotliwości wiąże się z większym natężeniem, lecz odczuwana głośność zależy też od słuchu i częstotliwości. Barwa zależy m.in. od składu harmonicznych oraz narastania i zaniku dźwięku.

Zakresy i zastosowania

Umownie słyszalny zakres młodego zdrowego ucha podaje się około 20 Hz–20 kHz; granice różnią się między osobami. Infradźwięki mają mniejszą częstotliwość, ultradźwięki większą. To nie oznacza automatycznie bezpieczeństwa dźwięku niesłyszalnego. W ultrasonografii lub pomiarze odległości wykorzystuje się m.in. odbicie fali.

Zależność v=\lambda f łączy szybkość fali z długością i częstotliwością. Przy echu d=vt/2, ponieważ zmierzony czas obejmuje drogę w obie strony. Jeśli echo w powietrzu przy v=340 m/s wraca po 0,10 s, przeszkoda jest 17 m od nadajnika. Zwiększenie głośności nie skraca tego czasu w przyjętym modelu.

Rozdziel wysokość, barwę i natężenie

Weźmy dwa sygnały: pierwszy powtarza się 400 razy na sekundę, drugi 800 razy. Drugi ma dwukrotnie większą częstotliwość i zwykle odbieramy go jako wyższy. Jeśli zwiększymy amplitudę pierwszego sygnału, jego rytm nadal wynosi 400 Hz. Zrobił się intensywniejszy, ale nie stał się z tego powodu sygnałem 800 Hz.

Teraz dwa instrumenty grają tę samą częstotliwość podstawową 400 Hz. Jeden może mieć silniejszą składową 800 Hz, drugi 1200 Hz; inaczej narasta też początek dźwięku. Te różnice pomagają rozpoznać instrument mimo tej samej wysokości. Barwa nie sprowadza się do jednego parametru amplitudy.

Przykład: od czasu do odległości

Czujnik wysłał krótki impuls i zarejestrował jego powrót po 0,06 s. Przy v = 340 m/s fala przebyła 20,4 m, ale połowa to powrót. Ściana jest 10,2 m od czujnika. Jeśli ścianę odsuniemy dwukrotnie dalej, czas wzrośnie do 0,12 s. Głośniejszy impuls może być łatwiejszy do wykrycia, lecz w tym modelu nie biegnie szybciej.

Inny pomiar zaczynałby się przy nadaniu i kończył przy odbiorze przez oddalony mikrofon, bez powrotu. Wtedy droga byłaby vt, bez dzielenia przez dwa. To opis zdarzeń rozstrzyga o wzorze, nie samo wystąpienie słowa „dźwięk”.

Zadania do tego tematu

• Odległość od ściany z echa
• Fala 680 herców w powietrzu
• Ta sama nuta na flecie i skrzypcach

Dalsza lektura

Materiał referencyjny