Czym jest dźwięk.

Dźwięk to fale akustyczne, które powodują zaburzenie gęstości i ciśnienia rozchodzące się w ośrodku w postaci fali podłużnej, któremu towarzyszą drgania cząsteczek ośrodka. Proste, prawda? Powyższe zdanie jest przykładem sposobu odpowiedzi, jakiej obiecuję, że nie będę stosował na tym Blogu. Jest to mój pierwszy wpis i pragnę poinformować, że wszystkie treści będą publikowane w przystępny i prosty do zrozumienia sposób. Wracając jeszcze raz do pierwszego zdania, które jest praktycznie żywcem skopiowane z wikipedii. Fala akustyczna występuje również pod postacią fali kulistej, która w świecie proaudio ma znaczącą rolę w zestawieniu z falą podłużną. Wyobraźmy sobie, że skreślamy to pierwsze zdanie i przejdźmy do wytłumaczenia krok po kroku.

Czym jest powietrze?

Aby zobrazować, czym jest fala akustyczna, najpierw musimy dokładnie zdefiniować sobie ośrodek, w którym się ona porusza. Powietrze nie jest jedynym ośrodkiem gdzie może być przenoszony dźwięk, ale na co dzień to właśnie dzięki niemu dociera on do naszych uszu.

rys. 1

Skupmy się na ilustracji gazu. Mieszanina odpowiednich składników cząsteczek, w odpowiednich proporcjach tworzy powietrze. To pewnie wie każdy, ale aby dowiedzieć się, w jaki sposób fala akustyczna zachowuje się tym w ośrodku, musimy poznać jego właściwości. Na przykład w 1cm3  tlenu w warunkach normalnych (przy ciśnieniu równym 1 atm i temperaturze 18°C) znajduje się 2,7⋅1019 cząsteczek. Gdyby policzyć życie przeciętnego człowieka w sekundach, to taka osoba musiałaby żyć około 5 milionów razy, aby liczba sekund była równa liczbom cząsteczek tylko w 1cm3  tlenu. Zauważ, że jest tutaj podane ciśnienie i temperatura. Są to bardzo kluczowe dane dla rozchodzenia się fali akustycznej w powietrzu.

Czym jest fala akustyczna?

Przyjrzyj się tej animacji uważnie i stwierdź, co się dzieje z cząsteczkami powietrza. Można zauważyć przybliżanie i oddalanie się cząsteczek od siebie. Zachodzi tutaj zjawisko zmian ciśnień gazu – to zjawisko nazywamy falą akustyczną. Warto zauważyć, że cząsteczki gazu (particle) nie wędrują wraz z falą. Reagują nieznacznie swoim położeniem, lecz z każdym cyklem wracają do początkowego położenia. Wniosek jest następujący: Cząsteczki powietrza nie przemieszczają się wraz z falą akustyczną, ale ulegają okresowym drganiom z równoległym kierunkiem względem fali.

Dowiedz się, czym jest fala sinusoidalna.

Na kolejnej animacji jest symulacja ruchu membrany głośnika. Kiedy membrana wychyla się w stronę gazu, powoduje kompresję, tzn. zwiększa ciśnienie gazu – cząsteczki się do siebie przybliżają. Kiedy membrana się odchyla, następuje dekompresja, tzn. ciśnienie gazu się zmniejsza – cząsteczki się od siebie oddalają. Na dolnej części animacji wraz z falą akustyczną przemieszcza się wykres sinusoidalny. Prosta pozioma linia, po której biegnie wykres, jest stanem 0. Kiedy wykres przechodzi przez tę linię, oznacza, że membrana w tym momencie znajduje się w miejscu, gdzie nie powoduje zmian ciśnień. Oczywiście ten stan trwa bardzo krótko, ale jest to główny punkt odniesienia. Przyjmijmy, że w naszym ośrodku panuje ciśnienie 1000 hPa, więc w miejscu, gdzie sinusoida jest ponad punktem zero – ciśnienie wzrasta, natomiast poniżej – ciśnienie spada. Podczas swobodnej rozmowy, zmiany ciśnień wahają się w przedziale 0.02 Pa, natomiast na koncercie, gdzie oszalał realizator dźwięku, możesz doświadczyć zmiany, nawet 20 Pa. Jest to około 1000x większe ciśnienie!

Ile waży powitrze?

Tutaj każdy ulega zaskoczeniu. Na poziomie morza w temperaturze 20 °C powietrze suche ma gęstość około 1,2 kg/m³. W standardowym pokoju o wymiarach 5 m x 4 m x 2,5 m znajduje się około 60 kg powietrza. Nie odczuwamy tego na co dzień, chyba że, jedziemy Bugatti – najszybszym samochodem na świecie – wtedy głównym ograniczeniem maksymalnej prędkości pojazdu, jest właśnie gęstość powietrza, która dochodzi do wielkości gęstości wody. Samochód uderzając w powietrze, spręża gaz do stanu cieczy (patrz rys.1). Akapit ten ma na celu zobrazowania siły i ośrodka, jakim jest powietrze. To właśnie nasze OGROMNE ciśnienie atmosferyczne sprawia, że wahania 0.02 Pa wystarczą, aby bardzo wyraźnie przenosić falę akustyczną do naszych uszu. W zasadzie, środowisko gazowe, w jakim żyjemy, można porównać do środowiska wodnego. Warto to zapamiętać, aby móc sobie wyobrazić niewidzialny świat gazów, którym oddychamy. Gdyby usunąć gaz z ośrodka – wytworzymy próżnię. Jak wiadomo, w próżni nie rozchodzi się dźwięk, z bardzo prostego powodu. W próżni nie ma cząsteczek.

Prędkość dźwięku.

Przyjęło się mówić, że prędkość dźwięku wynosi 340 m/s, czyli ok. 1225 km/h. Gdybyśmy przyjęli te dane i zrobili nagłośnienie strefowe w plenerze przy temperaturze -20°C, to nasz sylwester z Polsatem wypadłby słabo. Dlatego istotne jest, aby uwzględniać temperaturę do określenia prędkości dźwięku. Na prędkość dźwięku wpływa również wilgotność powietrza, ale tutaj akurat zmiany są tak małe, że nie są uwzględniane.

Warto tutaj jeszcze raz zaznaczyć, że prędkość ta dotyczy fali akustycznej, a nie powietrza. Fala akustyczna jest energią pod postacią podciśnienia lub nadciśnienia. Gdy membrana głośnika się wychyla, tworzy nadciśnienie w ośrodku, które przemieszcza się z prędkością dźwięku. Wracając do naszej animacji z symulacją ruchu membrany głośnika – fale, które wytwarza membrana, poruszają się z prędkością ok. 340m/s, jeżeli temperatura wynosi 15°C. Niezależnie, czy membrana porusza się wolno lub szybko to fala akustyczna zawsze będzie się poruszać z prędkością dźwięku.

Jak działa dźwięk? Podsumowanie.

Powiedzieliśmy sobie trochę o fali akustycznej, ale to jest dopiero wierzchołek góry lodowej, której jeszcze nawet nie znamy rozmiarów. Odpowiadając ostatecznie na pytanie. Dźwięk jest naszym subiektywnym odczuciem fali akustycznej, powstający w wyniku odebrania przez ucho i interpretacji przez nasz mózg. Z pełną świadomością napisałem, że góra lodowa jest niewiadomych rozmiarów, gdyż od strony psychoakustyki (głównie) jest jeszcze wiele do odkrycia. Problem z badaniami wpływu muzyki na nasz mózg jest taki, że nie ma w nim jednego płata odpowiedzialnego za przetwarzanie tych bodźców. Co prawda płat skroniowy jest przypisany jako ośrodek słuchu, ale kiedy pojawia się muzyka, impulsy elektryczne wykazywane są na całej powierzchni. Gdy przeprowadzano badania, okazało się, że w głowach ludzi, którzy grają na jakimś instrumencie lub technicznie zajmują się dźwiękiem, pojawiają się istne fajerwerki spowodowane impulsami elektrycznymi w neuronach, kiedy słuchają muzyki. Dlatego, warto jak najwcześniej zacząć naukę i po to jest tworzony ten blog, aby w prosty sposób tłumaczyć zagadnienia, które każdy będzie mógł zrozumieć i łatwo zapamiętać.

# Zostaw komentarz, pojawi się on w prawej kolumnie na pierwszej stronie naszego bloga! 🙂

Sprawdź również, co to są Herce.

Dodaj komentarz