Gramy na gitarze
Wyobraźmy sobie, że jesteśmy na koncercie. Widzimy gitarzystę, który bierze do ręki instrument i zaczyna grać. Mimo że gitara ma tylko kilka strun, słyszymy dźwięki wysokie i niskie, głośne i ciche. Jak to możliwe?
co to jest i jak powstaje fala dźwiękowa,
rolę narządu słuchu w procesie słyszenia.
Wyjaśnisz, jaki wpływ na wysokość dźwięku mają długość i napięcie struny.
Dowiesz się jakie wielkości fizyczne opisują głośność i wysokość dźwięku.
Omówisz, jak powstaje echo.
1. Wysokość dźwięku
Kiedy gramy na instrumencie muzycznym, drobiny (ciała stałe, ciecze lub gazy) znajdujące się w otoczeniu (np. w powietrzu lub wodzie) zaczynają drgać i rozprzestrzeniać się w nim. Jak to się dzieje, że z instrumentu wydobywają się tony wysokie i niskie? Od czego zależy wysokość dźwiękuwysokość dźwięku? Zbadajmy to, wykonując eksperyment.
Wytwarzanie dźwięków o różnej wysokości.
Czy grubość gumki wpływa na wysokość wydobywanego dźwięku?
Grubość gumki wpływa na wysokość wydobywanego dźwięku.
małe plastikowe pudełko bez pokrywki,
2 gumki recepturki o różnej grubości.
Załóż gumki na pudełko wzdłuż niego w takiej odległości od siebie, by móc każdą z nich oddzielnie złapać palcami.
Szarpnij palcem za cieńszą gumkę. Oceń, czy dźwięk jest wysoki czy niski. Następnie szarpnij za grubszą i porównaj jej dźwięk z poprzednim.
Złap za dowolną gumkę około 1 cm od brzegu pudełka i szarpnij za dłuższy koniec. Oceń, czy dźwięk jest wyższy czy niższy niż po pierwszym szarpnięciu.
Obserwacje
Wprawienie grubszej gumki w drgania spodowodawło wydobycie się niższego dźwięku niż z cieńszej gumki. W obu przypadkach skrócenie odcinka gumki wprawianego w drgania spowdowało wydobycie się wyższych dźwięków.
Wnioski
Grubość gumki wpływa na wysokość wydobywanego dźwięku. Im krótszy odcinek gumki zostaje wprawiony w drgania, tym szybciej ona drga i tym wyższy dźwięk się z niej wydobywa. Ponadto, im grubsza jest gumka, tym niższy wydobywa się z niej dźwięk.
Im większa częstotliwość drgań, tym dźwięk jest wyższy. Jeśli przyjrzymy się grającemu gitarzyście, to zauważymy, że przyciska on struny tak, by drgały tylko ich fragmenty. W ten sposób zmienia się szybkość (częstotliwość) drgań. Im więcej drgań w ciągu sekundy, tym dźwięk jest wyższy. Przeciętne ludzkie ucho jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwości od 16 Hz do około 20 000 Hz. Dźwięki w przedziale tych częstotliwości nazywamy słyszalnymi. Dźwięki o częstotliwości niższej od 16 Hz nazywamy infadźwiękami, natomiast o częstotliwości wyższej od 20 000 Hz ultradźwiękami.
Instrumenty muzyczne wydają dźwięki o częstotliwości od 20 Hz (takie dźwięki mogą wydawać na przykład kontrabas, pianino) do 4400 Hz (fortepian, skrzypce). Jedynie niektóre organy kościelne zbudowane z tysięcy piszczałek obejmują niemal cały zakres drgań, jakie może usłyszeć człowiek.
Fale akustyczne o częstotliwości od 2 do 50 MHz, czyli ultradźwięki stosowane są m.in. w medycynie do badań ultrasonograficznych (USG). Metoda ta pozwala na nieinwazyjne obrazowanie tkanek w dużej rozdzielczości. Ultradźwięki wykorzystywane są także w defektoskopii ultradźwiękowej. Jest to jedna z najważniejszych technik badań nieniszczących, która pozwala na wykrycie niejednorodności wewnątrz badanego ciała stałego.
2. Głośność dźwięku
Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości drgań źródła. Natomiast wrażenie głośności dźwięku, czyli to, czy dźwięk jest głośny czy cichy – od amplitudyamplitudy drgań. Na przykład im mocniej szarpniemy strunę gitary, tym mocniej zadrży, czyli amplituda drgań będzie większa i dźwięk będzie głośniejszy. Wysokość dźwięku nie ulegnie przy tym zmianie, ale energia i natężenie fali będą większe.
Natężenie dźwięku a poziom natężenia dźwięku
Natężenie dźwięku to energia fali akustycznej, która jest przenoszona w ciągu 1 sekundy przez jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Parametr ten oznaczany jest symbolem , a jego jednostką jest wat na metr kwadratowy, czyli .
Gdzie:
średnia wielkość energii fali,
natężenie fali,
powierzchnia prostopadła do kierunku rozchodzenia się fali,
czas.
Oznacza to, że nawet dźwięk o niskiej energii może być odebrany przez nasze uszy jako głośny, jeżeli czas jego trwania jest bardzo krótki i przenoszony jest na małą powierzchnię.
Natomiast poziom natężenia dźwięku to logarytmiczna miara natężenia dźwięku:
Gdzie:
poziom natężenia dźwięku,
natężenie dźwięku,
natężenie dźwięku odniesienia wynoszące .
Określa on poziom głośności dźwięku wyrażany w decybelach (dB). Im bardziej oddalamy się od źródła dźwięku, tym poziom natężenia dźwięku maleje. Drgania zmniejszają się, aż w końcu zanikają.
Decybel (dB) jest jednostką podwielokrotną jednostki bel.
Szkodliwość hałasu
Jak często zdarza nam się przebywać w absolutnej ciszy? W dzisiejszych czasach jest to niemal niemożliwe. Zewsząd dobiegają do nas różnego rodzaju dźwięki. Niektóre z nich sprawiają, że czujemy się lepiej. Jesteśmy przy nich spokojni i zrelaksowani. Do takich dźwięków należą m.in. odgłosy deszczu, szum liści, kołysanie drzew czy płynący potok. Dźwięki te charakteryzują się niskim poziomem natężenia (ok. 20 dB). Uznaje się, że natężenie dźwięku do 35 dB nie jest dla nas szkodliwe, ale co może się stać jeżeli przez dłuższy czas jesteśmy wystawieni na działanie dźwięku o wyższym poziomie natężenia?
Hałas na poziomie natężenia od 35 do 70 dB zaczyna negatywnie wpływać na układ nerwowy, powoduje zmęczenie, spadek wydajności czy problemy z zasypianiem. Z takim poziomem głośności możemy spotkać się podczas normalnej rozmowy, słuchania radia czy odkurzania. Przebywanie w hałasie o natężeniu od 70 do 85 dB powoduje trwałe uszkodzenie słuchu, przewlekłe bóle głowy i podenerwowanie. Wartości powyżej 85 dB powodują dodatkowo zaburzenia funkcjonowania układu krążenia i układu nerwowego, wpływają też negatywnie na zmysł równowagi. Próg bólu dla szumów akustycznych wynosi 120 dB. Na hałas o takiej wartości poziomu natężenia dźwięku możemy być narażeni np. podczas koncertu.
Wyższy poziom głośności generuje drgania niektórych organów wewnętrznych. Może to doprowadzić do poważnych uszkodzeń słuchu. Hałas o natężeniu powyżej 150 dB, na który będziemy narażeni dłużej niż 5 minut niesie za sobą poważne konsekwencje. Doprowadza on do paraliżu organizmu, mdłości, zaburzeń równowagi, stanów lękowych, a nawet depresji i chorób psychicznych.
3. Echo
Jeśli obserwowany przez nas gitarzysta daje koncert w dużej sali, może się zdarzyć, że usłyszymy echo. Skąd się ono bierze? Otóż fale dźwiękowe mogą odbijać się od dużych powierzchni, np. ścian, stoków gór lub zwartej ściany lasu. To właśnie odbite fale dźwiękowe tworzą wrażenie słuchowe, jakim jest echo. Jednak warunkiem jego wystąpienia jest opóźnienie pomiędzy falą bezpośrednią a odbitą, które musi być większe niż 100 milisekund. Zjawisko odbijania się fal akustycznych wykorzystywane jest w tzw. echolokacji.
Czym jest echolokacja? Najłatwiej pojęcie to można wytłumaczyć zaczynając od analizy tego słowa. „Echo” to fala akustyczna odbita od jakiejś powierzchni, zaś „lokacja” to metoda określania położenia obiektu, a także wyznaczania jego kierunku i prędkości. Echolokacja jest więc systemem określania położenia obiektów za pośrednictwem nadawania fal akustycznych, które ulegają odbiciu tworząc echa poddawane następnie analizie. Urządzenia echolokacyjne stosuje się w nawigacji morskiej.
Echolokacja wykorzystywana jest także przez zwierzęta (np. nietoperze lub walenie) do komunikacji oraz nawigacji, ale również w polowaniu na zdobycze. Niektóre gatunki nietoperzy emitują falę akustyczną o częstotliwości od 25 do 210 kHz. Fala ta rozchodzi się w przestrzeni i odbija się od różnych obiektów tworząc echo, a następnie wraca do bardzo czułego ucha. Na podstawie tego po jakim czasie fala akustyczna wróciła, nietoperz ocenia odległość do obiektów.
Sonar, urządzenie służące do określania położenia obiektów pod wodą, przez wiele lat był objęty tajemnicą wojskową. Kiedy uczeni badający delfiny ogłosili, że zwierzęta te posługują się echolokacją, oskarżono ich o złamanie tajemnicy państwowej. Inżynierowie nie chcieli bowiem przyjąć do wiadomości, że zwierzęta mogą posiadać zmysł działający na zasadzie ich wynalazku.
4. Jak słyszą zwierzęta
Wszystkie instrumenty budowane są w ten sposób, by wydawały dźwięki słyszalne przez ludzi. Jednak niektóre ciała drgają z taką szybkością, że ich nie słyszymy. U ludzi słuch, chociaż pełni niezwykle ważną rolę, nie jest zmysłem najważniejszym. U wielu zwierząt jest inaczej. Na przykład u zwierząt nocnych słuch dostarcza najwięcej informacji o otoczeniu. Część zwierząt ma duże małżowiny uszne, którymi dodatkowo może poruszać. Jak sądzisz, w czym może im to pomagać?
Odkrycie znaczenia dużych małżowin usznych.
Czy przystawienie do ucha rożka pozwoli usłyszeć cichsze dźwięki?
Przystawienie do ucha rożka pozwoli usłyszeć cichsze dźwięki.
2 kartki z bloku rysunkowego,
pomoc koleżanki lub kolegi.
Zwiń kartki tak, by powstały dwa ścięte rożki.
Przyłóż rożek węższym końcem do ucha i poproś jedną osobę z klasy, by coś powiedziała z odległości około 10 metrów.
Odwróć rożek i ponownie poproś tę samą osobę, by się odezwała. Oceń, kiedy lepiej słyszysz głos.
Przyłóż ucho do klatki piersiowej osoby, z którą prowadzisz obserwację, i oceń, czy słyszysz bicie jej serca.
Przyłóż do ucha rożek węższym końcem, a szerszy koniec przystaw do klatki piersiowej wybranej wcześniej osoby. Oceń, jak teraz słychać jej serce.
Obserwacje
Po przystawieniu do ucha rożka węższym końcem osoba oddalona o około 10 metrów była słyszana głośniej i wyraźniej niż bez rożka. Po odwróceniu rożka szerszym końcem do ucha, ta sama osoba była słyszana ciszej i mniej wyraźnie niż bez rożka.
Po przyłożeniu ucha do klatki piersiowej można było usłyszeć bicie serca. Po przyłożeniu węższego końca rożka do ucha i szerszego końca rożka do klatki piersiowej bicie serca było słychać głośniej i wyraźniej.
Wnioski
Stożki przyłożone węższą końcówką do ucha, a szerszą w kierunku źródła dźwięku pozwalają głośniej i wyraźniej usłyszeć dźwięki.
Dzięki dużym i ruchomym małżowinom usznym zwierzęta słyszą cichsze dźwięki. Dlatego wiele zwierząt roślinożernych ma dobry słuch – mogą usłyszeć skradającego się drapieżnika, zanim go zobaczą, i uciec.
Czasami na filmach możemy zobaczyć zaklinaczy, którzy grą na flecie próbują oszołomić węża. W rzeczywistości zaklinacz dostosowuje melodię do ruchów zwierzęcia. Węże są bowiem zupełnie głuche. Potrafią za to doskonale wyczuwać drgania podłoża.
Podsumowanie
Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości drgań. Im więcej drgań wykonuje przedmiot, tym wyższy dźwięk się z niego wydobywa.
Głośność dźwięku zależy od amplitudy drgań ciała będącego jego źródłem.
Człowiek słyszy dźwięki o częstotliwości od 16 do 20 000 Hz.
Praca domowa
Wyjaśnij, jaki wpływ na dokładną lokalizację źródła dźwięku ma silne echo.
Słownik
różnica między największą i najmniejszą wartością, np. wychylenia struny podczas drgań; im większa amplituda drgań, tym dźwięk jest głośniejszy
cecha dźwięku zależna od częstotliwości drgań źródła, czyli od liczby drgań w jednostce czasu, ale także od materiału z jakiego został wykonany instrument oraz jego wymiarów; im większa częstotliwość drgań, tym dźwięk jest wyższy
zapis przebiegu zmian jakiejś wielkości fizycznej (np. częstotliwości) wykonany za pomocą oscylografu
Zadania
Zaznacz, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.
Prawda | Fałsz | |
Im struna jest dłuższa, tym niższe dźwięki wydaje. | □ | □ |
Im bardziej napięta struna, tym niższe dźwięki wydaje. | □ | □ |
Większa częstotliwość drgań oznacza wyższy dźwięk. | □ | □ |
Wyższa częstotliwość drgań oznacza głośniejszy dźwięk. | □ | □ |