Jak rozchodzi się dźwięk w powietrzu?

Symulacja pokazuje, w sposób schematyczny, propagację fali dźwiękowej w dwóch wymiarach. Na widoku z góry zaznaczono zielonymi okręgami tak zwane powierzchnie falowe, czyli miejsca w przestrzeni, w których fala ma tę samą fazę. Widok z boku przedstawia natomiast przekrój przez falę. Zielone kreski odpowiadają powierzchniom falowym widocznym na widoku z góry, natomiast czerwone punkty to wartości ciśnienia w danym punkcie. Pamiętajmy, że fala dźwiękowa to właśnie podróżujące w przestrzeni zaburzenie ciśnienia, które ludzkie ucho i mózg interpretują jako dźwięki o różnej częstotliwości i głośności. Warto tu podkreślić, że natężenie fali dźwiękowej - proporcjonalne do kwadratu jej amplitudy - i głośność dźwięku nie są sobie jednoznaczne. Ludzki słuch ma nieliniową charakterystykę i dźwięki o tym samym natężeniu odbieramy jako dźwięki o różnej głośności, w zależności od ich częstotliwości.

Poniższa symulacja zawiera również pewne uproszczenie - natężenie dźwięku nie maleje na niej wraz z odległością od źródła. W rzeczywistości natężenie dźwięku jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła.

R1TJsdRwq1IcX
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Symulacja w sposób schematyczny przedstawia propagację fali dźwiękowej w powietrzu. Źródło dźwięku wytwarza falę o zadanej długości, która jest reprezentowana przez fronty falowe - współśrodkowe ze źródłem okręgi, odpowiadające miejscom w przestrzeni, w których fala ma tę samą fazę. Promień każdego z tych okręgów rośnie z prędkością równą prędkości fali, a nowy front falowy jest emitowany zawsze po upływie czasu równego okresowi fali. Odległość miedzy dwoma wyemitowanymi bezpośrednio po sobie frontami falowymi (różnica promieni odpowiadających im okręgów) jest równa długości fali.

Symulacja pozwala na zmianę temperatury powietrza, która wpływa na prędkość dźwięku. Przy temperaturze 0 ℃ prędkość dźwięku wynosi 331,5 ms, natomiast przy 50 ℃ dźwięk rozchodzi się z prędkością 360,5 ms.

Jako ciekawostkę, poniżej załączyliśmy próbki dźwięków o różnych częstotliwościach z zakresu, jaki dostępny jest w symulacji.

20 Hz

R1ARIpSi80fB0
Wysłuchaj uważnie przykładowego dźwięku o częstotliwości 20 herców.

40 Hz

RzygaaQAgNUJH
Wysłuchaj uważnie przykładowego dźwięku o częstotliwości 40 herców.

60 Hz

R1BLJzCPvhfQl
Wysłuchaj uważnie przykładowego dźwięku o częstotliwości 60 herców.

100 Hz

RYXq9fkx7FiY6
Wysłuchaj uważnie przykładowego dźwięku o częstotliwości 100 herców.

200 Hz

RLyxaL414ojyj
Wysłuchaj uważnie przykładowego dźwięku o częstotliwości 200 herców.

3 kHz

Takiej częstotliwości wprawdzie nie da się uzyskać na symulacji, ale zamieściliśmy odpowiadającą jej próbkę dla porównania, gdyż ludzki słuch jest najbardziej czuły w zakresie 2 kHz - 4 kHz.

R26Bir1QYnCnd
Wysłuchaj uważnie przykładowego dźwięku o częstotliwości 3 kiloherców.

Jeżeli nie słyszycie dwóch pierwszych próbek, to nie przejmujcie się tym. Do ich odtworzenia potrzebne są słuchawki lub głośniki o odpowiedniej charakterystyce i dobry słuch!

1
Polecenie 1

Długość fali to, kolokwialnie mówiąc, jej przestrzenny okres - czyli odległość, po jakiej fala zaczyna się powtarzać. Sprawdź na symulacji, jak długość fali wpływa na powierzchnie falowe i kształt funkcji opisującej wartość ciśnienia w danym miejscu.

uzupełnij treść
1
Polecenie 1

Jak prędkość fali powiązana jest z jej długością i częstotliwością?

uzupełnij treść
1
Polecenie 2

Sprawdź na symulacji, jak temperatura wpływa na czas, po jakim fala dociera ze źródła do ucha.

uzupełnij treść
1
Polecenie 2

Jak temperatura wpływa na czas, po jakim fala dociera ze źródła do obserwatora?

uzupełnij treść
1
Polecenie 3

Wyszukaj w Internecie informacje na temat zakresu częstotliwości dźwięku słyszalnego przez człowieka i tego, jak nazywamy dźwięki należące do różnych zakresów częstotliwości. Jak nazwalibyśmy zakres przedstawiony na symulacji (20 Hz - 200 Hz)?

uzupełnij treść
1
Polecenie 4

Czy dźwięki na wszystkich próbkach wydawały ci się tak samo głośne?

uzupełnij treść