Gramy na gitarze

R1GI9eycPARnb

Na zdjęciu widać gitarę basową z wyostrzeniem na struny. Struny gitary są różnej grubości. Grubość strun decyduje o wysokości wydawanych dźwięków.

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 dźwiękuwysokość dźwięku? Zbadajmy to, wykonując eksperyment.

Dźwięki wysokie i niskie

Doświadczenie 1

Wytwarzanie dźwięków o różnej wysokości.

Problem badawczy

Czy grubość gumki wpływa na wysokość wydobywanego dźwięku?

Hipoteza

Grubość gumki wpływa na wysokość wydobywanego dźwięku.

Co będzie potrzebne

• małe plastikowe pudełko bez pokrywki,

• 2 gumki recepturki o różnej grubości.

Instrukcja

1. Załóż gumki na pudełko wzdłuż niego w takiej odległości od siebie, by móc każdą z nich oddzielnie złapać palcami.

2. Szarpnij palcem za cieńszą gumkę. Oceń, czy dźwięk jest wysoki czy niski. Następnie szarpnij za grubszą i porównaj jej dźwięk z poprzednim.

3. 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.

RwXWXEBvpIXdI

Fotografia przedstawia pudełko bez pokrywki, na które założono trzy gumki recepturki. Pudełko jest okrągłe, metalowe, na jego zewnętrznej stronie widnieją zdjęcia przedstawiające igły i kolorowe nici.

Podsumowanie

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.

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.

R1BfLbhPNmtBO

Na zdjęciu widać gitarę z przybliżeniem na jej struny. Struny gitary są różnej grubości. Grubość strun decyduje o wysokości wydawanych dźwięków.

2. Głośność dźwięku

Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości drgań źródła. Natomiast wrażenie głośności dźwięku, czyli to, czy dźwięk jest głośny czy cichy – od amplitudyamplitudaamplitudy 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 $\mathrm{I}$, a jego jednostką jest wat na metr kwadratowy, czyli $\frac{\mathrm{W}}{{\mathrm{m}}^2}$.

Gdzie:

• $\stackrel{-}{\mathrm{W}}$ $\mathrm{-}$ średnia wielkość energii fali,

• $\mathrm{I}$ $\mathrm{-}$ natężenie fali,

• $\mathrm{S}$ $\mathrm{-}$ powierzchnia prostopadła do kierunku rozchodzenia się fali,

• $\mathrm{\Delta }\mathrm{t}$ $\mathrm{-}$ 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:

• $\mathrm{L}$ $\mathrm{-}$ poziom natężenia dźwięku,

• $\mathrm{I}$ $\mathrm{-}$ natężenie dźwięku,

• ${\mathrm{I}}_0$ $\mathrm{-}$ natężenie dźwięku odniesienia wynoszące ${10}^{-12}\frac{\mathrm{W}}{{\mathrm{m}}^2}$.

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.

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.

R1WH9abhpSc8Y

Animacja do lekcji zatytułowana "Echolokacja".

Animacja do lekcji zatytułowana "Echolokacja".

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1WH9abhpSc8Y

Animacja do lekcji zatytułowana "Echolokacja".

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.

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?

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.

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

Słownik

Zadania