Definicja pojęcia:

dźwięk

Dźwięk - zaburzenie falowe rozchodzące się w danym ośrodku o charakterze sprężystym (woda, metal, powietrze i in.), które skutkuje różnicą ciśnień oraz zmianami jego gęstości. Fala dźwiękowa posiada zdolność do wywołania wrażenia słuchowego. To ostatnie jest rezultatem poburzenia przez ową falę ośrodków słuchowych w mózgu (np. szum, szmer).
  1. Własności dźwięku
  2. Podział fal dźwiękowych ze względu na częstotliwość
  3. Dźwięki słyszalne

Fala dźwiękowa ma charakter podłużny - kierunek zgęszczania i rozrzedzania się cząsteczek jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali. Innymi słowy, fala rozchodzi się w tym samym kierunku, w którym cząsteczki ośrodka ulegają drganiu.

Nauka zajmująca się badaniem dźwięków to akustyka. Jest to dział fizyki, trudniący się zagadnieniami empirycznymi i teoretycznymi w zakresie zjawisk dźwiękowych, infradźwiękowych i ultradźwiękowych.

Własności dźwięku

W powietrzu fala dźwiękowa rozchodzi się z prędkością ok.340 m/s. Do podstawowych cech dźwięku, związanych z parametrami fali dźwiękowej, zaliczamy:

Wysokość dźwięku zależy od tego, ile drgań nastąpi w danej jednostce czasu. O tym decyduje długość fali dźwiękowej. Oznacza ona miarę odległości między kolejnymi obszarami, w których występuje maksymalne zagęszczenie cząsteczek ośrodka. Wyższa częstotliwość drgań występuje w przypadku fal krótkich. W takim przypadku słyszalny jest dźwięk wysoki. Fale długie powstają, gdy częstotliwość drgań jest mniejsza - powstaje dźwięk niski. Częstotliwość dźwięku mierzona jest w Hz (hercach).
Muzyka w słuchawkach może przekraczać nawet 85 dB. pixabay.com
Natężenie dźwięku jest cechą uwarunkowaną amplitudą fali dźwiękowej. Jej kształt zależny jest od maksymalnej zmiany ciśnienia danego ośrodka. Jest to cecha, która pozwala odróżnić głośniejsze i cichsze wrażenia akustyczne. Pojęcie to jest ściśle związane z właściwościami fizycznymi fali dźwiękowej, jednak wiodące jest jego znaczenie psychoakustyczne. Wówczas mamy do czynienia z głośnością dźwięku. Natężenie dźwięku może być mierzone w decybelach (dB). Jego głośność natomiast wyraża się w fonach i sonach, co jest liczbowo równe z wartością natężenia danego dźwięku w dB. Możliwie najcichszy dźwięk, który można usłyszeć ma natężenie 0 dB, zaś ten o dwukrotnie większym natężeniu (i jednocześnie 2 razy głośniejszy) będzie miał 3 dB.
 

Próg bólu jest pojęciem związanym ściśle z poziomem natężenia dźwięku. Wynosi ono dla ludzkiego ucha ok. 130 dB. Oznacza takie natężenie dźwięku, które powoduje nieodwracalne uszkodzenie narządu słuchu.

Czas trwania dźwięku jest wielkością ściśle związaną z czasem, w ciągu którego cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala dźwiękowa wykonują drgania. Gdy przestają one drgać, wówczas dźwięk przestaje być słyszalny. Kiedy dźwięk powstaje w pomieszczeniu o dużej powierzchni i ścianach, dzięki którym fala dźwiękowa może się odbijać, dochodzi do powstania zjawiska pogłosu, odbieranego przez ludzi jako przedłużenia dźwięku. W trakcie trwania pogłosu dźwięk stopniowo zanika. Gdy cichnie przyczyna jego powstania. Im więcej fal dźwiękowych odbije się od ścian pomieszczenia, tym dłuższy okres trwania zjawiska pogłosu.

Barwa (timbre) pozwala odróżnić od siebie dźwięki o tej samej wysokości i głośności. Jest to cecha, którą może zarejestrować jedynie ucho. Pozostaje ona w ścisłej zależności od składu widmowego konkretnej fali dźwiękowej oraz jej dynamiki (zmienności w zakresie narastania i zanikania dźwięku). Jakość barwy zależy od tonów podstawowych (tych o najniższych częstościach) oraz wyższych tonów harmonicznych. Te ostatnie oznaczają drgania o kilkukrotnie większych częstotliwościach i jednocześnie długościach. Im jest ich mniej, tym bardziej miękka barwa dźwięku. Jeśli jest ich bardzo dużo to dany dźwięk będzie słyszalny jako ostry, przenikliwy, nieprzyjemny. W tym przypadku zmiany ciśnienia ośrodka, w którym rozchodzi się fala dźwiękowa, są znacznie gwałtowniejsze, nagłe, w odróżnienia do spokojnych zmian w przypadku niewielkiej liczby tonów harmonicznych.
Widmo dźwięku. pixabay.com
Istotnym pojęciem jest także widmo dźwięku. Widmo akustyczne oznacza pewien zestaw tonów, posiadających określone amplitudy i częstotliwości. Zazwyczaj prezentuje się go w formie wykresu, który przedstawia  rozkład amplitud drgań harmonicznych w funkcji częstotliwości drgań. Wykresy te powstają dzięki zastosowaniu spektroskopii , bądź też w przebiegu analizy fourierowskiej.
 

Ze względu na barwę wyróżniamy dźwięki, które posiadają i nie posiadają ściśle określonej wysokości. Pierwsza grupa składa się z tonu i wielotonu podstawowego.

Ton podstawowy oznacza prosty dźwięk o przebiegu sinusoidalnym i dokładnie określonej fazie, częstotliwości i amplitudzie. Wyróżniamy tony niskie, średnie i wysokie. Tony niskie, zwane także basami, mieszczą się w zakresie częstotliwości od 20 do ok. 300Hz. Częstotliwości tonów wysokich natomiast wahają się od ok. 3000 do 20kHz. Określa się ja również jako soprany. Tony średnie występują w zakresie częstotliwości od ok. 300 do ok. 3000Hz.

Wieloton podstawowy z kolei oznacza dźwięk, na który składa się więcej tonów. Każdy z nich może posiadać dowolną częstotliwość. Wieloton harmoniczny to dźwięk złożony, na który składają się tony o określonej wysokości. Powstaje on an skutek drgań stanowiących sumę drgań sinusoidalnych o częstościach, które są wielokrotnościami częstości drgań dźwięku podstawowego (drgań podstawowych). Zbudowany jest on z tzw. alikwotów (tonów składowych).

Istnieją także tzw. wielotony nieharmoniczne, których drgania są sumą drgań zupełnie nieuporządkowanych. Należą one do grupy dźwięków nieposiadających określonej wysokości. Do tego rodzaju zjawisk dźwiękowych zalicza się także szum, czyli dźwięk o ciągłym, zrównoważonym widmie. Wyróżnia się szum biały, czyli taki, którego widmo akustyczne jest całkowicie płaskie. Jest on słyszalny jako wysoki dźwięk. Znane są także szumy barwne (np. różowy, czerwony - dźwięki z przewagą częstotliwości niskich). Są one bardziej równomierne w odbiorze dla ludzkiego ucha niż szum biały. Hałas natomiast to pojęcie oznaczające dźwięki o bardzo wysokim, nadmiernym natężeniu.
Startujący samolot wytwarza dźwięk sięgający 120 fonów. Pixabay.com

Podział fal dźwiękowych ze względu na częstotliwość

Dźwięki wykazują zazwyczaj częstotliwość w zakresie od 16 Hz do 20 kHz. Jednakże występują także fale dźwiękowe, w przebiegu których drgania akustyczne wykazują bardzo niewielką częstotliwość. Z tego też powodu nie jest możliwe, aby zostały usłyszane prze ucho ludzkie. Ten zakres drgań to tzw. infradźwięki, których częstotliwość (zależnie od źródła) zawiera się poniżej 20 lub 16 Hz. Infradźwięki mają bardzo długie fale - nawet do 17 m, dzięki czemu rozchodzą się na dalekie odległości i trudno je stłumić. Źródła infradźwięków znajdują się zarówno w środowisku naturalnym (np. bolidy, lawiny, tornada, pioruny, niektóre zwierzęta, w tym wieloryby, żyrafy), jak i wśród przedmiotów wytworzonych przez człowieka (np. ruch ciężarówek, drganie mostów, silniki rakietowe).
 

Dźwięki o częstotliwości powyżej 20 kHz należą do grupy ultradźwięków. Ich górna granica to 1GHz. Są one, podobnie jak infradźwięki, niesłyszalne dla ludzi. Pewne gatunki zwierząt są w stanie emitować i odbierać dźwięki tego typu. Należą do nich m. in. wieloryb, chomik, nietoperz, pies, wiele gatunków owadów, delfiny. Dzięki nim są w stanie lokalizować przeszkody w otoczeniu z użyciem echa akustycznego. Posiadają więc zdolność echolokacji. Ultradźwięki stosowane są także w szerokim zakresie przez człowieka w takich dziedzinach jak np. medycyna, kosmetologia, pomiar odległości z użyciem sonaru.

Istnieją również tzw. hiperdźwięki, a więc takie dźwięki, które osiągają częstotliwości ponad 100MHz, 1 GHz albo10 GHz (zależnie od źródła). Mogą się one rozchodzić tylko w kryształach. Długość fal hiperdźwięków jest podobna do długości fal świetlnych.
Nietoperz potrafiący używać infradźwięków. pixabay.com

Dźwięki słyszalne

Jest to grupa dźwięków, których częstotliwości i natężenie umożliwiają człowiekowi ich zarejestrowanie. Ucho człowieka jest w stanie odbierać dźwięki, których częstość znajduje się pomiędzy 16 a 16000 Hz (niektóre źródła podają 20 kHz) (drgań na sekundę), amplituda zmian ciśnienia oscyluje w granicach od 210-5do 20 Pa (czyli od 1/5000000000 do 1/50000 ciśnienia atmosferycznego).

Poziom natężania dźwięku można wyrażać w dB, zaś jego głośność w fonach, co jest bardziej adekwatną dla ludzkiego ucha jednostką. Z wiekiem zakres słyszalnej przez ludzi częstotliwości i głośności zawęża się. Dźwięki o wysokich częstotliwościach i niskiej głośności stają się coraz słabiej słyszalne. Zjawisko to zwane jest niedosłuchem.

Przetwarzanie dźwięków przez organizmy żywe następuje w kilku etapach. Na początku wartość ciśnienia w danej jednostce czasu musi zostać zarejestrowana. Dzięki temu może nastąpić analiza dźwięku ze względu na ton podstawowy i wyższe składowe harmoniczne, przez co ustalone zostają kolejno wysokość i barwa dźwięku. Kolejnym etapem jest rozróżnianie siły dźwięku. Proces ten używany jest przez ludzi do różnicowania dźwięków mowy ludzkiej spośród wszystkich innych.
Wizualna prezentacja dźwięku jak fali. Seven Supreme, converted from GIF to PNG by TMg [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Bibliografia

1. Szczepan Szczeniowski; “Fizyka doświadczalna. Mechanika i akustyka ”; Warszawa: PWN, 1980;
2. Farid Chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan; “Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction”; „Ultrasonics Sonochemistry”, 4, s. 813–835;
3. Antoni Śliwiński; “Ultradźwięki i ich zastosowanie, Wydanie 2”; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2000;
4. M. Garces, C. Hetzer, M. Merrifield, M. Willis i inni; “Observations of surf infrasound in Hawai’i ”; „Geophysical Research Letters”. 24, 2264 (30), 2003;
5. Casati, Dokic,; “Sounds”; Stanford Encyclopedia of Philosophy [online], CSLI, Stanford University, 5 października 2010;
6. Żurowski, Sebastian; “Wokół problemu definiowania pojęcia'dźwięk (2009).”; ;
7. Grzegorzewicz M., 1993,; “Nazwy dźwięków nieartykułowanych wytwarzanych przez człowieka”; R. Grzegorczykowa, Z. Zaron (red.), Studia semantyczne, Warszawa: UW, s. 71–85.;

Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.8
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy