Rozchodzenie się dźwięku

Jak szybko musi lecieć samolot, aby poruszał się szybciej niż dźwięk? Cóż, to zależy. Prędkość dźwięku nie jest stała. Dźwięk rozchodzi się we wszystkich kierunkach wokół swojego źródła. Cząsteczki zderzają się ze sobą nawzajem tworząc pasma sprężonego powietrza, za którymi pojawiają się pasma mniej sprężonego powietrza: rozprężenia.

Tempo, w którym takie fale sprężeń i rozprężeń przechodzą przez dany ośrodek zależy od tego, jak szybko cząsteczki są w stanie zderzać się ze sobą wprawjając się nawzajem w ruch. W powietrzu pomiędzy cząsteczkami jest dużo miejsca. Dlatego każda cząsteczka musi pokonać pewną odległość, żeby uderzyć sąsiednią. Powietrze zawiera wiele pustych przestrzeni pomiędzy cząsteczkami, a to spowalnia prędkość dźwięku. Natomiast w wodzie cząsteczki znajdują się bliżej siebie.

W przeciwieństwie do powietrza wody nie da się sprężyć. Dlatego fale dźwiękowe przemieszczają się cztery razy szybciej w wodzie niż w powietrzu. Stal jest jeszcze twardsza od wody. Tutaj atomy są ze sobą ściśle związane i każdy ruch jest natychmiast przekazyway do sąsiedniego atomu. Dźwięk wędruje 17 razy szybciej w stali niż w powietrzu, z prędkością ok.

sześciu tysięcy metrów na sekundę. Prędkość rozchodzenia się dźwięku jest różna dla różnych ośrodków. Może się różnić nawet w obrębie tego samego ośrodka. Dźwięk rozchodzi się szybciej w gorącym i wilgotnym powietrzu, w przeciwieństwie do powietrza zimnego i suchego. Prędkość dźwięku w suchym powietrzu w temperaturze 20 stopni Celsjusza to 340 metrów na sekundę.

Dźwięk przedstawiamy w postaci fali, takiej jak ta. Grzbiet to sprężenie, a dolina to rozprężenie. Odległość pomiędzy dwoma grzbietami lub dwiema dolinami to długość fali. Jednak fala nie stoi w miejscu. Przechodzi przez ośrodek, a liczba grzbietów przechodzących przez dany stały punkt w ciągu jednej sekundy to częstotliwość.

Posłuchaj uważnie. To jest ton niski o częstotliwości 170 herców (Hz). Każda fala ma długość dwóch metrów, od jednego do drugiego grzbietu. Dwa metry na falę. Razy 170 fal na sekundę równa się...

340 metrów na sekundę! Tu mamy dźwięk o wyższym tonie. Długość jego fali to pięć centymetrów. To 0,05 metra. Ten dźwięk rozchodzi się z prędkością 340 metrów na sekundę.

Jaka jest jego częstotliwość? A więc... 340 metrów podzielone na fale o długości 0,05 metra równa się 6800 fal na sekundę. Częstotliwość to 6800 Hz. Długość fali razy częstotliwość równa się prędkość.

Lub, jeśli wolisz... prędkość podzielona przez częstotliwość równa się długość fali. Gdy jednak dźwięk trafia na ścianę lub inny przedmiot, dużo twardszy od ośrodka, przez który przechodzi, może odbić się od niego i wrócić. Jest to echo. Odległość od góry to 680 metrów.

Aby tam dotrzeć, dźwięk potrzebuje dwóch sekund i kolejnych dwóch, żeby wrócić. Dlatego echo słyszymy z opóźnieniem czterech sekund. W pokoju podczas rozmowy dźwięk głosu odbija się od ścian. Takie echo, które jest wokół nas i występuje bez widocznego opóźnienia nazywamy pogłosem. Niewielki pogłos sprawia, że dźwięk staje się bardziej „miękki” i łatwiej jest zrozumieć, co dana osoba mówi.

Ale gdy jest go za dużo dźwięk staje się zniekształcony i mętny. Akustyka to nauka o tym, jak dźwięki odbijają się i roznoszą. Jeśli masz pracę związaną z akustyką, być może projektujesz pomieszczenie i wybierasz materiały na powierzchnię oraz obliczasz odległości i kąty pomiędzy ścianami. Inżynieria akustyczna byłaby bardzo trudna, gdybyśmy nie znali prędkości dźwięku.