Fale dźwiękowe

1. Fale dźwiękowe

2. Co to są fale dźwiękowe? • Fale dźwiękowe to rodzaj falciśnienia. Ośrodki w których mogą się poruszać, to ośrodki sprężyste (ciało stałe, ciecz, gaz). Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki ośrodka (zgęszczenia i rozrzedzenia) bez zmiany ich średniego położenia. Drgania mają kierunek oscylacji zgodny z kierunkiem ruchu fali (fala podłużna).

3. Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić cztery rodzaje tych fal: • infradźwięki - poniżej 20 Hz, • dźwięki słyszalne 20 Hz - 20 kHz - słyszy je większość ludzi, • ultradźwięki - powyżej 20 kHz, • hiperdźwięki - powyżej 10^10 Hz.

4. SKALA DECYBELOWA • 0- szept ledwie słyszalny- próg słyszalności10- szelest liści20- szept 40- normalna rozmowa50- 60 głosy zwierząt 60- 70 głośna rozmowa70- froterka elektryczna 80- rozpędzony pociąg 90- ruch uliczny o dużym natężeniu 100- młot pneumatyczny110- wielka orkiestra symfoniczna, grająca fortissimo120- grzmot nad głową, koncert muzyki rockowej130- startujący odrzutowiec140- start samolotu ponaddźwiękowego- próg bólu180- startująca rakieta

5. Docieranie fal dzwiękowych • Po dotarciu do ucha fala ciśnieniowa powoduje drgania elementów narządu słuchu odbierane jako wrażenie dźwiękowe. Jednak dzieje się tak tylko wtedy, gdy częstotliwość fali jest wyższa od około 16Hz i niższa od około 20000Hz. Tylko takie fale są interpretowane przez ludzki narząd słuchu jako dźwięki, czyli jedynie takie człowiek może usłyszeć. Dlatego fale mechaniczne o tych częstotliwościach wyodrębnia się jako oddzielną grupę zwaną falami dźwiękowymi lub w skrócie- dźwiękami. Graniczne częstotliwości są w pewnym stopniu uwarunkowane indywidualnymi cechami człowieka, takimi jak wiek czy muzykalność. Z punktu widzenia fizyki fale ciśnieniowe o częstotliwości mniejszej niż około 16Hz i większej niż około 20000Hz nie różnią się niczym od dźwięków.

6. Kilka pojęć związanych z falami dzwiękowymi • Amplituda - największe wychylenie ciała z położenia równowagi. • Ruch drgający - ruch polegający na okresowych zmianach położenia układu (lub ciała) . • Częstotliwość - liczba okresów (drgań) w jednostce czasu. • Częstotliwość drgań własnych (częstotliwość swobodna) - częstotliwość, z jaką drga dane ciało raz wprawione w ruch i pozostawione samo sobie.

7. c.d. • Herc (1 Hz) - jednostka częstotliwości.Fala podłużna - fala, w której drgania odbywają się w kierunku równoległym do kierunku jej rozprzestrzeniania się. • Fala poprzeczna - fala, w której drgania odbywają się w kierunku prostopadłym do kierunku jej rozprzestrzeniania się. • Długość fali - droga, jaką pokonuje fala w czasie, gdy cząsteczka drgająca wykonuje jedno pełne drganie.Rezonans mechaniczny - zjawisko pobudzenia do drgań ciała o określonej częstotliwości własnej przez inne ciało drgające z taką samą częstotliwością.

8. Przestroga • Wokół nas jest niestety coraz więcej hałasu, a nie wszyscy wiedzą, że może on szkodzić naszemu zdrowiu. Dlatego musisz bronić się przed hałasem i walczyć z nim. · Nie słuchaj za głośno radia czy programu telewizyjnego. Może inni nie mają ochoty go słuchać.· Staraj się cicho zamykać drzwi.· Kiedy bawisz się, pomyśl, czy nie przeszkadzasz innym. · Mów cicho, nie krzycz. · Unikaj hałaśliwych miejsc. · Nie siedź blisko odbiorników radiowych i telewizyjnych. · Jeśli słuchasz walkmana, to słuchaj go niezbyt głośno.

9. Ciekawostki Przesuwając palcem po klawiaturze fortepianu, słyszymy całą gamę dźwięków o różnej wysokości. Dźwięki niskie (grube) powstają przy niewielkiej liczbie drgań powietrza w jednostce czasu, dźwięki wysokie (cienkie) przy dużej liczbie tych drgań. Najniższym dźwiękiem słyszalnym dla przeciętnego człowieka jest 16Hz, a najwyższym 20000Hz. Dolna granica zmienia się z wiekiem nieznacznie, natomiast górna obniża się systematycznie od wieku dojrzałości. Ponieważ jednak skala muzyczna mieści się w granicach od 16 do około 4000Hz, obniżenie się górnej granicy słyszalności nie wpływa na odbiór wrażeń muzycznych i funkcjonowanie w życiu codziennym.

10. Fale elektromagnetyczne

12. Co to jest fala elektromagnetyczna? • Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej w której składowa elektryczna i magnetyczna prostopadłe do siebie i kierunku ruchu, nawzajem się przekształcają. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, a zmieniajace się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.

13. Własności promieniowania • Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się objawia swe własności falowe zachowujac się jak każda fala, ulegając interferencji, dyfrakcji, spełniając prawo odbicia i załamania. • Rozchodzenie się fali w ośrodkach silnie zależy od ośrodków oraz częstotliwości fali. Fala rozchodząc się w ośrodku pobudza do drgań cząsteczki, atomy i elektrony zawarte w ośrodku, które są źródłami fal wtórnych, zmieniając w stosunku do próżni warunki rozchodzenia się fali. • Powstawanie i pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego wiąże się ze zmianą ruchu ładunku elektrycznego. • Własności promieniowania elektromagnetycznego silnie zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego ze względu na jego częstotliwość.

14. Widmo fal elektromagnetycznych • Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X), promieniowanie gamma. Kwantem fali elektromagnetycznej jest foton. • Na diagramie literom odpowiadają rodzaje fale: • A - fale radiowe bardzo długie • B - fale radiowe • C - mikrofale • D - podczerwień • E - światło widzialne • F - ultrafiolet • G - promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X) • H - promieniowanie gamma • I - widmo światła widzialnego

15. Widmo fal elektromagnetycznych

16. Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego

17. Fale radiowe • Fale radiowe (promieniowanie radiowe) - promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz - 3 THz (3*103 - 3*1012 Hz). Zakres częstotliwości często jest podawany znacznie szerszy. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe. • Żródłami naturalnymi są wyładowania atmosferyczne, gwiazdy, a sztucznymi nadajniki, silniki komutatorowe, komputery.

19. Mikrofale • Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami radiowymi, co oznacza zakres 1mm-30cm (częstotliwość 1-300 GHz). Mikrofale odkrył James Clerk Maxwell w 1864 roku. • Zastosowania: • kuchenka mikrofalowa używa magnetronu do wytwarzania fal o częstotliwości ok 2,4 GHz, co pozwala na gotowanie jedzenia; taki rodzaj promieniowania działa na cząsteczki wody, które zaczynają drgać wytwarzając przez to ciepło. • maser to urządzenie podobne do lasera, tyle że działa w zakresie mikrofalowym • mikrofale pozwalają na transmisję danych do satelitów, bo nie są pochłaniane przez atmosferę • radar • telefony komórkowe standardu GSM pracują w częstotliwościach 870-960 MHz oraz 1710-1880 MHz • system globalnego pozycjonowania (GPS) wykorzystuje fale o częstotliwości 1575 MHz • bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN) albo bluetooth użwaja mikrofal w zakresie 2,4 GHz • transmisja danych w telewizji kablowej albo poprzezinternetowe modemy kablowe (DSL) odbywa się w tym samym zakresie, tyle że medium jest kabel, a nie powietrze • Większość zastosowań opiera się na zakresie fal od 1 do 40 GHz.

21. Podczerwień • Podczerwień (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Oznacza to zakres od 700nm do 1 mm. • Podczerwień często dzieli się na bliską (NIR, 0,7-5µm), średnią (MIR 5-30µm) oraz daleką (FIR 30 - 1000 µm), ale są to tylko umowne granice. Podczerwień często wiąże się z ciepłem, co wynika z faktu, że obiekty w temperaturze pokojowej samoistnie emitują promieniowanie o takiej długości. • Zastosowania:Są dwa sposoby wykorzystania podczerwieni. Można zbudować bierny detektor, który odbiera to promieniowanie i na jego podstawie zbiera informacje o temperaturze emitujących je przedmiotów. Zasada ta umożliwia zbudowanie noktowizora, który pozwala widzieć w ciemności obiekty cieplejsze od otoczenia. Inne zastosowanie to pirometr służący do zdalnego pomiaru temperatury.Druga metoda wykorzystania podczerwieni polega na sztucznej emisji tego promieniowania i obserwacji zwróconego z detektora sygnału. Najpopularniejszym źródłem podczerwieni jest fotodiodaLED, ale czasami wykorzystuje się też półprzewodnikowe lasery podczerwone. Oto kilka przykładów zastosowania: • odczyt płyt CD laserem o długościach 650 - 790nm, • pomiar odległości - dalmierz podczerwony w zakresie 0,25 -1,5 m • przekaz danych w światłowodzie - prędkości powyżej 1 Gb/s • przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilotakomunikacja w standardzie IrDA

23. Światło widzialne • Światłem widzialnym nazywamy tę część promieniowania elektromagnetycznego, która jest odbierana przez siatkówkę oka ludzkiego. Zawiera się ona w przybliżeniu w zakresie długości fal 380-780 nm. • Światło widzialne wraz z sąsiednimi zakresami, czyli ultrafioletem (o długościach mniejszych od światła widzialnego), oraz podczerwienią (o długościach większych) zalicza się z fizycznego punktu widzenia do światła.

25. Ultrafiolet • Ultrafiolet (UV) to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie X. Oznacza to zakres długości od 10 nm do 380 nm. Słowo "ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym. • Zakresy promieniowania ultrafioletowegoWyróżnia się dwa schematy podziału promieniowania ultrafioletowego na zakresy: • techniczny • daleki ultrafiolet - długość 10-200 nm • bliski ultrafiolet - długość 200-380 nm • ze względu na działanie na człowieka • UV-C - długość 10-280nm • UV-B - długość 280-315nm • UV-A - długość 315-380nm

27. Promieniowanie X • Promieniowanie X to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 5 pm do 10 nm. Promieniowanie X znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. • Zakresy promieniowania X: • twarde promieniowanie X - długość od 5 pm do 100 pm • miękkie promieniowanie X - długość od 0,1 nm do 10 nm • Źródła promieniowaniaPromieniowanie X jest wytwarzane przez rozpędzone elektrony, które uderzają w elektrody w lampie rentgenowskiej. • Promieniowanie i medycynaPromieniowanie X jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają na diagnostykę złamań kości. Naświetlanie promieniami X zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania X może powodować oparzenia i chorobę popromienną.

29. Promieniowanie gamma • Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego o długości fali poniżej 10 pm. Fale elektromagnetyczne większej długości fali to promieniowania X. Zgodnie z teorią fotonową można obliczyć, że foton promieniowania gamma ma energię większą niż 100 keV. Promieniowanie gamma jest zaliczane do promieniowania jonizującego razem z promieniowaniem alfa oraz promieniowaniem beta. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ. Rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach a nie na długości fali. • Źródła promieniowania gamma: • Reakcja rozpadu - jądra atomowe izotopów promieniotwórczych ulegają rozpadowi, co powoduje emisję fotonu gamma. • Reakcja syntezy - dwa jądra atomowe zderzają się tworząc nowe jądro i emitując foton gamma. • Anihilacja - zderzenie cząstki i antycząstki, np elektronu i pozytronu powoduje anihilację obu tych cząstek i emisję dwóch fotonów gamma. • Zastosowania:Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji wyposażenia medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii do leczenia raka.

31. Wykorzystane źródła • www.wikipedia.pl • http://www.sciaga.pl • http://www.mojaenergia.pl • http://notatki.studenckie.com • http://www.fizyka.net.pl

32. Opracowała: Paulina Bochnak