4. Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu.doc

Teoria:

1. Na czym polega rozchodzenie się fali dźwiękowej? Fale podłużne i fale poprzeczne.

Dźwięk jest zjawiskiem falowym.

Bezpośrednią przyczyną jego powstawania są drgania mechaniczne ośrodka sprężystego.

Istnieją dwa zasadnicze sposoby wytwarzania fal akustycznych:

• za pomocą drgań mechanicznych, czyli ruch cząsteczek ośrodka jest wywołany

                przez znajdujący się w nim dowolny element drgający.

• za pomocą turbulencji, czyli drgania ośrodka spowodowane są zaburzeniami

                 przepływającego strumienia gazu lub cieczy, tworzeniem się wirów.
 

W pierwszym przypadku ruch cząsteczek ośrodka jest wywołany przez znajdujący się w nim dowolny element drgający. W drugim przypadku - drgania ośrodka spowodowane są zaburzeniami przepływającego strumienia gazu lub cieczy, tworzeniem się wirów. Rozchodzenie się fali dźwiękowej polega na powstawaniu zaburzenia w ośrodku, w postaci postępujących chwilowych zagęszczeń i rozrzedzeń elementarnych cząsteczek ośrodka, powodujących powstanie chwilowych zmian ciśnienia akustycznego p.

Przykładowe sposoby rozchodzenia się fali dźwiękowej w ośrodku sprężystym:

Rozpatrując drgania cząsteczek ośrodka, w którym rozchodzi się fala przestrzenna, można wyróżnić wśród nich cząsteczki, których drgania są zgodne w fazie i które ponadto są w danej chwili jednakowo odległe od źródła. Wyznaczają one czoło fali. Dla fal, które rozchodzą się z punktowego źródła dźwięku jednakowo we wszystkich kierunkach, czoła fal leżą na powierzchniach kul współśrodkowych. Fale takie nazywa się kulistymi.

Wszystkie źródła dźwięku, występujące w praktyce, są bardziej lub mniej kierunkowe. Ponieważ w dostatecznie dużej odległości od źródła krzywizna jest mała, wycinek powierzchni kulistej można traktować jako płaszczyznę i czoło fali kulistej stanowi wtedy płaszczyznę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali; dla uproszczenia traktuje się wówczas falę kulistą jako falę płaską.

Fala płaska jest falą przestrzenną, której wszystkie charakterystyczne wielkości w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali mają w danej chwili tę samą wartość.

Jednak fale można również podzielić ze względu na kierunek drgań cząstek ośrodka względem kierunku propagacji fali. I tak można wyróżnić:

• fale podłużne - cząstki drgają wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali (przykład stanowić mogą fale dźwiękowe w powietrzu)
• fale poprzeczne - cząstki drgają w kierunku poprzecznym do kierunku rozchodzenia się fali

2. Parametry określające falę dźwiękową.

Moc akustyczna

Każde ciało, znajdujące się w ośrodku sprężystym,    przenoszącym fale dźwiękowe i drgające z częstotliwością mieszczącą się w paśmie częstotliwości słyszalnych, jest źródłem energii akustycznej słyszalnej.

Ilość energii, jaką wysyła źródło dźwięku w jednostce czasu, nazywa się mocą akustyczną. Moc akustyczną określa się w watach (W) lub mikrowatach (mW). Moce akustyczne spotykanych zazwyczaj źródeł dźwięku wykazują ogromną rozpiętość.

Moc akustyczną można obliczyć orientacyjnie z wyrażenia:

                                                            gdzie: N - moc akustyczna w watach, W,
                                  p - ciśnienie akustyczne, N/m2,
                        Z - oporność akustyczna ośrodka, N*s/m3,
                                                            S - pole powierzchni źródła dźwięku, m2.

Ze względu na przytoczoną dużą rozpiętość mocy, posługiwanie się mocami wyrażonymi w skali liniowej byłoby w praktyce bardzo niewygodne. Dlatego wprowadzono stosunek mocy akustycznej źródła do mocy akustycznej odniesienia, zwany poziomem mocy i wyrażony w decybelach, dB, który można

             określić z wyrażenia:

gdzie: N - moc akustyczna źródła, W,
          N0 - moc akustyczna odniesienia równa 10-12 W.

Natężenie dźwięku

Moc akustyczna energii przypadająca na jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej nazywa się natężeniem dźwięku I i oblicza się z wyrażenia:

                                                         gdzie: N - moc akustyczna, W,
                                                                                 S - pole powierzchni, m2.

Natężenie dźwięku dla fali płaskiej można również określić z wyrażenia:

                                                                                                             gdzie: p - ciśnienie akustyczne, N/m2,
                                                                          Z0 = r0 c - oporność akustyczna właściwa powietrza, N*s/m3.

Poziom natężenia dźwięku obliczamy ze wzoru:

                                                                                                    gdzie: LI - poziom natężenia dźwięku, dB,
                                                               I - natężenie dźwięku, W/m2,
                                                                I0 - natężenie dźwięku odniesienia odpowiadające najmniejszemu    natężeniu słyszalnemu dla częstotliwości równej 1000 Hz (I0 = 10-12 W/m2).

W praktyce mierzy się nie natężenie dźwięku, lecz ciśnienie akustyczne i dlatego używa się miary względnej zwanej poziomem ciśnienia akustycznego Lp, przy czym:

                                                                                                   gdzie: Lp - poziom ciśnienia akustycznego, dB,
                                                       p - ciśnienie akustyczne, N/m2,
                               p0 - ciśnienie akustyczne odniesienia, występujące przy natężeniu I0, równe 2*10-5 N/m2.

Poziom dźwięku

Obiektywnym przybliżeniem poziomu głośności jest poziom dźwięku, określany za pomocą pomiaru miernikiem poziomu dźwięku. Poziom dźwięku jest to korygowany (ważony) poziom ciśnienia akustyc...