Wykład 26

1. Wykład 26 11.8 Ugięcie fal 11.9 Prędkość grupowa 11.10 Analiza Fourierowska zdarzeń periodycznych 11.11 Fale dźwiękowe 11.11.1 Źródła dźwięku 11.11.2 Percepcja dźwięku Reinhard Kulessa

2. 11.8 Ugięcie fal Bardzo często stwierdzamy, że jeśli fala trafia na swojej drodze na jakąś przeszkodę, to zauważamy zmianę kierunku ruchu fali za ta przeszkodą. Przykładem mogą być fale rozchodzące się w kierunku falochronu z przerwą w pewnym miejscu. Przy końcach falochronu widzimy wyraźną zmianę kierunku ruchu fali. Zjawisko to nazywamy ugięciem fali. Zjawisko to możemy wyjaśnić zasadą Huygensa. Mówi ona, że Każdy punkt do którego dotarła fala staje się źródłem nowej elementarnej fali kulistej. Reinhard Kulessa

3. przeszkoda czoło fali dla czasu t czoło fali dla czasu t +t czoło fali dla czasu t +(n=3)t Obwiednia tych fal elementarnych definiuje nam falę w czasie późniejszym. Poniższy rysunek pokazuje rozprzestrzenianie się fali płaskiej. Reinhard Kulessa

4. Przy rozchodzeniu się fal istotne są zjawiska zachodzące na granicy dwóch ośrodków. Należą do nich; • Załamanie fali, • Odbicie fal Procesy te zależą od własności graniczących ośrodków, a w szczególności od prędkości rozchodzenia się fal w tych ośrodkach. Zjawiska te są szczególnie istotne dla fal elektromagnetycznych. W przypadku, gdy prędkość rozchodzenia się fal zależy od częstości fali, mamy do czynienia ze zjawiskiem dyspersji. Dyspersja w istotny sposób zmienia obraz interferencji. Reinhard Kulessa

5.  x 11.9 Prędkość grupowa Fala płaska o postaci matematycznej , rozprzestrzenia się do nieskończoności zarówno w czasie jak i przestrzeni. Rzeczywiste fale fizyczne z którymi spotykamy się na co dzień są ograniczone czasowo i przestrzennie. Dotyczy to np. fal przenoszących informacje. Fale te rozchodzą się w tzw. paczkach falowych. Rysunek obok przedstawia taką paczkę. Reinhard Kulessa

6. Pokazana paczka falowa nie da się opisać przez podane równanie. Jest ona bowiem sumą fal o różnych długościach. Podstawowe własności paczki falowej możemy prześledzić w oparciu o zjawisko dudnień, które powstaje, gdy nakładają się dwie fale o lekko różniących się częstościach i długościach fal. . Po dodaniu tych dwóch fal otrzymujemy; . (11.23) oznacza średnią częstość kołową. Reinhard Kulessa

7. oznacza średnią liczbę falową. Pozostałe wielkości oznaczają; oraz . Pierwszy czynnik w równaniu w równaniu (11.23) przedstawia biegnącą falę o częstości i liczbie falowej bardzo bliskim fali wyjściowej. Prędkość fazowa tej fali wynosi; . Drugi czynnik odpowiada za modulację amplitudy i utworzenie paczek falowych, co pokazane jest na następnym rysunku dla dwóch następujących po sobie chwil. Reinhard Kulessa

8.  x  x Maksimum paczki falowej pokazują czerwone strzałki, a zielony krążek pokazuje stan o stałej fazie. Paczka falowa w czerwonych obwiedniach opisana jest drugim członem równania (11.23). Reinhard Kulessa

9. . Stan o stałej fazie spełnia następujące równanie; . Dla miejsc o stałej fazie otrzymujemy więc; . Możemy więc już obliczyć prędkość paczki falowej, czyli prędkość grupową. . (11.24) Pamiętamy, że związek pomiędzy prędkością fazową a częstością jest następująca;  = kvfaz . Reinhard Kulessa

10. Wstawmy to wyrażenie do równania (11.24). Otrzymamy wtedy Ze względu na związek k = 2/, mamy . Otrzymujemy wtedy związek pomiędzy prędkością grupową i prędkością fazowa. . (11.25) Reinhard Kulessa

11. vfaz C vfaz() B  A vfaz 0   Prędkość grupową możemy również znaleźć w oparciu o znaną postać krzywej dyspersji. Dla punktu C dla fali o długości  prędkość fazowa wynosi vfaz (odcinek 0B). Dla punktu C zachodzi również, że tg=dvfaz/d . Widzimy , że długość odcinka AB jest równa tg. Widzimy więc w oparciu o wzór (11.25), że prędkość grupowa vgrupjest dana przez odcinek 0A. Reinhard Kulessa

12. 11.10 Analiza Fourierowska zdarzeń periodycznych Można pokazać, że każdą funkcję periodyczną czasowo lub przestrzennie można przedstawić jako sumę funkcji czysto sinusoidalnych. (11.26) . Istnieją odpowiednie przepisy matematyczne w jaki sposób znaleźć współczynniki an i bn (patrz np. Bronstein-Semendjajew, Poradnik Matematyczny). Rozpatrzmy kilka przebiegów periodycznych. Przebiegi te można przedstawić przez pokazane obok funkcje. Reinhard Kulessa

13. F(x) x F(x) x F(x) x Reinhard Kulessa

14. F(t) 1/2 t -1/2 bn 2 4 6  Rozważmy jeszcze raz ostatni rozkład periodyczny z poprzedniej strony, będący tym razem rozkładem czasowym. . Rysunek ten przedstawia udział poszczególnych częstości w funkcji F(t). Reinhard Kulessa

15. bn  Dla fizyki szczególnie ważne jest zastosowanie analizy Fourierowskiej do analizy zdarzeń nieperiodycznych. Rozkład częstości dla takich zdarzeń jest ciągły. Przykład widma częstości dla wystrzału jest pokazane na poniższym rysunku. Reinhard Kulessa

16. p1 p2 L L’ x 1 2 dx 11.11 Fale dźwiękowe Fale dźwiękowe rozprzestrzeniają się we wszystkich ośrodkach sprężystych. Rozpatrzmy więc pewną objętość cieczy lub gazu poddaną zaburzeniu podłużnemu. Gaz lub ciecz zostają ściśnięte lub rozprężone. Ruchy cząsteczek następują tylko w kierunku x. Rozprężenie można policzyć jako; . Reinhard Kulessa

17. Rozprężenie to prowadzi do zmniejszenia gęstości; . Jeśli nie wszystkie elementy objętości rozszerzają się jednakowo, gęstość nie jest stała. Przy objętościowej zmianie gęstości powstaje gradient gęstości. W oparciu o poprzedni wzór mamy; . (11.27) Zmiana gęstości prowadzi do powstania gradientu ciśnienia. Dla małych zmian gęstości możemy napisać; (11.28) . Reinhard Kulessa

18. 0 jest gęstością materiału niezaburzonego, a wielkość jest stałą materiałową odwrotnie proporcjonalną do współczynnika ściśliwościκ; . Otrzymujemy więc na gradient ciśnienia wyrażenie; . Gradient ciśnienia prowadzi do powstania siły działającej na element objętości w obrębie dx (patrz rysunek), a zgodnie z równaniem ruchu Newtona do powstania przyśpieszenia; . Reinhard Kulessa

19. Znak minus po prawej stronie równania jest związany z tym, że przyśpieszenie skierowane jest w stronę małych ciśnień. W oparciu o ostatnie dwa równania otrzymujemy na równanie fali dźwiękowej równanie; (11.29) . Równanie to ma kształt znanego różniczkowego równania fali. Ma ono np. rozwiązanie; . Prędkość fali dźwiękowej jest więc równa (11.30) . Reinhard Kulessa

20. W oparciu o równanie (11.30) można policzyć prędkość dźwięku w różnych materiałach. 1. Prędkość dźwięku w gazach W gazach możemy przyjąć, że zaburzenie jest przekazywane adiabatycznie. Do wyliczenia prędkości skorzystamy więc z przemiany adiabatycznej. . Na prędkość dźwięku w gazie uzyskujemy więc wyrażenie; Reinhard Kulessa

21. (11.31) . 2. Prędkość dźwięku w pręcie Prędkość dźwięku w materiałach sprężystych możemy podać w oparciu o wyprowadzone już w tym rozdziale wyrażenia . Należy pamiętać, że własności sprężyste ciał stałych opisywane są przez wielkości tensorowe. W cienkim pręcie prędkość dźwięku wynosi; . (11.32) W ciele stałym dźwięk może propagować również przez fale poprzeczne. Reinhard Kulessa

22. Prędkość dźwięku w niektórych materiałach Reinhard Kulessa

23. L 11.11.1 Źródła dźwięku Geometrycznie źródła dźwięku mogą mieć różną postać; płaszczyzny, prostej, lub punktu. Bardzo często źródłami dźwięku są wszelkiego rodzaju przetworniki elektroakustyczne wykorzystujące zmienne pole elektromagnetyczne do wzbudzania drgań membran będących źródłem dźwięku. Najbardziej znanymi źródłami dźwięku są struny głosowe, oraz instrumenty muzyczne. Poznaliśmy już drgania napiętej struny, na której powstają fale stojące. Mogą one być źródłami dźwięku. Reinhard Kulessa

24. Piszczałki zamknięte Piszczałki otwarte L węzły Przyrządami, w których powstają fale stojące w drgającym słupie powietrza są wszelkiego rodzaju piszczałki Zastanówmy się jakie dźwięki możemy uzyskać w piszczałkach. Reinhard Kulessa

25. Piszczałki zamknięte Piszczałki otwarte Drganie podstawowe; 1 węzeł i L = /4 Drganie podstawowe; 1 węzeł i L = /2 Pierwsze drganie harmoniczne 2 węzły i L =  Pierwsze drganie harmoniczne 2 węzły i L = 3/2 N-te drganie harmoniczne L=(n+1) /4=(n+1)2v/(4·2) n=(2n+1) v/L n=0,1,2, N-te drganie harmoniczne L=(n+1) /2=(n+1)v/(2) n=(n+1) v/L n=1,2,3, Reinhard Kulessa

26. 11.11.2 Percepcja dźwięku Dźwięki, które słyszymy możemy scharakteryzować przez trzy następujące parametry; • Wysokość dźwięku, za którą odpowiedzialna jest częstość • drgań, • Głośność dźwięku, za którą jest odpowiedzialna jest • amplituda drgań, • Barwa dźwięku, za która jest odpowiedzialna kompozycja • różnych częstości Wysokość dźwięku możemy ocenić przez porównanie go z tonem wzorcowym. Głośność dźwięku zależy od natężenia dźwięku, czyli od kwadratu amplitudy drgań. Reinhard Kulessa

27. Ucho ludzkie ze względu na swoje fizjologiczne własności nie odbiera jednakowo dźwięków o tym samym natężeniu lecz o różnej częstości. Dźwięków o częstościach niższych od 16Hz i wyższych od 20 kHz nie słyszymy w ogóle. Za wzorcową przyjmujemy głośność dźwięku o częstości 1 kHz i natężeniu I0 = 10-12 W/m2co odpowiada progowi słyszalności dla tej częstości. Głośność dźwięku o tej samej częstości i innym natężeniu I wyznaczamy w oparciu o prawo Webera-Fechnera. . (11.33)  wyraża się w decybelach [db]. Głośność dźwięku o innej częstości porównujemy z głośnością dźwięku o częstości 1kHz a wynik podajemy w fonach. Reinhard Kulessa

28. Natężenie / W·cm-2 Głośność /db Ciśnienie fali dźwiękowej / 10-1 Pa 1000 Częstość /Hz Poniższy rysunek przedstawia orientacyjny przebieg głośności w zakresie najlepszej słyszalności. Reinhard Kulessa