Jakie dźwięki słyszysz? - Centrum Nauki Kopernik

Eksperymentuj!
Jakie dźwięki słyszysz?
Co łączy syrenę alarmową z dźwiękiem, który
słychać po podniesieniu słuchawki telefonicznej? Częstotliwości obu tych dźwięków są tak
dobrane, aby trafiały w przedział największej
wrażliwości słuchu człowieka, i wynoszą blisko
1000 Hz. Ale czym tak naprawdę jest dźwięk?
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
Trochę teorii
C
zym jest dźwięk? W jaki sposób
pracuje głośnik? Czy wszyscy słyszymy tak samo? Aby odpowiedzieć
na te pytania, musimy zrozumieć fizyczną naturę dźwięku. Dźwięk to
rozrzedzenia i zagęszczenia powietrza.
Rozchodzą się one z pewną prędkością
w każdym możliwym kierunku. Gdy
słuchamy muzyki, membrana głośnika delikatnie wibruje, a jej ruchy naprzemiennie zagęszczają i rozrzedzają
powietrze (rysunek poniżej).
wyraźniej zaobserwować w czasie
koncertu zespołu muzycznego. Ale
uważaj, bo zbyt głośny dźwięk jest
bardzo niebezpieczny – może spowodować ból w uszach przy 110-120 dB, a nawet bezpowrotną utratę
słuchu przy natężeniu 150 dB!
Człowiek słyszy, to znaczy rejestruje
i przetwarza fale dźwiękowe. Narządem zmysłu rejestrującym dźwięki
jest ucho. Tak jak głośnik wyposażone
jest ono w membranę zwaną błoną bębenkową, która odkształca się
pod wpływem nacierającej na nią fali
dźwiękowej.
Za błoną bębenkową znajdują się
delikatne kosteczki słuchowe: młoteczek, kowadełko i strzemiączko.
Przenoszą one drgania na membranę
obszarów w korze skroniowej mózgu,
odpowiedzialnych za analizę sygnałów
dźwiękowych.
Czy każdy z nas słyszy to samo? Ludzie słyszą dźwięki o częstotliwości
w zakresie od 16 Hz do 20 000 Hz.
Dźwięki, których częstotliwość jest
mniejsza od 20 Hz, nazywamy infradźwiękami, zaś te powyżej 20 000 Hz –
ultradźwiękami. Nasze uszy są najbardziej wrażliwe na dźwięki o częstotliwości 2000-5000 Hz. Nieprzypadkowo
jest to częstość drgań strun głosowych.
To właśnie dlatego wiele sygnałów, np.
syreny alarmowe i dźwięk, który słychać po podniesieniu słuchawki telefonicznej, są tak dobrane, by trafiały
w przedział największej wrażliwości
słuchu człowieka.
Budowa ucha ludzkiego
małżowina uszna
błona bębenkowa
U góry: cząsteczki powietrza w stanie
równowagi
Na dole: cząsteczki powietrza zagęszczane i rozrzedzane wibracjami
membrany
kosteczki słuchowe
okienko owalne
ślimak
Wibrująca membrana głośnika wyrzuca w przestrzeń przemieszczającą
się falę zaburzeń gęstości powietrza,
czyli tak zwaną falę dźwiękową. Jeżeli
membrana wibruje szybko, zmiany
gęstości powietrza następują z dużą
częstotliwością. Ludzkie ucho odbiera je jako tony wysokie. Natomiast,
jeżeli membrana odkształca się powoli, zmiany gęstości powietrza są
rzadsze. Fala dźwiękowa jest w tym
przypadku odbierana jako tony niskie.
Częstotliwość wyrażamy w hercach
(Hz), a liczba herców to liczba drgań
na sekundę. Na przykład 100 Hz oznacza, że w ciągu 1 sekundy powietrze
zmienia swoją gęstość 100 razy.
Głośność dźwięku, mierzona w decybelach (dB), zależy od siły, z jaką zagęszczane i rozrzedzane jest powietrze
w fali dźwiękowej. Dźwięk jest tym głośniejszy, im mocniej jest ono ściskane.
Obserwując głośnik, można zauważyć,
że im mocniej podkręci się regulator,
tym mocniej wychylają się membrany
głośnika. Zjawisko to można jeszcze
przewód
słuchowy
zewnętrzny
ucho zewnętrzne
ucho środkowe
zwaną okienkiem owalnym. Za okienkiem położony jest organ przypominający kształtem muszlę, dlatego nazywany jest ślimakiem. Ta część ucha
wewnętrznego wypełniona jest gęstą
cieczą, endolimfą. Wprawiana jest ona
w ruch poprzez drgania błony okienka
owalnego. Falowanie endolimfy drażni
komórki receptorowe znajdujące się na
ścianach ślimaka. Proces ten wyzwala
impulsy elektryczne (na drodze biochemicznej), które przekazywane są za
pośrednictwem nerwu słuchowego do
ucho wewnętrzne
Z wiekiem nasz słuch traci wrażliwość na wysokie dźwięki – zakres powyżej 15 000 Hz jest słyszalny jedynie
przez dzieci. Korzystając z eksponatu pokazanego na wystawie, można
porównać, jaki jest zakres dźwięków
słyszanych przez osoby w różnym
wieku.
A jak słyszy największy przyjaciel
człowieka – pies? No cóż, zdecydowanie lepiej od nas. Częstotliwości
słyszane przez to zwierzę mieszczą się
w zakresie od 12 do 40 000 Hz.
Fot. Wikipedia, archiwum; rys. Małgorzata Świentczak 2x
Eksperymentuj!
nerw słuchowy
O historii
Spekulacje na temat falowego charakteru dźwięku wyrosły z obserwacji fal na
wodzie. Jeśli do wody wrzucimy kamień,
to na jej powierzchni powstaną fale,
które będą się rozchodzić we wszystkich
kierunkach. Fale mogą się odbijać od
przeszkód i uginać na ich krawędziach,
a także nakładać się na siebie. Podobnie jest z dźwiękiem. Analogię między
dźwiękiem i falą rozchodzącą się po
wodzie sugerował już grecki filozof
Chrysippus w 240 roku p.n.e.
Akustyką zajmowali się także pitagorejczycy (V-IV w. p.n.e.). Utrzymywali, że przyczyną dźwięku jest ruch.
Odkryli także, że muzyką rządzą matematyczne prawidłowości, co doskonale zgadzało się z głoszonym przez
nich mottem mówiącym, że „Liczba
jest istotą wszechrzeczy”.
Matematyczny opis dźwięku jako fali zaburzeń gęstości powietrza
znalazł się dopiero w przełomowym
dziele Isaaca Newtona „Philosophiae
Naturalis Principia Mathematica”
(„Zasady matematyczne filozofii naturalnej”) z 1687 roku. W tej samej
pracy autor sformułował także trzy
zasady dynamiki.
Eksperymentuj!
Współczesne zastosowania
B
ardzo wysokie dźwięki, czyli ultradźwięki, wykorzystywane są
w medycynie. Ultrasonograf (USG)
służący do obrazowania wnętrza naszego organizmu wysyła falę dźwiękową w głąb ciała i nasłuchuje odbitego
echa. Emitowane przez głowicę USG
ultradźwięki odbijane są przez tkanki
w różny sposób, który zależy głównie
od ich gęstości. Głowica rejestruje odbity sygnał i przekazuje go do komputera. W najnowocześniejszym badaniu
USG uzyskujemy trójwymiarowy obraz.
Dzięki niemu rodzice mogą zobaczyć
twarz dziecka przed narodzinami (zdjęcie obok).
Dźwiękiem można także sprzątać.
Właściwość tę wykorzystują najnowsze aparaty cyfrowe. Jeżeli na matrycy
rejestrującej obraz osiądą pyłki kurzu,
będą one widoczne na każdym zdjęciu jako ciemne plamki. Matryca jest
bardzo delikatna i w żaden tradycyjny
Najnowsze aparaty USG pozwalają na uzyskanie trójwymiarowego obrazu wnętrza ciała
sposób nie można jej wyczyścić. Na
szczęście z pomocą przychodzą ultradźwięki. Za każdym razem, gdy użytkownik włącza aparat, ultradźwięki
wprowadzają pyłki kurzu w drgania.
W ten sposób zanieczyszczenia są
dosłownie zmiatane z powierzchni
matrycy.
A to ciekawe
C
takie duże. Zakres słyszanych przez
te zwierzęta dźwięków jest o wiele
większy niż przez człowieka czy psa
i w przypadku nietoperzy wynosi od
8 do 100 000 Hz!
Fala dźwiękowa może rozchodzić się
nie tylko w powietrzu, ale w każdym
innym gazie, cieczy (jeśli zanurzysz
głowę w wodzie, wciąż słyszysz dźwięki), a nawet w ciele stałym. Im gęstsza
substancja, tym większa prędkość
przemieszczania się fali dźwiękowej.
A jak to jest w przypadku przestrzeni
kosmicznej? Głucho. Nie ma niczego,
co może ulegać kondensacji i rozprężaniu, bo w kosmosie jest przecież
niemal idealna próżnia. Pokazywane
w filmach science fiction huczne eksplozje statków kosmicznych są więc
jedynie wymysłem filmowców.
Eksperymentuj!
zy USG może latać? Tak! Takim
skrzydlatym ultrasonografem jest
nietoperz. Podobnie jak głowica USG
wysyła on przed siebie falę ultradźwiękową i odbiera odbite echo.
Ten sposób nawigacji w ciemności
pozwala mu na uniknięcie przeszkód,
a także na upolowanie pożywienia. Nie
jest więc przesadą stwierdzenie, że nietoperz widzi uszami! Dlatego są one
Podstawowym zmysłem umożliwiającym nietoperzom orientację w przestrzeni jest słuch. Dlatego właśnie typowy przedstawiciel tego rzędu ma wydatne uszy. Na zdjęciu nocek duży
Fot. Piotr Kossobudzki, East News
Więcej doświadczeń
W internecie
1. Czy dźwięk można zobaczyć? Wykonaj następujące doświadczenie: ustaw
zapaloną świeczkę w pobliżu dużego głośnika. Włącz dźwięk i obserwuj,
co się dzieje z płomieniem. Spróbuj zmienić natężenie dźwięku.
Wszystko o fizyce fali dźwiękowej
www.daktik.rubikon.pl/Slowniczek/
akustyka.htm
2. Jeżeli masz psa, kup gwizdek ultradźwiękowy (można go nabyć w sklepie
zoologicznym). Dmuchając w taki gwizdek, usłyszysz jedynie cichy pisk, tymczasem twój czworonożny przyjaciel usłyszy bardzo wyraźny i mocny gwizd.
Kampania społeczna Usłyszeć Świat
www.slyszymy.pl
3. Pająki nie mają uszu, ale reagują na dźwięk. Ich ciało pokryte jest bowiem
drobnymi włoskami, które są wrażliwe na drgania powietrza. Także pajęczyna
wibruje na skutek fali dźwiękowej. Klaśnij głośno w pobliżu pająka i zaobserwuj jego reakcję.
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
Ogólnopolskie Towarzystwo
Ochrony Nietoperzy
www.nietoperze.pl
Czy można zobaczyć dźwięk?
www.physics.ucla.edu/demoweb/
demomanual/acoustics/effects_of_
_sound/chladni_plate.html
www.kopernik.org.pl