Czym właściwie jest dźwięk?

Decydując się na podjęcie tematu dźwięku na łamach czasopisma, wiedziałem, że nie będzie to łatwa sprawa. Wyjaśnienie tak wielu zależności składających się na zjawisko nazywane dźwiękiem wymaga zastosowania analogii i przykładów ułatwiających czytelnikowi wyobrażenie sobie, co się tam właściwie dzieje. Chcąc w pełni zrozumieć naturę dźwięku, trzeba poskładać bardzo wiele czynników, z których większość opisana jest matematycznie na średnio i mocno skomplikowanym poziomie. Dźwięk jako fala w ośrodku podlega prawom fizyki z zakresu mechaniki klasycznej i po części termodynamiki.Sporządzony rysunek wyjaśniający zachowanie tej samej ilości cząsteczek przed i po przemieszczeniu się wywołanym przez rozchodzącą się falę.  Obszar ekspansji jest większy od obszaru kompresji więc fala może poruszać się w określonym kierunku ale ze spadkiem amplitudy. Aby intuicyjnie rozpocząć artykuł, zapytam: jakie warunki muszą zajść, aby doszło do powstania fali dźwiękowej? Najważniejszy jest ośrodek, czyli gaz, ciecz lub ciało stałe. W rozpatrywanym przez nas wypadku ośrodkiem będzie mieszanina gazów (72% azotu i prawie 21% tlenu) zwana powietrzem. Dodajmy, że bez ośrodka nie ma możliwości rozchodzenia się dźwięku i że poza szczególnymi przypadkami – im ośrodek jest gęstszy, tym dźwięk rozchodzi się szybciej.Kolejnym czynnikiem niezbędnym do powstania dźwięku jest ruch obiektu w ośrodku wywołujący dźwięk. Należy również sprecyzować samo pojęcie ruchu, ponieważ powolne poruszanie się obiektu zachodzi bezgłośnie, powietrze opływa go, nie powodując powstania fal zgęszczeń i rozrzedzeń ośrodka. Szybki ruch powoduje sprężanie i naciskanie na dalsze (patrząc od źródła) warstwy ośrodka, tworząc fale zgęszczeń i rozrzedzeń. I tu rodzą się pytania: co to za fale i jak to jest, że rozchodzą się one dalej i dalej zamiast w wyniku zasypania się obszarów rzadszych przez gęstsze nie dochodzi do wygaszenia?Żeby wyjaśnić zagadkę, musimy przyjąć, że mamy do czynienia z falami podłużnymi (cząsteczki przemieszczają się wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali) i że ich długość nie wpływa na prędkość rozchodzenia. Dowodem na drugie założenie jest fakt, że gdy słuchamy instrumentu grającego w pewnej odległości, odbieramy dźwięki w tej samej kolejności, w jakiej muzyk je gra. Gdyby prędkość fali zależała od częstotliwości, wrażenie słuchowe stałoby się nienaturalne – na przykład dźwięki wyższe przychodziłyby szybciej od niższych, więc płynne przejście stałoby się urywanym hałasem. Omówienie drugiego założenia wymaga zagłębienia się w fizykę i wyjaśnienia kolejnego pojęcia.  tekstJerzy Kubiak