background image

B. Oleś 

1

Jest to 

zasada superpozycji fal.

4. Superpozycja i interferencja fal

Jeśli w danym ośrodku rozchodzi się równocześnie kilka fal, to 

wypadkowy ruch cząstek ośrodka jest złożeniem ruchów, które 

wykonywałyby cząstki podczas rozchodzenia się każdej fali z osobna.  

Wynika ona z postaci równania falowego.

Jeśli każda z funkcji 

1

i

spełnia równanie falowe, to ich 

suma

1

+

2

również musi go spełniać.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

Z zasady superpozycji wynika 

możliwość rozróżniania różnych 

dźwięków, kiedy jednocześnie 

docierają do naszego ucha, 

ponieważ wypadkowa fala jest 

algebraiczną sumą fal 

pochodzących z różnych źródeł.

background image

B. Oleś 

2

Zobaczmy, jaki jest efekt złożenia dwóch fal harmonicznych 

biegnących o jednakowych okresach T, amplitudach i długościach 

wysyłanych przez dwa źródła, różniących się tylko fazą 

:

)

(

sin

)

(

sin

)

,

(

)

,

(

2

1

t

kx

A

t

kx

A

t

x

t

x

.

2

)

(

sin

2

cos

2





t

kx

A

amplituda fali 

wypadkowej

Widzimy, że amplituda fali wypadkowej zależy od fazy 

.

Wypadkowa funkcja falowa jest również harmoniczna i ma tą samą 
częstość 

i długość fali 

co fale składowe.

4.1. Superpozycja fal biegnących

Fala wytworzona w ośrodku otwartym, 

której rozchodzeniu towarzyszy transport 

energii nosi nazwę 

fali biegnącej 

(bieżącej).

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

3

Jeśli 

=2n

amplituda fali 

wypadkowej jest 

sumą

amplitud fal interferujących.

x

Jeśli 

=(2n+1)

następuje 

wygaszenie fal

.

x

x

Przypadek pośredni

W przypadku zmiennej różnicy faz interferencja nie zajdzie. 

Powstanie w przestrzeni, w wyniku nakładania się fal, obszarów drgań 
wzmocnionych i wygaszonych zależy od względnej fazy 

fal.

.

2

)

(

sin

2

cos

2





t

kx

A

Jeśli drgania wywołane przez fale w każdym z punktów ośrodka mają 

stałą różnicę faz, fale nazywamy 

spójnymi

. Ich nakładanie prowadzi do 

zjawiska interferencji

.

=0,

1,

2,…

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

4

4.2. Fale stojące

Jeśli interferują ze sobą dwie fale o tym samym 

okresie, amplitudzie lecz biegnące w przeciwne 

strony powstaje 

fala stojąca

:

.

2

cos

2

sin

2

 

t

kx

A

Fala ta posiada częstość kołową 

i amplitudę zależną od x:

 

2

sin

2

kx

A

Dla uproszczenia przyjmijmy 

=0. Wówczas amplituda

kx

Asin

2

osiąga wartość maksymalną 2w punktach spełniających warunek:

,...

2

,

1

,

0

,

4

)

1

2

(

|

|

2

/

)

1

2

(

n

n

x

n

kx

Punkty te noszą nazwę 

strzałek

.

W punktach zwanych 

węzłami

amplituda maleje do zera i cząsteczki w 

nich nie wykonują drgań:

,...

2

,

1

,

0

,

2

|

|

n

n

x

n

kx

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

),

(

sin

)

(

sin

)

,

(

)

,

(

2

1

t

kx

A

t

kx

A

t

x

t

x

W piszczałkach organowych 

powstają dźwiękowe fale stojące

background image

B. Oleś 

5

x

x

x

zły

str

za

łki

t=0

t=T/4

t=T/2

str

za

łki

str

za

łki

str

za

łki

zły

zły

zły

Odległość między sąsiednimi 

strzałkami, podobnie jak i 

sąsiednimi węzłami wynosi 

/2.

Natomiast strzałki odległe są 

od węzłów o 

/4.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

6

4.3.Fale stojące w strunie

Rozważmy strunę o długości l. Wzbudzona w niej fala stojąca 

musi mieć węzły w punktach mocowania, zatem jej długość 

musi spełniać warunek: 

,...

2

,

1

,

2

n

n

l

n

,...

2

,

1

,

/

2

n

n

l

n

l

Możliwe jest powstanie nieskończenie wielu fal harmonicznych, 

nazywamy je 

drganiami własnymi 

(

drganiami normalnymi

), a ich 

częstotliwości f

częstotliwościami drgań własnych

:

,...

2

,

1

,

2

2

n

F

l

l

n

f

n

n

n

v

v

F- naprężenie struny, 

-

gęstość liniowa

l

f

2

1

v

Najniższa częstotliwość dla n=1,

to 

częstotliwość podstawowa.

A wyższe noszą nazwę 

wyższych harmonicznych.

Zmiana f

n

poprzez zmianę 

l

lub F.

Fala stojąca może być wzbudzona w napiętej strunie (np. 

skrzypiec) sztywno umocowanej na obu końcach, gdy 

nakładają się fale padająca i odbita.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 

2009/10

background image

B. Oleś 

7

Jeśli struna zostanie pobudzona do drgań 

przez bodziec zewnętrzny z częstością 

równą lub niewiele się różniącą od częstości 

drgań własnych zajdzie 

zjawisko rezonansu

Zazwyczaj przez szarpanie struny wzbudza się drganie, w którym 

występuje 

drganie podstawowe 

wyższe harmoniczne

.

Swobodne i wymuszone drgania struny są 

superpozycją wielu drgań normalnych.

W przypadku omawianego zjawiska rezonansu dla układu sprężyna -

ciężarek występowała 

tylko jedna częstość rezonansowa

, bo 

bezwładność posiadał tylko jeden element-ciężarek, a własności 

sprężyste drugi – sprężyna. 

Istniał tylko jeden sposób wymiany pomiędzy energią kinetyczną 

masy a energią potencjalną deformowanej sprężyny.

Istnieje wiele sposobów wymiany pomiędzy kinetyczną i 

potencjalną formą energii drgań, zależnie od wartości n.

Był to 

układ o elementach skupionych

.

O napiętej strunie mówimy, że ma 

elementy rozłożone

, ponieważ każdy 

jej element charakteryzuje się jakąś bezwładnością i sprężystością.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

8

Ważną cechą fali stojącej jest to, ze nie przenosi ona przez ośrodek 

energii. Energia każdej cząsteczki jest stała i pozostaje związana z 

cząsteczką podczas wykonywania przez nią drgań harmonicznych 

wokół położenia równowagi. Całkowita energia pozostaje stale w 

obrębie granic układu.

Równanie fali stojącej ma postać drgania harmonicznego:

t

kx

A

cos

)

sin

2

(

Wszystkie punkty struny (z wyjątkiem węzłów) 
oscylują z tą samą częstością 

ale mają różne 

amplitudy. 

Ponieważ węzły są nieruchome, przez punkty te 

nie przepływa energia. 

Falę taką można sobie wyobrazić jako układ 

oscylatorów drgających równolegle do siebie.

t=0

p

k

E

E

E

,

0

k

p

E

E

E

,

0

t=T/4

t=0

W układach zamkniętych, o ściśle określonych granicach powstają 
fale stojące. (

porównaj: fale biegnące

!).

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

9

5. Fale akustyczne

Falami akustycznymi (dźwiękowymi) nazywamy 

fale sprężyste rozchodzące się w dowolnym 

ośrodku i charakteryzujące się częstotliwościami 

z przedziału od 16 do 20 000Hz. Takie fale 

docierając do ludzkiego ucha wywołują wrażenie 

dźwięku.

Fale o częstotliwościach mniejszych od 16 Hz to infradźwięki, 

o wyższych od 20kHz – ultradźwięki.

dźwięk? co 

to takiego?

Źródłami fal akustycznych są drgające pręty, struny, membrany, 

słupy powietrza,  ogólnie: ciała sprężyste pobudzone do drgań za 

pomocą zewnętrznych bodźców.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

10

Rozchodząca się w ośrodku fala akustyczna jest 

falą podłużną

.

Cząsteczki ośrodka wykonują drgania w kierunku ruchu fali, w 

wyniku czego powstają następujące po sobie obszary zwiększonego 

i obniżonego ciśnienia, czyli jego zagęszczenia i rozrzedzenia.

V

p

V

B

/

B - stosunek przyrostu ciśnienia do względnej zmiany objętości 
wywołanej taką zmianą ciśnienia:

Prędkość fal:

/

E

v

Prędkość fali  akustycznej w ciele stałym zależy od własności sprężystych ośrodka, 
które charakteryzuje moduł Younga 

oraz od gęstości 

=

m/V:

W cieczach i gazach prędkość dźwięku zależy od ściśliwości
(sprężystości objętościowej) ośrodka, którą charakteryzuje 
moduł ściśliwości oraz bezwładności ośrodka i charakte-
ryzującej ją gęstości 

:

/

B

v

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

.

v

bezwładność

własności sprężyste

http://www.pbase.com/jjnv/disneyland

l

l

E

/

E - stosunek naprężenia 

=F/do względnej zmiany 

długości wywołanej takim naprężeniem:

background image

B. Oleś 

11

 

głośnik 

drgania molekuł  



 



 

zagęszczenie  rozrzedzenie 

(x,t

) – przemieszczenie względem położenia równowagi x, w chwili 

t, w kierunku propagacji fali, 

p

- zmiana ciśnienia w w chwili .

5.1. Natężenie fali akustycznej

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

)

(

sin

)

,

(

2

1

t

kx

A

t

x

Falę dźwiękową można traktować jako 

falę ciśnieniową

, przesuniętą o 90

względem fali przemieszczeń 

(x,t),

np. dla  

:

),

sin(

t

kx

p

p

m

,

A

p

m

v



(amplituda ciśnienia)

(gdzie =2

/

– liczba falowa,

f

π

2

- częstość kołowa)

background image

B. Oleś 

12

Natężenie fali I

to średnia moc P

śr

przenoszona przez jednostkowy 

element powierzchni ustawiony prostopadle do kierunku 

rozchodzenia się fali:

Dla fali akustycznej:           ,            

,

S

P

I

śr

2

2

2

1

A

B

I

natężenie harmonicznej 

fali dźwiękowej

Ze względu na szeroki zakres natężeń, na który reaguje ludzkie ucho 

w akustyce wprowadza się 

poziom natężenia fali akustycznej 

:

0

log

I

I

2

12

0

W/m

10

I

Próg słyszalności 

– natężenie najsłabszego  

dźwięku:

Jednostką jest 1B (bel) i 1dB=0,1B. 

Szkodliwy hałas powyżej 85dB.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

,

2

2

2

1

v

A

P

śr



/

B

v

(B - moduł ściśliwości, 

- gęstość)

i dostajemy

background image

B. Oleś 

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

13

Szmery, huki, za które odpowiedzialne są 

fale nieperiodyczne,

http://www.navaching.com/shaku/shaku.gifs/timbre2.gif

http://i.ehow.com/images/GlobalPhoto/Ar
ticles/4866933/147739-main_Full.jpg

dźwięki, za które odpowiedzialne są 

okresowe fale niesinusoidalne będące 
złożeniem pewnej liczby tonów.

Tony, wywoływane przez fale harmoniczne o 

określonej częstotliwości, np. drgający kamerton,

Wrażenia słuchowe wywołane przez 

fale akustyczne:

5.2. Odbieranie dźwięków prze ludzkie ucho

background image

B. Oleś 

14

Słyszalne dźwięki charakteryzują się:

wysokością

, którą jest związana z częstotliwością drgań,

głośnością

dźwięku zależną od energii niesionej przez fale akustyczne, czyli 

natężenia dźwięku oraz jego częstotliwości.

(fale harmoniczne o określonej częstotliwości noszą nazwę 

tonów

)

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

barwą dźwięku

, o której decyduje 

widmo akustyczne

, czyli charakterystyczne dla 

danego źródła dźwięku nakładanie się na podstawowe drgania harmoniczne (mod
podstawowy) drgań harmonicznych o większych częstotliwościach 

(zestaw tonów). 

Gdy na różnych instrumentach grana jest ta sama nuta, 
której odpowiada pewna częstotliwość podstawowa, to już 
wyższe harmoniczne tych instrumentów będą się różnić 
natężeniami. Stąd powstające fale wypadkowe różnią się 
między sobą brzmieniem i możliwe jest rozróżnienie 
wysyłających je instrumentów.

Głośność to subiektywne odczucie natężenia dźwięku. Ale przy stałym natężeniu 
dźwięki niskie i wysokie wydają się cichsze niż dźwięki o średniej częstotliwości (2 - 4 
kHz). Ma to bezpośredni związek z czułością ucha, które w tym zakresie wykazuje 
największą wrażliwość. 

background image

B. Oleś 

15

5.3. Efekt Dopplera

Kiedy źródło dźwięku i odbiornik poruszają się względem siebie 

obserwujemy zjawisko zmiany częstotliwości dźwięku, zwane 

efektem Dopplera. 

Jedziesz samochodem i nagle rozlega się dźwięk syreny samochodu policyjnego. 
Skąd nadjeżdża? Jest za tobą, czy przed? Można zorientować się po wysokości 
dźwięku.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

16

Rozpatrujemy przypadek, gdy źródło i odbiornik poruszają się względem 

siebie wzdłuż łączącej je prostej.

0

0

T

u

z

Gdy źródło porusza się względem 

obserwatora (odbiornika) z szybkością   , 

to podczas jego zbliżania do obserwatora 

docierają fale o długości:

z

u

(ponieważ odległość między kolejnymi 

powierzchniami falowymi maleje o      )

T

u

z

Czas, po którym kolejna powierzchnia falowa dotrze do odbiornika 

jest krótszy i wynosi T.

f,

v

vT

/

0

0

0

f

T

v

v

,

v

v

0

0

f

u

f

f

z

Źródło wysyła fale dźwiękowe o częstotliwości             i długości 

0

poruszające się z szybkością   . 

0

0

/

T

f

v

Odbierana częstotliwość 

dźwięku rośnie.

z

u

f

f

v

v

  

0

Gdy źródło się oddala, 

częstotliwość maleje.

z

u

f

f

v

v

  

0

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

17

Dla obserwatora poruszającego się w kierunku źródła 

dźwięk ma większą prędkość względną:         

v

o

u

o

u

v

v'

i rejestruje on więcej maksimów 

fal niż będąc w spoczynku. 

Stąd wysokość docierającego 

dźwięku jest dla niego wyższa 

niż rzeczywista:

,

0

0

o

u

v

v'

f

,

0

f

u

o

v

v

f

Dla obserwatora oddalającego się 

od źródła dźwięku:

,

0

f

u

o

v

v

f

Przy wzajemnym ruchu źródła dźwięku i 

obserwatora z powyższych wzorów dostaniemy:

,

0

f

u

u

z

o

v

v

f

(Górne znaki odnoszą się do zbliżania, dolne do oddalania źródła i obserwatora.)

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

18

Efekt Dopplera dla fal dźwiękowych jest określony przez prędkość 

ruchu źródła i odbiornika względem ośrodka, w którym rozchodzi 

się dźwięk.

W głębinach morskich, gdzie nie dociera światło, łodzie podwodne używają 
urządzeń zwanych sonarami, pozwalających im orientować się w otoczeniu

Fale akustyczne, emitowany przez sonar, po odbiciu od obiektu 
powracają. Wykorzystanie efektu Dopplera pozwala dodatkowo określić 
jego prędkość.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

Zastosowania efektu Dopplera

background image

B. Oleś 

19

Zastosowanie ultradźwięków i 
efektu Dopplera w medycynie –
USG do badanie przepływu krwi.

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

20

5.4. Dudnienia

Co zaobserwujemy wzbudzając do drgań 
dwa kamertony o różnych częstościach ? 

Każdy z nich emituje ton, który rozprzestrzenia się w postaci fali 

głosowej i dociera do naszego ucha. Drgania błony bębenkowej są 

superpozycją dwu drgań harmonicznych:

),

(

sin

)

(

sin

)

,

(

)

,

(

2

2

1

1

2

1

t

kx

A

t

kx

A

t

x

t

x

).

(

sin

)

(

sin

)

(

)

(

2

2

1

1

2

1

t

A

t

A

t

x

t

x

x

wyp

background image

B. Oleś 

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

21

t

A

t

A

t

x

t

x

x

wyp

2

1

2

1

sin

sin

)

(

)

(

Rozważmy superpozycję dwu drgań harmonicznych o jednakowym 

kierunku i zbliżonych częstościach 

1

.

Dla uproszczenia przyjmujemy jednakowe amplitudy i fazy obu drgań równe zeru.

,

2

cos

2

sin

2

2

1

2

1

t

t

A









.

sin

cos

2

śr

mod

t

t

A

x

,

2

2

1

śr

,

2

2

1

mod

.

cos

2

)

(

mod

mod

t

A

t

x

Dostaliśmy równanie drgania harmo-
nicznego o częstości 

śr

i pulsującej, 

wolnozmiennej amplitudzie: 

T

mod

T

,

/

π

2

2

1

śr

T

,

/

π

2

2

1

mod

mod

T

background image

B. Oleś 

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

22

.

cos

4

)

(

mod

2

2

2

mod

t

A

t

x

T

mod

T

2

mod

x

t

dudnienie

Nasze ucho rejestruje kwadrat amplitudy, czyli:

Częstość powtarzania się 

maksymalnego natężenia 

dźwięku –

częstość 

dudnień 

- jest dwukrotnie 

większa od częstości 

modulacji:

,

2

2

1

mod

dud

Nasze ucho potrafi rozróżnić dwa dźwięki docierające do niego 

równocześnie, jeśli różnią się częstotliwościami więcej niż o 6% ich 

średniej wartości.

Jeśli różnią się o mniej niż o 10 Hz raczej nie zarejestrujemy ich 

w postaci odrębnych tonów, lecz jako pojedynczy dźwięk o 

częstotliwości f

śr

i wolnozmiennej amplitudzie.

Wykorzystanie dudnień przy strojeniu 

instrumentów muzycznych.

background image

B. Oleś 

Wykład 8    Wydz.Chemii PK, 2009/10

23

Wykorzystanie dudnień

przy strojeniu instrumentów muzycznych.

przy określaniu szybkości obiektów podwodą (częstotliwość fali 

odbitej od poruszającego się obiektu różni się od częstotliwości fali 

wysyłanej na skutek efektu Dopplera)

w angielskim gwizdku policyjnym (posiadającym dwie piszczałki!).

http://www.gdcanada.com/content/53ac10af-9e37-470f-a879-
f28cd680b11f/images/gdcanada-integrated-sonar-suite.jpg