17.1 Fale dźwiękowe

Dźwięk jest zaburzeniem ośrodka, które przemieszcza się od źródła. Słuch jest percepcją dźwięku.
Dźwięk może być modelowany przez zmiany ciśnienia lub drgania cząsteczek ośrodka.
Ludzkie ucho odbiera dźwięki z zakresu częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz.

17.2 Prędkość dźwięku

Prędkość dźwięku zależy od rodzaju i stanu ośrodka.
W ciałach ciekłych, z powodu braku sił ścinających, fale dźwiękowe są podłużne. W ciałach stałych mogą rozchodzić się fale podłużne i poprzeczne.
W powietrzu prędkość dźwięku zależy od temperatury $T$ zgodnie ze wzorem $v = 331 \frac{m}{s} \sqrt{\frac{T_{K}}{273 K}} = 331 \frac{m}{s} \sqrt{1 + \frac{T_{C}}{273^{\circ} C}} .$
Prędkość $v$ jest taka sama dla wszystkich częstotliwości i długości fal dźwiękowych w powietrzu.

Natężenie $I = P / A$ dla fali dźwiękowej jest takie samo jak zdefiniowane wcześniej dla innych fal, gdzie $P$ jest mocą przepływającą przez powierzchnię $A$ . W układzie SI jednostką natężenia $I$ jest watt na metr kwadratowy. Natężenie fali dźwiękowej jest również związane z amplitudą ciśnienia $Δ p :$

$I = \frac{{(Δ p)}^{2}}{2 ρ v},$

gdzie $ρ$ jest gęstością ośrodka, w którym propaguje się fala, a $v_{w}$ jest prędkością dźwięku w ośrodku.
Poziom natężenia dźwięku w decybelach definiuje się jako:
$β = 10 \log_{10} (\frac{I}{I_{0}}) [d B]$ , gdzie $I_{0} = 10^{−12} {W/m}^{2}$ jest natężeniem progowym.
Percepcja natężenia wiąże się z głośnością i jest wyrażana w fonach.

Dźwięki niepożądane mogą być zredukowane poprzez zastosowanie destruktywnej interferencji.
Dźwięk ma takie same właściwości rezonansu i interferencji jak te zdefiniowane dla fal.
W słupach powietrza najniższa częstotliwość rezonansowa nazywa się częstotliwością podstawową, a wszystkie wyższe częstotliwości rezonansowe nazywane są alikwotami. Wszystkie te częstotliwości nazywamy harmonicznymi.

Niektóre instrumenty muzyczne można modelować jako rury o symetrycznych warunkach brzegowych: otwarte na obu końcach lub zamknięte na obu końcach. Inne instrumenty muzyczne można modelować jako rury o niesymetrycznych warunkach brzegowych: zamknięte na jednym końcu i otwarte na drugim.
Niektóre instrumenty, takie jak organy rurkowe, mają kilka rur o różnych długościach. Instrumenty takie jak flet generują dźwięki, zmieniając długość rury przez zamknięcie otworów wzdłuż rury. Puzon zmienia długość rury za pomocą prowadnicy.
Instrumenty strunowe wytwarzają dźwięk przy użyciu drgającej struny z węzłami na każdym końcu. Powietrze wokół struny oscyluje z częstotliwością struny. Zależności dla częstotliwości struny są takie same jak dla rury o symetrycznych warunkach brzegowych, przy czym długość rury jest zastąpiona przez długość struny, a prędkość przez zależność $v = \sqrt{F_{T} / μ}$ .

Gdy dwie fale dźwiękowe o zbliżonych częstotliwościach interferują, powstają dudnienia o częstotliwości równej wartości bezwzględnej z różnicy tych dwóch częstotliwości.

Efekt Dopplera to zmiana rejestrowanej częstotliwości dźwięku w wyniku ruchu zarówno źródła, jak i obserwatora.
Rzeczywista zmiana częstotliwości nazywa się przesunięciem Dopplera.

Liczba Macha jest równa prędkości źródła dźwięku podzielonej przez prędkość dźwięku $M = \frac{v_{s}}{v} .$
Gdy źródło dźwięku porusza się z prędkością większą niż prędkość dźwięku, powstaje fala uderzeniowa w wyniku interferencji fal dźwiękowych.
Uderzenie dźwiękowe jest falą o dużym natężeniu propagującym się nad powierzchnią ziemi.
Kąt fali uderzeniowej można wyznaczyć z zależności $sin θ = \frac{v}{v_{s}} = \frac{1}{M} .$
Fala dziobowa jest wytwarzana, gdy obiekt porusza się z prędkością większą niż prędkość fali mechanicznej w ośrodku, na przykład łódź poruszająca się po wodzie.