5.2 Fale i długości fal

Amplituda i długość fali

Dwie fizyczne charakterystyki fali to amplituda i długość fali (Ilustracja 5.5). Amplituda (ang. amplitude) fali to odległość od linii środkowej do górnego punktu grzbietu (ang. peak) lub od linii środkowej do dolnego punktu wgłębienia (doliny (ang. trough). Długość fali (ang. wavelength) odnosi się do długości fali mierzonej od jednego szczytu do drugiego.

Ilustracja 5.5 Amplituda, czyli wysokość fali, jest mierzona od linii środkowej do szczytu (grzbietu) albo od linii środkowej do wgłębienia (doliny). Długość fali jest mierzona od szczytu do szczytu.

Długość fali bezpośrednio wiąże się z częstotliwością danego przebiegu fal. Częstotliwość (ang. frequency) określa, ile fal przechodzi przez dany punkt w określonym czasie i często wyrażana jest w hercach (ang. hertz) (Hz), czyli cyklach na sekundę. Fale o większej długości mają mniejszą częstotliwość, a fale o mniejszej długości mają większą częstotliwość (Ilustracja 5.6).

Ilustracja 5.6 Fale o różnych długościach i powiązanych z nimi częstotliwościach. Czerwona fala na górze ilustracji ma największą długość (i najniższą częstotliwość). Fala na dole ilustracji ma najmniejszą długość (i najwyższą częstotliwość).

Fale świetlne

Światło widzialne (ang. visible spectrum) to część większego widma elektromagnetycznego (ang. electromagnetic spectrum), którą możemy zobaczyć. Jak pokazuje Ilustracja 5.7, widmo elektromagnetyczne obejmuje całe promieniowanie elektromagnetyczne, jakie występuje w środowisku, w tym promieniowanie gamma, fale rentgenowskie, światło ultrafioletowe, widzialne, podczerwone, mikrofale i fale radiowe. Widmo widzialne dla człowieka to fale o długości w zakresie od 380 do 740 nm. To bardzo niewiele, ponieważ nanometr (nm) to miliardowa część metra. Inne gatunki zwierząt mogą wykrywać inne zakresy widma elektromagnetycznego. Na przykład pszczoły widzą promieniowanie ultrafioletowe (Wakakuwa et al., 2007), a niektóre węże, jak grzechotniki, oraz niektóre owady wykrywają promieniowanie podczerwone.

Ilustracja 5.7 Światło widoczne dla ludzi to jedynie niewielka część widma elektromagnetycznego.

U ludzi długość fali świetlnej wiąże się ze spostrzeganiem koloru (Ilustracja 5.8). W obrębie widma widzialnego doświadczanie koloru czerwonego jest wywoływane w naszym oku i mózgu przez fale długości około 640 nm. Zieleń jest falą około 500 nm, a fale mające około 450 nm długości rejestrujemy jako barwę fioletową. Fal dłuższych niż czerwona oraz fal krótszych niż fioletowa po prostu nie widzimy. Doświadczanie jasności i natężenia barw przez człowieka jest procesem dość skomplikowanym i opisywanym jakościowo. Można je powiązać z amplitudą fali (im większa amplituda fal, tym jaśniejszy widzimy obraz), jednak będzie to zależność opisana z dużym przybliżeniem. Precyzyjny termin definiujący to zjawisko ilościowo jest używany przez inżynierów i nosi nazwę „natężenia światła”; stosuje się go np. do opisu światła emitowanego przez lasery wykorzystywane w przemyśle.

Ilustracja 5.8 Różne długości fali świetlnej wiążą się z postrzeganiem różnych kolorów. (Źródło: modyfikacja pracy Johannesa Ahlmanna).

Fale dźwiękowe

Podobnie jak w przypadku fal świetlnych nasze postrzeganie dźwięku jest ściśle związane z fizycznymi właściwościami fal dźwiękowych. Fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości są postrzegane jako dźwięki wysokie, fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości zaś jako niskie dźwięki. Zakres słyszalny częstotliwości dźwięku wynosi 20-20 000 Hz, przy czym najbardziej wrażliwi jesteśmy na dźwięki ze środka tego zakresu.

Podobnie jak w przypadku światła widzialnego zakres słyszalności fal dźwiękowych jest różny dla różnych gatunków zwierząt. Na przykład kurczęta mają bardzo ograniczony zakres słyszalności: od 125 do 2000 Hz. Myszy słyszą dźwięki o częstotliwości od 1000 do 91 000 Hz, a wieloryby bieługi od 1000 do 123 000 Hz. Psy i koty domowe słyszą dźwięki w zakresie odpowiednio 70–45 000 Hz i 45–64 000 Hz (Strain, 2003).

Głośność konkretnego dźwięku jest blisko powiązana z amplitudą fali dźwiękowej. Wyższe amplitudy oznaczają głośniejszy dźwięk. Głośność mierzona jest w decybelach (ang. decibel) (dB), w logarytmicznej skali natężenia dźwięku. Typowa rozmowa odpowiada głośności około 60 dB; koncert rockowy może mieć głośność nawet 120 dB (Ilustracja 5.9). Szept w odległości 1,5 m lub szum liści to dźwięk na granicy naszego zakresu słyszalności; dźwięki takie jak odgłosy klimatyzacji okiennej, normalnej rozmowy czy nawet ruchu na ulicy są w zakresie tolerancji. Jednak w zakresie od około 80 dB do 130 dB istnieje ryzyko uszkodzenia słuchu: to dźwięk robota kuchennego, kosiarki elektrycznej, ciężarówki (z odległości 7,5 m), przejazdu metra (z odległości 6 m), muzyki rockowej na żywo i pracującego młota pneumatycznego. Wartość progowa wywołująca ból to około 130 dB, jest to dźwięk wydawany przez startujący odrzutowiec lub wystrzał z rewolweru (Dunkle, 1982).

Ilustracja 5.9 Rysunek przedstawia głośność często występujących dźwięków. (Źródło „samoloty”: modyfikacja pracy Maxa Pfandla; źródło „koncert”: modyfikacja pracy Christiana Holméra; źródło „blender”: modyfikacja pracy Jo Brodie; źródło „samochód”: modyfikacja pracy NRMA New Cars/Flickr; źródło „rozmowa”: modyfikacja pracy Joi Ito; źródło „liście”: modyfikacja pracy Aurelijusa Valeiša).

Nasza percepcja głośności konkretnej fali dźwiękowej zależy od jej amplitudy, czyli im wyższa amplituda, tym głośniejszy jest dźwięk. Gdy jednak będziemy słuchać różnych dźwięków, które mają identyczną amplitudę, okaże się, że jedne dźwięki odbieramy jako głośniejsze, a inne jako cichsze.

Oczywiście różne instrumenty muzyczne mogą zagrać ten sam ton z taką samą głośnością, a mimo to brzmią zupełnie inaczej. Nazywamy to tembrem dźwięku. Tembr (ang. timbre) odnosi się do czystości dźwięku i wpływa na niego złożona interakcja częstotliwości, amplitudy i czasu nadejścia fal dźwiękowych.