Inne


Sonic boom – czyli jak pozornie nudną fizyką z liceum można wytłumaczyć fascynujące zjawisko

Hubert Jastrzębski, Właściciel firmy Falcon Acoustics

3 Marca 2017

W tym artykule zrobimy sobie małą powtórkę ze szkoły średniej (przynajmniej z moich czasów 😉 ). Przypomnę czym jest efekt dopplera i jakie niesie ze sobą konsekwencje. Wytłumaczę również co wspólnego z efektem Dopplera ma zjawisko tzw. sonic boom.

Na pewno wiele razy zaobserwowaliście ten efekt w waszym codziennym życiu: przejeżdżająca karetka czy klakson sfrustrowanego kierowcy, jadąc w naszą stronę generują wyższe częstotliwości, niż odjeżdżając od nas. Brzmi to mniej więcej tak:

Nagranie przedstawia klakson auta przejeżdżającego obok nieruchomego obserwatora. Jak to się dzieje, że częstotliwość odbieranego sygnału ulega zmianie?

Efekt Dopplera

Efekt Dopplera został opisany przez austriackiego matematyka Christiana Dopplera w 1842 r. Zjawisko to zachodzi, gdy źródło lub obserwator znajduje się w ruchu i generuje z siebie dźwięk. Częstotliwość odbieraną przez obserwatora obliczyć można za pomocą prostego wzoru:

    Gdzie:

    f0 – częstotliwość odbierana przez obserwatora [Hz],

    fz – częstotliwość generowana przez ruszający się obiekt [Hz],

    v- prędkość fali [m/s],

    vz – prędkość źródła względem obserwatora [m/s].

Co ten wzór opisuje w praktyce? Dzięki niemu jesteśmy w stanie obliczyć, jak bardzo zagęszczą lub rozrzedzą się fale poprzez ruch obiektu z ze znaną prędkością, w konkretnym ośrodku. Ok, to teraz zobaczmy konkretny przykład:

Punkt przedstawia ruchome źródło, generujące fale o stałej częstotliwości. Środek każdej nowej fali jest generowany w innym miejscu. Jak widać, poprzez ruch źródła, długość fali generowanej przed źródłem ulega skróceniu, a za źródłem – wydłużeniu.

A co, gdy obiekt porusza się jeszcze szybciej?

Zastanówmy się teraz, co stanie się, gdy nasz obiekt będzie ruszał się z prędkością porównywalną do prędkości dźwięku. Okazuje się, że czoła kolejnych fal nakładają się na siebie. I tak przed lecącym samolotem nie słychać żadnego dźwięku. Dopiero, gdy samolot mija nas, słyszymy bardzo charakterystyczny dźwięk zwany sonic boom. Występuje on właśnie dlatego, że energia dźwięku kumuluje się w określonych obszarach, generując falę uderzeniową.

Zmiany ciśnienia akustycznego niosą za sobą nie tylko ciekawe efekty dźwiękowe, ale i wizualne. Powstająca fala uderzeniowa zakrzywia światło, powodując, że zjawisko to staje się widoczne gołym okiem. Doświadczenie to jest podobne do obserwowania rozgrzanego asfaltu w gorący dzień. Unoszące się powietrze powoduje zakrzywienie wiązki światła, co jest przez nas odbierane jako falowanie powietrza. Poza tym, przez gwałtowne obniżenie ciśnienia w minimach fali akustycznej, powietrze się istotnie ochładza. Dzięki temu, w odpowiednich warunkach atmosferycznych, wilgoć zawarta w powietrzu gromadzi się w określonych miejscach, powodując widoczną chmurę. Chmura (w idealnych warunkach) układa się w stożek, którego kształt wynika z prędkości ruchu obiektu. Wszystko zaczyna się układać w całość, prawda? 😉
Naturalnie – nie wszystko jest takie proste i oczywiste . Zdarza się na przykład, że samolot, który leci z prędkością nieco mniejszą od prędkości dźwięku również wygeneruje sonic boom. Jak to się dzieje? Zmiany ciśnienia wokół skrzydła samolotu powodują, że cząsteczki powietrza mogą poruszać się w niektórych miejscach szybciej niż prędkość samolotu. To może spowodować, że samolot poruszający się z prędkością nieco mniejszą od 1 macha (prędkość dźwięku) wywoła falę uderzeniową.
Polecam obejrzeć DO KOŃCA film, który bardzo dobrze wyjaśnia owe zjawisko☺:

Jak z bicza trzasnął!

Ciekawe jest to, że sonic boom, wywołany przez efekt Dopplera występuje nie tylko w samolotach. Charakterystyczny dźwięk strzału z bicza jest również niczym innym, jak falą uderzeniową, powstałą przy rozpędzaniu końcówki rzemienia powyżej prędkości dźwięku. Tak, mnie też to zaskoczyło…
Mam nadzieję, że udało mi się udowodnić, że te nudy z fizyki w liceum do czegoś się jednak przydają i mogą być ciekawe. Efekt dopplera ma wiele zastosowań, chociażby w przepływomierzach ultradźwiękowych, czy wibrometrach laserowych. Dotyczy on również nie tylko fal akustycznych, ale świetlnych i każdych innych. Zastosowanie tego efektu przy przekraczaniu prędkości dźwięku jest naprawdę skomplikowane i celowo nie wchodziłem głęboko we wszystkie jego aspekty, bo przerosłoby to moje możliwości. Niestety na studiach mechanika płynów zaliczona została ledwo na 3 😉 Mam nadzieję, że mimo tego artykuł był ciekawy. Dajcie znać w komentarzu, czy znacie jakieś ciekawe zastosowania efektu dopplera.

Źródła:

  • http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.html

Jeśli chcesz na bieżąco dowiadywać się o ciekawostkach ze świata akustyki, zapisz się na nasz newsletter

Czytaj także

Jak Pitagoras wpłynął na muzykę

Badania stosunków długości strun i piszczałek przeprowadzano już w czasach wczesnohistorycznych, jednak miały one charakter wycinkowy i niedokładny. Pierwszym badaczem, który stworzył dokładne podstawy teoretycznego wyznaczania wysokości dźwięków, był sławny filozof i matematyk – Pitagoras.

czytaj dalej

Rekord Guinessa na najdłuższe „echo”

Zastanawialiście się kiedyś, jakie kategorie z dziedziny akustyki istnieją w Księdze rekordów Guinessa? Jedną z nich jest najdłuższe echo. Naturalnie rzecz biorąc, rekord ten dotyczy czasu pogłosu, a nie echa, ale chyba komuś nie chciało się tego sprawdzać☺

czytaj dalej

Słysząc usta i widząc głos

Czy zastanawialiście się kiedyś nad tym, jak widzenie wpływa na odbiór dźwięku? Podobny temat poruszyłem w tekście o ślepych testach odsłuchowych. W tym artykule przedstawię, że nie tylko producenci sprzętu audio wykorzystują wrażenia wzrokowe, ale robimy to codziennie sami, nieświadomie, podczas rozmowy z innymi osobami.

czytaj dalej