W trakcie przygotowywania eksperymentów na najbliższy Piknik Naukowy w Radomiu wpadliśmy na pomysł konkursu na najgłośniejszy krzyk. W tym celu za pomocą cyfrowego decybelomierza ustawionego na stałe, na statywie sprawdzaliśmy jakie natężenie dźwięku jesteśmy w stanie wytworzyć. Nasze urządzenie ma zakres pomiarowy 130 decybeli i trzeba było sprawdzić czy ktoś przypadkiem nie zamknie nam skali. Dodatkowo urządzenie ma wyjście analogowe sygnału z mikrofonu, które wykorzystaliśmy do zobrazowania dźwięku na ekranie oscyloskopu.

Odbiorcami naszego konkursu będą głównie dzieci i młodzież więc w testach wziął udział mój syn Wiktor, który był w stanie wytworzyć dźwięk o natężeniu 119 decybeli. Dzięki podłączeniu miernika do oscyloskopu mogliśmy zaobserwować jak skomplikowany jest wytwarzany przez nas dźwięk i dlaczego tak łatwo rozpoznać dźwięki wydawane przez konkretnych ludzi.

Rys. 1 Stanowisko do pomiaru natężenia i obrazowania dźwięku.

By w jakiś sposób sprawdzić z jakim nasileniem dźwięku mamy do czynienia  musimy określić jego natężenie. Jest to miara energii fali akustycznej wyrażona jednostką W/m². Jest ona równa średniej wartości strumienia energii akustycznej przepływającego w czasie 1 s przez jednostkowe pole powierzchni (1 m²) zorientowanej prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Dźwięk jest rodzajem energii wyemitowanej z ośrodka (np. strun głosowych lub głośnika) i na każdym etapie propagacji przez powietrze możemy mówić o jakiejś energii, która jest przenoszona w wytworzonych falach ciśnienia.

Rys. 2 Pomiar poziomu natężenia dźwięku emitowanego przez Wiktora.

Ważna w pomiarach jest odległość od źródła dźwięku bo  w otwartym obszarze natężenie dźwięku ze źródła punktowego spada z kwadratem odległości. Czy jednak Państwo słyszeli by ktoś mówiąc o głośnym dźwięku mówił że miał on natężenie  ileś tam watów ? Raczej nie. Odczuwalne natężenie dźwięku jest pojęciem bardzo względnym dlatego przyjęto jednostkę Poziom natężenia dźwięku i jest to logarytmiczna miara natężenia dźwięku w stosunku do jednostki natężenia przyjętej umownie i wyraża się w decybelach.

Rys. 3 Wynik pomiaru poziomu natężenia dźwięku.

Ludzkie ucho nie jest w stanie jednoznacznie odczuwać dźwięków proporcjonalnie do ich natężenia. Dwa dźwięki niosące ze sobą tą samą energię mogą być przez człowieka odczuwalne zupełnie inaczej. Ucho człowieka logarytmuje natężenie dźwięku, co powoduje, że 2 razy większe natężenie dźwięku odpowiada zwiększeniu głośności o wartość 3 dB a jeśli natężenie wzrośnie 1000 razy to wartość poziomu natężenie wzrośnie tylko o 30 dB.

Rys. 4 Wizualizacja dźwięku na ekranie oscyloskopu.

Jako wartość odniesienia przyjęto wartość mocy na poziomie progu słyszalności ludzkiego ucha czyli 10^-12 W/m². Dzięki temu pomiar poziomu natężenia dźwięku oddaje rzeczywisty próg odczuwalności dla organizmu ludzkiego a nie abstrakcyjną w tym przypadku ilość mocy niesioną przez dźwięk, która zresztą może nie być lub po prostu nie jest absorbowana przez organizm i nie stwarza zagrożenia. Ta skala logarytmiczna jest trochę nie zrozumiała i może mylić bo np. podczas naszych eksperymentów włączony wiatrak wyświetlał na mierniku 80 dB a dość głośny krzyk zwiększył ten wynik zaledwie do 100 dB. Baliśmy się, że nasz miernik ma za małą skalę by mierzyć naprawdę głośne krzyki jednak przekroczenie 130 dB przez człowieka wydaje się prawie nie możliwe. 120 dB to już próg bólu dla ludzkiego ucha.

Rys. 5 Przebieg fali dźwiękowej z mikrofonu podczas krzyku dziecka.

Wyjaśniliśmy już nieco pojęcia mierzalności wartości natężenia dźwięku i poziomu dźwięku to teraz może kilka słów o tym dlaczego tak łatwo rozpoznać kto do nas mówi. Na powyższym oscylogramie widzimy zarejestrowany w czasie przebieg natężenia fali dźwiękowej odczytany z mikrofonu. Cóż możemy wywnioskować ? Ano, całkiem sporo. Nie mamy tu do czynienia z pojedynczą częstotliwością, jak to ma miejsce gdy słyszymy np. jeden ton z jakiegoś instrumentu. Ludzkie struny emitują co najmniej kilka nałożonych na siebie charakterystycznych częstotliwości. Dodatkowo są mocno modulowane zarówno amplitudowo jak i częstotliwościowo.

Rys. 6 Przebieg dźwięku dorosłego człowieka.

Oba powyższe oscylogramy obrazują krzyk brzmiący "aaaaaa...." Rys 5 to krzyk mojego 5 letniego syna a 6 to mój krzyk. Jak widać zmieniła się mocno zarówno częstotliwość składowej podstawowej jak i amplituda, ilość i skład ilościowy pozostałych sygnałów. Ludzkie ucho jest na tyle precyzyjne, a ludzki mózg na tyle rozwinięty, że jest w stanie zapamiętać charakterystyki dźwięków, że już małe dzieci a nawet dopiero co narodzone rozpoznają dźwięk swoich rodziców. Głównie ze względu na to, że jest tak skomplikowany.

Rys. 7 Pomiary dźwięków w zmienionej atmosferze.

Skoro dźwięki są tak charakterystyczne to dlaczego nie wykorzystuje się ich do identyfikacji jak np. odciski palca lub skany obrazów siatkówki oka ?. Odpowiedź jest dość prosta. Wydawane przez nas dźwięki mogą się zmieniać w zależności od bardzo wielu czynników począwszy od stanu naszego zdrowia po gęstość ośrodka w jakim drgają nasze struny głosowe. To drugie dość trudno zmienić ale nam w naszych eksperymentach się udało za sprawą dwóch gazów: helu i sześciofluorku siarki.

Rys. 8 Próby bicia rekordu poziomu natężenia dźwięku.

Dlaczego użyłem tych dwóch gazów ? ano dlatego że hel ma dużo mniejszą gęstość od powietrza a sześciofluorek siarki jest gęsty, duużo gęstszy od powietrza. Nasze struny głosowe drgają sobie w powietrzu. Można to porównać do mieszania łyżeczką herbaty i miodu. Jeśli mieszamy herbatę woda stwarza stosunkowo niewielki opór i możemy mieszać szybko. Jeśli spróbujemy zamieszać gęsty miód już nie pójdzie nam tak łatwo. Teraz jeśli z płuc wydmuchniemy powietrze i wypełnimy je helem, to gdy zaczniemy mówić nasze struny głosowe będą drgały w dużo rzadszym gazie i częstotliwość tych drgać będzie wyższa.

Rys. 9 Mój krzyk "aaa..." w helu.

Gęstość powietrza wynosi 1,2 kg/m³ a gęstość helu to tylko 0,18 kg/m³. Różnica jest dość duża, dzięki temu balony wypełnione tym gazem unoszą się do góry a nasza krtań wydaje piskliwy dźwięk. Zmienia się skład, amplituda i częstotliwości poszczególnych składowych naszego dźwięku. Brzmi on zupełnie inaczej, dość zabawnie. Jeszcze ciekawiej jest gdy wypełnimy naszą krtań gazem, którego gęstość to 6,17 kg/m³. Mowa tu oczywiście o ciężkim sześciofluorku siarki, który dzięki swej gęstości i właściwościach izolacyjnych stosowany jest jako atmosfera ochronna w przełącznikach wysokiego napięcia. Gasi wyładowania elektryczne.

Rys. 10 Mój krzyk "aaa..." w sześciofluorku siarki.

Dźwięk wydawany przez struny głosowe "zanurzone" w tym gęstym gazie brzmi bardzo nisko i przypomina głos Lorda Vadera z Gwiezdnych Wojen. Zmiana głosu tym gazem jest jednym z najbardziej emocjonujących pokazów dla najmłodszej części widowni naszych eksperymentów, jednak zawsze nam się obrywa gdy nie możemy tym gazem nikogo poczęstować. Jest on co prawda obojętny dla organizmu ludzkiego, jednak ze względu na swą dużą gęstość może pozostać w kanalikach płucnych i doprowadzić nawet do rozedmy płuc. My każdorazowo po demonstracji robimy skłon w przód dotykając rękami ziemi i wykonujemy głębokie oddechy by pozbyć się resztek tego gazu z zakamarków płucnych.

Rys. 11 Ciężki balon wypełniony sześciofluorkiem siarki.

Często można spotkać na różnych imprezach człowieka sprzedającego "hel do gadania". Z tego gazu bez większych obaw można skorzystać bo jest on całkowicie nie groźny lecz trzeba pamiętać że wypełniając nim płuca na dłuższą chwilę pozbawiamy je życiodajnego tlenu i jeśli będziemy się tym gazem bawić dłuższą chwilę może dojść do omdlenia. Należy pamiętać, by po każdym głębokim wdechu helu, gdy już usłyszymy i pośmiejemy się z naszego głosu, wykonać kilka kolejnych głębokich wdechów dotleniających organizm, po chwilowym braku tlenu. Na szczęście nie ma obaw, że gdzieś na festynie ktoś zaproponuje nam atrakcyjny wdech z sześciofluorku siarki :). Jeden balon tego gazu kosztował by ładne kilkanaście złotych i raczej niewielu by się skusiło. Jest to po prostu bardzo droga substancja. Można z nią jednak wykonać kilka innych ciekawych eksperymentów. Np. nadmuchany balon sprawia wrażenie jakby był wypełniony co najmniej wodą. Jest niezwykle ciężki. Odbija się od podłogi prawie jak piłka do koszykówki.

Rys. 12 Wypełnianie sześciofluorkiem siarki szklanego naczynia.

Postanowiliśmy też wykonać eksperyment podpatrzony w programie "Pogromcy Mitów". Była to łódka z folii aluminiowej pływająca w akwarium wypełnionym sześciofluorkiem siarki. Powoli wpuściliśmy gaz do szklanej kuli i próbowaliśmy na tym gazie postawić różne, wykonane przez nas łódeczki. Niestety ten eksperyment nam się nawet w najmniejszym stopniu nie udał. Łódki tonęły natychmiast. Wypełniliśmy nawet naszą kulę dymem i obserwowaliśmy jak ciężki gaz wypełnia przestrzeń.

Rys. 13 Wypieranie dymu ze szklanego naczynia przez sześciofluorek siarki.

Pomimo, że gaz prawidłowo wypełniał naczynie i praktycznie nie mieszał się z powietrzem bo wtłaczaliśmy go naprawdę bardzo powoli, to i tak eksperyment nie wykazywał najmniejszych oznak, że może się udać. Być może aluminium, które zastosowaliśmy jest za grube i powstająca siła wyporu była zbyt małą, by unieść masę całej łódki. Wrócimy do tego eksperymentu jak uda się zdobyć cieńszą folię aluminiową lub inny lekki materiał z którego wykonamy łódeczki.

Rys. 14 Bańki mydlane unoszące się na powierzchni sześciofluorku siarki.

Tymczasem na warstwie gęstego gazu udało nam się zawiesić bańki mydlane :) Jeśli w pomieszczeniu nie będzie ruchów powietrza taka bańka może zawisnąć bez ruchu nawet przez dłuższą chwilę, co jest dość efektowne.

Rys. 15 Cięższa gromada baniek zawisła głębiej w gazie.

Jak widzimy na powyższym zdjęciu, cięższa gromada baniek utonęła głębiej w gęstym gazie, jednak na tej wysokości ustaliła się równowaga pomiędzy działającymi siłami przyciągania ziemskiego i wyporu i na tej właśnie wysokości bańki zawisły bez ruchu. Nie była to co prawda łódka z folii aluminiowej, ale można uznać,  że eksperyment częściowo się powiódł :) Jak się uda naprawdę - zdamy relację. Pozdrawiam ....