Popatrzmy na drgający przedmiot. Mogą to być struna gitary, membrana bębna lub kamerton. Ich drgania przenoszą się na otaczające je cząstki powietrza, co generuje w nich falę mechaniczną. Tworzą ją obszary mniej lub bardziej zagęszczonego powietrza. W chwili kiedy dotrze ona do błony bębenkowej naszego ucha, słyszymy dźwięk. Warto zauważyć, że fala mechaniczna potrzebuje ośrodka, który będzie przenosił drgania. Fale elektromagnetyczne, takie jak światło czy fale radiowe, rozchodzą się nawet w kosmicznej próżni. Powietrze przenosi dźwięk z prędkością ok. 334 m/s. To znaczy, że odległość kilometra jest pokonywana w ciągu 3 s.

Bariera dźwięku

Początkiem fali dźwiękowej jest drgający przedmiot; otaczające go cząstki powietrza ruchy te naśladują i przekazują następnym. Przynosi to ten skutek, że fala rozchodzi się wzdłuż kierunku ich drgań. Taką falę nazywamy podłużną.

Istnieje także fala poprzeczna, tworzą ją elementy drgające prostopadle do kierunku jej propagacji. Jej najbardziej obrazowym przykładem jest „fala stadionowa” – kibice wstają i siadają, a ona biegnie dalej. Falą poprzeczną jest także światło, chociaż ma ono bardziej złożoną naturę.

Jak wiemy, dźwięk może być głośny lub cichy. Skąd to się bierze? Odpowiada za to amplituda fali dźwiękowej – mała, gdy szepczemy, i duża podczas krzyku. Dźwięk może być też wysoki lub niski. Wysokość dźwięku jest zależna od jego częstotliwości. Ludzkie ucho rejestruje dźwięki w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz (drgań na sekundę). Jest to ogólny zakres, który różni się w zależności od osoby.

Grubsza struna drga wolniej i tworzy dźwięk o mniejszej częstotliwości, co daje efekt niskiego tonu. Cieńsza struna drga szybciej i generuje wyższe dźwięki. Z efektem zmiany częstotliwości dźwięku spotykamy się niekiedy w nieoczekiwanych sytuacjach. Gdy karetka pogotowia się zbliża, jej dźwięk jest wysoki. Kiedy nas minie i zacznie się oddalać, słyszymy tony niższe. Jest to zjawisko łatwe do obserwacji nawet dla osób nieposiadających słuchu muzycznego. W porównaniu z częstotliwością emitowaną częstotliwość odbierana jest wyższa podczas zbliżania się, identyczna w chwili mijania i niższa, gdy pojazd zacznie się oddalać.

Z najciekawszym zjawiskiem zetkniemy się jednak, gdy źródło dźwięku dogoni już generowaną przez siebie falę. Osiągnie wówczas tzw. barierę dźwięku – dzieje się to przy prędkości ok. 1220 km/h. Prędkości takie są dostępne dla pocisków i samolotów wojskowych. W momencie gdy obiekt dogania własną falę dźwiękową i przebija się przez nią, następuje duże nagromadzenie energii, co generuje bardzo silny dźwięk. Podobny odgłos słyszymy podczas burzy przy wyładowaniach atmosferycznych. Dlatego został on nazwany gromem dźwiękowym. Nie tylko występuje w momencie przekroczenia bariery dźwięku przez obiekt, lecz także jest efektem ciągłym, który przesuwa się wraz z przedmiotem poruszającym się z prędkością naddźwiękową. Tak naprawdę jest to efekt ciśnieniowy. Gdy obserwuje się samolot przekraczający barierę dźwięku z bliskiej odległości, np. z innego samolotu, można zauważyć otaczający go stożek pary. Jest to powietrze, które zostaje sprężone przez fale dźwiękowe, a skondensowaną w nim parę widzimy w postaci białej mgły.

Bell X-1

Tak nazywał się eksperymentalny amerykański samolot, który jako pierwszy w sposób udokumentowany przekroczył barierę dźwięku. Miało to miejsce w bazie lotniczej Edwards (wówczas Muroc) 14 października 1947 r. Samoloty serii X były konstrukcjami tajnymi, przeznaczonymi do testowania nowych rozwiązań technicznych.

Za sterami samolotu napędzanego silnikiem rakietowym siedział pilot Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych Charles Yeager, as myśliwski z czasów II wojny światowej. Samolot został wyniesiony na wysokość początkową testu przez bombowiec B-29 Superfortress. Osiągnięta prędkość w locie poziomym wyniosła 1126 km/h i odbywała się na wysokości ponad 13 km n.p.m.

Według sposobu podawania prędkości używanego w lotnictwie i technice rakietowej, powiemy, że jego prędkość wyniosła Mach 1,06, co znaczy, że osiągnęła wartość 1,06 prędkości dźwięku.

Jest też kilka wcześniej zgłoszonych, lecz nieudowodnionych przypadków przekroczenia bariery dźwięku w locie nurkowym przez pilotów z nazistowskich Niemiec czy ZSRR. W latach 40. ubiegłego wieku wydarzyło się wiele katastrof lotniczych, które miały miejsce, kiedy samolot osiągał prędkość więcej niż 1 M. Nieprzygotowana do tego maszyna spotykała się z wielką energią fal akustycznych. Ulegały odkształceniu jej skrzydła, a to powodowało katastrofę. Stąd pochodzi nazwa „bariera dźwięku”, gdyż była ona trudna do przekroczenia.

W USA podczas zimnej wojny powstał nawet projekt budowy samolotu naddźwiękowego, który lecąc nad torami kolejowymi na małej wysokości nad terytorium wroga, będzie je niszczył falą uderzeniową.

Z przekraczaniem bariery dźwięku człowiek spotykał się od zawsze. Grzmot, który słyszymy, gdy piorun uderza blisko nas, jest również gromem dźwiękowym spowodowanym przez zjonizowane powietrze poruszające się szybciej niż prędkość dźwięku. Jest też inny efekt, znany wielu osobom, szczególnie starszym i wychowanym na wsi. To trzaskanie z bata. Wprawny woźnica posiadający odpowiedni bat potrafi nadać jego końcówce wielką prędkość, co pozwala uzyskać grom dźwiękowy w mikroskali.

Akustyka

Powróćmy teraz do trochę spokojniejszych tonów. Naukę zajmującą się dźwiękiem, jego własnościami i przenoszeniem nazywamy akustyką.

Kiedy architekt projektuje salę koncertową lub kościół, musi bardzo starannie sprawdzić, czy głos mowy i muzyki będzie dochodził do każdego miejsca bez zniekształceń. Powinien wiedzieć, jakiej jakości dźwięku będą oczekiwać w jego konstrukcji przyszli słuchacze, czy nie pojawią się odbicia od ścian i sufitu. Ten miły efekt dźwiękowy, jakim jest leśne echo, w budynku kościoła często przechodzi w wolno zanikający głos zwany pogłosem. Jeszcze groźniejsze jest dudnienie. To efekt nałożenia się fal dźwiękowych o zbliżonych częstotliwościach.

A może dźwięk ze sceny zostanie zbyt mocno pochłonięty przez miękkie materiały, takie jak zasłony czy kotary, co spowoduje jego stłumienie? Fale dźwiękowe rozchodzą się po liniach prostych i są odbijane lub pochłaniane przez powierzchnie, w które uderzają.

Nagłośnienie, czyli elektroakustyka, stwarza dodatkowe wyzwania. Prawidłowe zaprojektowanie rozmieszczenia głośników i ich wyregulowanie nie jest proste. Specjalistów z zakresu akustyki i elektroakustyki kształcą niektóre politechniki i akademie muzyczne. Ich pomoc powinna zapewnić dobrą jakość dźwięku w kościołach i salach koncertowych. Mimo że grom dźwiękowy w nich nie wystąpi, to dudnienie, pogłos lub echo mogą bardzo utrudnić słuchanie słowa Bożego albo koncertu.