Звуковые волны. Законы распространения звуковых волн

Звук (звуковая волна ) –это упругая волна, воспринимаемая органом слуха человека и животных . Иначе говоря, звук представляет собой распространение колебаний плотности (или давления) упругой среды, возникающих при взаимодействии частиц среды друг с другом.

Атмосфера (воздух) является одной из упругих сред. Распространение звука в воздухе подчиняется общим законам распространения акустических волн в идеальных газах, а также имеет особенности, обусловленные непостоянством плотности, давления, температуры и влажности воздуха. Скорость звука определяется свойствами среды и вычисляется по формулам для скорости упругой волны.

Существуют искусственные и естественные источники звука. К искусственным относятся излучатели на основе:

Колебаний твёрдых тел (струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов, пьезоэлектрические пластины);

Колебаний воздуха в ограниченном объёме (органные трубы., свистки);

Удара (клавиши рояля, колокол);

Электрического тока (электроакустические преобразователи).

К естественным источникам относятся:

Взрыв, обвал;

Обтекание препятствий потоком воздуха (обдувание ветром угла здания, гребня морской волны).

Также существуют искусственные и естественные приёмники звука:

Электроакустические преобразователи (микрофон в воздухе, гидрофон в воде, геофон в земной коре) и другие приборы;

Слуховой аппарат человека и животных.

При распространении звуковых волн возможны явления, характерные для волн любой природы:

Отражение от препятствия,

Преломление на границе двух сред,

Интерференция (сложение),

Дифракция (огибание препятствий),

Дисперсия (зависимость скорости звука в веществе от частоты звука);

Поглощение (уменьшение энергии и интенсивности звука в среде вследствие необратимого превращения энергии звука в теплоту).

Объективные характеристики звука

Частота звука

Частота звука, слышимого человеком, лежит в пределах от 16 Гц до16 - 20 кГц . Упругие волны с частотой ниже слышимого диапазона называют инфразвуком (в т. ч. сотрясение), сболее высокой частотой– ультразвуком , а самые высокочастотные упругие волны –гиперзвуком .

Весь частотный диапазон звука можно разделить на три части (табл. 1.).

Шум имеет сплошной спектр частот (или длин волн) в области низкочастотного звука (табл. 1, 2). Сплошной спектр означает, что частоты может иметь любое значение из данного интервала.

Музыкальные , или тональные , звуки обладают линейчатым спектром частот в области среднечастотного и частично высокочастотного звука. Оставшуюся часть высокочастотного звука занимает свист. Линейчатый спектр означает, что музыкальные частоты имеют лишь строго определённые (дискретные) значения из указанного интервала.

Кроме того, интервал музыкальных частот делят на октавы. Октава – это интервал частот, заключённый между двумя граничными значениями, верхняя из которых вдвое больше нижней (табл. 3)

Общепринятые октавные полосы частот

Примеры интервалов частот звука, создаваемого человеческим голосовым аппаратом и воспринимаемого человеческим слуховым аппаратом, приведены в табл.4.

Примеры частотных диапазонов некоторых музыкальных инструментов приведены в таблице 5. Они охватывают не только звуковой диапазон, но и ультразвуковой.

Животные, птицы и насекомые создают и воспринимают звук других частотных диапазонов, нежели человек (табл. 6).

В музыке каждую синусоидальную звуковую волну называют простым тоном, или тоном. Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называют тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам, называются обертонами . Если обертоны кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими . Обертон с наименьшей частотой называется первой гармоникой, со следующей - второй и т.л.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр зависит от состава обертонов, их частот и амплитуд, характера их нарастания в начале звучания и спада в конце.

Скорость звука

Для звука в различных средах справедливы общие формулы (22) – (25). При этом следует учесть, что формула (22) применима в случае сухого атмосферного воздуха и с учётом числовых значений коэффициента Пуассона, молярной массы и универсальной газовой постоянной может быть записана в виде:

Однако, реальный атмосферный воздух всегда имеет влажность, которая влияет на скорость звука. Это обусловлено тем, что коэффициент Пуассона  зависит от отношения парциального давления водяного пара (p пар ) к атмосферному давлению (p ). Во влажном воздухе скорость звука определяют по формуле:

.

Из последнего уравнения видно, что скорость звука о влажном воздухе скорость звука немного больше, чем в сухом.

Численные оценки скорости звука, учитывающие влияние температур и влажности атмосферного воздуха, можно осуществлять по приближённой формуле:

Эти оценки показывают, что при распространении звука вдоль горизонтального направления (0 x ) с увеличением температуры на1 0 C скорость звука возрастает на0,6 м/с . Под влиянием водяного пара с парциальным давлением не более10 Па скорость звука возрастает менее чем на0,5 м/с . А в целом, при максимально возможном парциальном давлении водяного пара у поверхности Земли, скорость звука увеличивается не более чем1 м/с .

Звуковое давление

При отсутствии звука атмосфера (воздух) является невозмущённой средой и имеет статическое атмосферное давление (
).

При распространении звуковых волн к этому статическому давлению добавляется дополнительное переменное давление, обусловленное сгущениями и разрежениями воздуха. В случае плоских волн можно записать:

где p зв, max – амплитуда звукового давления, - циклическая частота звука,k– волновое число. Следовательно, атмосферное давление в фиксированной точке в данный момент времени становится равным сумме этих давлений:

Звуковое давление – это переменное давление, равное разности мгновенного фактического атмосферного давления в данной точке при прохождении звуковой волны и статического атмосферного давления при отсутствии звука :

Звуковое давление в течение периода колебаний меняет своё значение и знак.

Звуковое давление практически всегда намного меньше атмосферного

Оно становится велико и соизмеримо с атмосферным при возникновении ударных волн во время мощных взрывов или при прохождении реактивного самолета.

Единицами измерения звукового давления служат следующие:

- паскаль в СИ
,

- бар в СГС
,

- миллиметр ртутного столба ,

- атмосфера .

На практике приборы измеряют не мгновенное значение звукового давления, а так называемое эффективное (илидействующее )звуковое давление . Оно равноквадратному корню из среднего значения квадрата мгновенного звукового давления в данной точке пространства в данный момент времени

(44)

и поэтому называется также среднеквадратическим звуковым давлением . Подставляя выражение (39) в формулу (40), получим:

. (45)

Звуковое сопротивление

Звуковым (акустическим) сопротивлением называют отношение амплитуд звукового давления и колебательной скорости частиц среды:

. (46)

Физический смысл звукового сопротивления : оно численно равно звуковому давлению, вызывающему колебания частиц среды с единичной скоростью:

Единица измерения звукового сопротивления в СИ – паскаль-секунда на метр :

.

В случае плоской волны скорость колебаний частиц равна

.

Тогда формула (46) примет вид:

. (46*)

Существует также и другое определение звукового сопротивления, как произведение плотности среды и скорости звука в этой среде:

. (47)

Тогда его физический смысл состоит в том, что оно численно равно плотности среды, в которой распространяется упругая волна с единичной скоростью:

.

Кроме акустического сопротивления в акустике используется понятие механическое сопротивление (R м ). Механическое сопротивление представляет собой отношение амплитуд периодической силы и колебательной скорости частиц среды:

, (48)

где S – площадь поверхности излучателя звука. Механическое сопротивление измеряется вньютон-секундах на метр :

.

Энергия и сила звука

Звуковая волна характеризуется теми же энергетическими величинами, что и упругая волна.

Каждый объем воздуха, в котором распространяются звуковые волны, обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды (см. формулу (29)).

Интенсивность звука принято называть силой звука . Она равна

. (49)

Поэтому физический смысл силы звука аналогичен смыслу плотности потока энергии: численно равна среднему значению энергии, которая переносится волной за единицу времени через поперечную поверхность единичной площади.

Единица измерения силы звука – ватт на квадратный метр:

.

Сила звука пропорциональна квадрату эффективного звукового давления и обратно пропорциональна звуковому (акустическому) давлению:

, (50)

или, учитывая выражения (45),

, (51)

где R ак – акустическое сопротивление.

Звук можно также характеризовать звуковой мощностью. Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в течение определённого времени через замкнутую поверхность, окружающую источник звука :

, (52)

или, учитывая формулу (49),

. (52*)

Звуковая мощность, как и любая другая, измеряется в ваттах :

.

Звук представляет собой звуковые волны, которые вызывают колебания мельчайших частиц воздуха, других газов, а также жидких и твердых сред. Звук может возникать только там, где есть вещество, не важно, в каком агреатном состоянии оно находится. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе. Звук может модифицироваться, видоизменяться, превращаясь в иные формы энергии. Так, звук, преобразованный в радиоволны или в электрическую энергию, можно передавать на расстояния и записывать на информационные носители.

Звуковая волна

Движения предметов и тел практически всегда становятся причиной колебаний окружающей среды. Не важно, вода это или воздух. В процессе этого частицы среды, которой передаются колебания тела, также начинают колебаться. Возникают звуковые волны. Причем движения осуществляются в направлениях вперед и назад, поступательно сменяя друг друга. Поэтому звуковая волна является продольной. Никогда в ней не возникает поперечного движения вверх и вниз.

Характеристики звуковых волн

Как и любое физическое явление, они имеют свои величины, при помощи которых можно описать свойства. Основные характеристики звуковой волны - это ее частота и амплитуда. Первая величина показывает, какое количество волн образуется за секунду. Вторая определяет силу волны. Низкочастотные звуки имеют низкие показатели частоты, и наоборот. Частота звука измеряется в Герцах, и если она превышает 20 000 Гц, то возникает ультразвук. Примеров низкочастотных и высокочастотных звуков в природе и окружающем человека мире достаточно. Щебетание соловья, раскаты грома, грохот горной реки и другие - это все разные звуковые частоты. Значение амплитуды волны напрямую зависит от того, насколько звук громок. Громкость же, в свою очередь, уменьшается по мере удаления от источника звука. Соответственно, и амплитуда тем меньше, чем дальше от эпицентра находится волна. Другими словами, амплитуда звуковой волны уменьшается при удалении от источника звука.

Скорость звука

Этот показатель звуковой волны находится в прямой зависимости от характера среды, в которой она распространяется. Значимую роль здесь играют и влажность, и температура воздуха. В средних погодных условиях скорость звука составляет приблизительно 340 метров в секунду. В физике существует такое понятие, как сверхзвуковая скорость, которая всегда по значению больше, чем скорость звука. С такой скоростью распространяются звуковые волны при движении самолета. Самолет движется со сверхзвуковой скоростью и даже обгоняет звуковые волны, создаваемые им. Вследствие давления, постепенно увеличивающегося позади самолета, образуется ударная звуковая волна. Интересна и мало кому известна единица измерения такой скорости. Называется она Мах. 1 Мах равен скорости звука. Если волна движется со скоростью 2 Маха, значит, она распространяется в два раза быстрее, чем скорость звука.

Шумы

В повседневной жизни человека присутствуют постоянные шумы. Измеряется уровень шума в децибелах. Движение автомобилей, ветер, шелест листвы, переплетение голосов людей и другие звуковые шумы являются нашими спутниками ежедневно. Но к таким шумам слуховой анализатор человека имеет возможность привыкать. Однако существуют и такие явления, с которыми даже приспособительные способности человеческого уха не могут справиться. Например, шум, превышающий 120 дБ, способен вызвать ощущение боли. Самое громкое животное - синий кит. Когда он издает звуки, его можно услышать на расстоянии более 800 километров.

Эхо

Как возникает эхо? Здесь все очень просто. Звуковая волна имеет способность отражаться от разных поверхностей: от воды, от скалы, от стен в пустом помещении. Эта волна возвращается к нам, поэтому мы слышим вторичный звук. Он не такой четкий, как первоначальный, поскольку некоторая энергия звуковой волны рассеивается при движении до преграды.

Эхолокация

Отражение звука используется в различных практических целях. Например, эхолокация. Она основана на том, что с помощью ультразвуковых волн можно определить расстояние до объекта, от которого эти волны отражаются. Расчеты осуществляются при измерении времени, за которое ульразвук доберется до места и вернется обратно. Способностью к эхолокации обладают многие животные. Например, летучие мыши, дельфины используют ее для поиска пищи. Другое применение эхолокация нашла в медицине. При исследованиях с помощью ультразвука образуется картинка внутренних органов человека. В основе такого метода находится то, что ультразвук, попадая в отличную от воздуха среду, возвращается обратно, формируя таким образом изображение.

Звуковые волны в музыке

Почему музыкальные инструменты издают те или иные звуки? Гитарные переборы, наигрыши пианино, низкие тона барабанов и труб, очаровывающий тонкий голосок флейты. Все эти и многие другие звуки возникают по причине колебаний воздуха или, другими словами, из-за появления звуковых волн. Но почему звучание музыкальных инструментов настолько разнообразное? Оказывается, это зависит от некоторых факторов. Первое - это форма инструмента, второе - материал, из которого он изготовлен.

Рассмотрим это на примере струнных инструментов. Они становятся источником звука, когда на струны воздействуют касанием. Вследствие этого они начинают производить колебания и посылать в окружающую среду разные звуки. Низкий звук какого-либо струнного инструмента обусловлен большей толщиной и длиной струны, а также слабостью ее натяжения. И наоборот, чем сильнее натянута струна, чем она тоньше и короче, тем более высокий звук получается в результате игры.

Действие микрофона

Оно основано на преобразовании энергии звуковой волны в электрическую. В прямой зависимости при этом находятся сила тока и характер звука. Внутри любого микрофона расположена тонкая пластина, выполненная из металла. При воздействии звуком она начинает совершать колебательные движения. Спираль, с которой соединена пластинка, также вибрирует, в результате чего возникает электрический ток. Почему он появляется? Это связано с тем, что в микрофоне также встроены магниты. При колебаниях спирали между его полюсами и образуется электрический ток, который идет по спирали и далее - на звуковую колонку (громкоговоритель) или к технике для записи на информационный носитель (на кассету, диск, компьютер). Кстати, аналогичное строение имеет микрофон в телефоне. Но как действуют микрофоны на стационарном и мобильном телефоне? Начальная фаза одинакова для них - звук человеческого голоса передает свои колебания на пластинку микрофона, далее все по описанному выше сценарию: спираль, которая при движении замыкает два полюса, создается ток. А что дальше? Со стационарным телефоном все более-менее понятно - как и в микрофоне, звук, преобразованный в электрический ток, бежит по проводам. А как же обстоит дело с сотовым телефоном или, например, с рацией? В этих случаях звук превращается в энергию радиоволн и попадает на спутник. Вот и все.

Явление резонанса

Иногда создаются такие условия, когда амплитуда колебаний физического тела резко возрастает. Это происходит вследствие сближения значений частоты вынужденных колебаний и собственной частоты колебаний предмета (тела). Резонанс может приносить как пользу, так и вред. Например, чтобы вызволить машину из ямки, ее заводят и толкают взад-вперед для того, чтобы вызвать резонанс и придать автомобилю инерцию. Но бывали и случаи негативного последствия резонанса. К примеру, в Петербурге приблизительно сто лет назад рухнул мост под синхронно шагающими солдатами.

Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.

Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.

Дифракция звука

Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.

Способность волны огибать препятствие называется дифракцией .

Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.

Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.

Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.

В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D , или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.

Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.

Отражение звука

В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.

Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени .

Отражённый от препятствия звук называется эхом .

Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.

Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.

Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.

Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.

Выпуклая поверхность звук рассеивает.

Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.

Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.

Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.

Преломление звука

Изменение направления распространения звука называется преломлением . Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.

Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.

где i – угол падения,

r – угол отражения,

v 1 – скорость распространения звука в первой среде,

v 2 – скорость распространения звука во второй среде,

n – показатель преломления.

Преломление звука называют рефракцией .

Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о, то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.

Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.

В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.

Поглощение звука

При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.

Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин . Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.

Реверберация

Уоллес Сэбин

Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации .

Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации .

Самой важной характеристикой помещения является время реверберации , которое ввёл и вычислил Сэбин.

где V – объём помещения,

А – общее звукопоглощение.

где a i – коэффициент звукопоглощения материала,

S i - площадь каждой поверхности.

Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.

По результатам своих вычислений Сэбин расположил звукопоглощающие материалы таким образом, что уменьшился «эффект эха». А Симфонический Зал Бостона, при создании которого он был акустическим консультантом, до сих пор считается одним из лучших залов в мире.