Акустические или звуковые колебания и волны

Лекция 7

Звук – это особый вид механических колебаний упругой среды, способный вызвать слуховые ощущения. При нарушении стационарного состояния среды каким-либо источником механических колебаний происходит локальное сжатие частиц среды, которые с определенной скоростью передаются в пространство.

Звуковой или акустической волной называется процесс последовательной передачи колебательного движения в упругой среде.

Звуковая волна характеризуется следующими свойствами:

- амплитудой А;

- частотой колебаний f;

- звуковым или акустическим давлением P;

- формой волны;

- скоростью распространения с.

АмплитудойА колебаний звуковой волны называется максимальное расстояние, на которое смещаются отдельные частицы среды, в которой волна распространяется, от положения равновесия.

Частотой звуковых колебаний f (в отличие от более общего обозначения частоты механических колебаний ν) называется число колебаний частиц среды в течение одной секунды. Измеряется в герцах (Гц).

Звуковым давлениемP называется давление, которое возникает при деформациях сжатия и разрежения, вызванных действием акустических волн.

Форма волны определяется графическим представлением зависимости звукового давления от времени t.

Чаще всего звуковая волна является продольной. Как уже известно, волна называется продольной, если направление движения частиц среды совпадает с направлением распространения возмущения (т.е. передачи энергии механических колебаний) в упругой среде.

Если направление движения частиц перпендикулярно направлению распространения возмущения, то такая волна называется поперечной. В газах (в т. ч. в воздухе) распространяются только продольные волны, в твердых телах могут быть и продольные и поперечные волны.

Следует отметить, что звуковая волна переносит только механическую энергию движения (возмущение). Сами частицы не переносятся, они только колеблются около своего положения равновесия. После прохождения волны среда остается неподвижной. Ощущения ветра при распространении звуковой волны не наблюдается, т.к. массы воздуха при этом не переносятся.

Скорость звуковой волны, частота колебаний и длина волны связаны соотношением:

(13.1)

Например, если частота равна f = 340 Гц, а скорость звука с = 340 м/с, то длина волны λ = 1 м.

Следует еще раз напомнить, что скорость смещения частиц от своего положения равновесия v и скорость распространения звуковой волны с в данной среде – принципиально разные величины: частицы воздуха имеют скорость v ≈ 5 мм/с (для среднего уровня громкости), а звуковая волна в воздухе распространяется в воздухе со скоростью 343 м/с (при 20°С). При этом скорость колебания частиц зависит от частоты и амплитуды звукового сигнала, а скорость звука – только от свойств среды (температуры, плотности, упругости).

Зависимость скорости распространения звуковой волны от свойств среды, в которой звуковая волна распространяется, а именно от плотности и упругости среды, выражается формулой (см. ф-лу (4.6) лекция 2):

(13.2)

где Е – модуль продольной упругости (модуль Юнга) той среды, в которой звуковая волна распространяется, и который определяет силу взаимодействия частиц друг с другом; ρ = m / V (кГ/м²) – плотность среды.

Поскольку упругость твердых тел больше, чем упругость жидкостей и газов, то соотношение скоростей звука в этих средах, очевидно, будет следующим:

С _{твердого тела} > С _{жидкости} > С _газа,

т.е. скорость звука в твердых телах больше, чем в жидкостях и газах.

Значения скоростей распространения звука для разных материалов приведены в табл. 13.1.

Таблица 13.1