Сначала рассмотрим природу звуковых колебаний. Как известно из физики источником любых колебаний: звуковых, электромагнитных есть волна.

Упругие волны, которые распространяются в сплошных средах, называют звуковыми. К звуковым волнам принадлежат волны, частоты которых лежит в пределах восприятия органами слуха. Человек воспринимает звуки тогда, когда на его органы слуха действуют волны с частотами от 16 до 20 000 Гц. Упругие волны, частота которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны, частота которых лежит в интервале от 2 Ч 104 до 1 Ч 109 Гц - ультразвуковыми.

В разных средах звуковые волны распространяются с разной скоростью, которая зависит от плотности вещества. В вакууме звук вовсе не распространяется из-за отсутствия среды. К примеру, в среднем, в идеальных условиях, скорость звука составляет 340--344 м/с. В таблице 1 представлены скорости звука для разных сред:

Таблица 1.

Раздел физики, в котором изучаются звуковые волны (их возбуждение, распространение, восприятие и взаимодействие их с препятствиями и веществом среды) называют акустикой.

Развитие техники позволило проводить и визуальное наблюдение звука. Для этого используют специальные датчики и микрофоны и наблюдают звуковые колебания на экране осциллографа.

В авиации, как ни странно скорость звука имеет не маловажную роль.

Ведь всем известно, что сейчас существуют сверхзвуковые самолеты. Из названия видно, что эти самолеты способны летать на скоростях на много больших скорости звука. Скорость звука в километрах в час составляет около

1400 км/ч. На земле такие скорости кажутся невозможными, но в воздухе совсем другое дело.

При прохождении самолетом звукового барьера раздается громкий хлопок. Это происходит из-за того, что позади самолета создается вакуумный карман, который с большой скоростью захлопывается и издает тот самый громкий хлопок. Преодоление звукового барьера может повредить обшивку самолета.

Глава 2. Основные характеристики звуковых волн

К основным характеристикам звуковых волн относят скорость звука, его интенсивность - это объективные характеристики звуковых волн, высоту тона, громкость относят к субъективным характеристикам. Субъективные характеристики зависят в большой мере от восприятия звука конкретным человеком, а не от физических характеристик звука.

Измерение скорости звука в твердых телах, жидкостях и газах указывают на то, что скорость не зависит от частоты колебаний или длины звуковой волны, т.е. для звуковых волн не характерна дисперсия. В твердых телах могут распространяться продольные и поперечные волны, скорость распространения которых находят с помощью формул:

, ,

где Е - модуль Юнга, с - плотность, G - модуль сдвига в твердых телах. В твердых телах скорость распространения продольных волн почти в два раза больше чем скорость распространения поперечных волн.

В жидкостях и газах могут распространяться лишь продольные волны. Скорость звука в воде находят по формуле:

,

где K- модуль объемного сжатия вещества.

В жидкостях при возрастании температуры скорость звука возрастает, что связано с уменьшением коэффициента объемного сжатия жидкости.

Для газов выведена формула, которая связывает их давление с плотностью:

( 1.1 ),

впервые эту формулу для нахождения скорости звука в газах использовал И. Ньютон. Из формулы (1.1) видно, что скорость распространения звука в газах не зависит от температуры, она также не зависит от давления, поскольку при возрастании давления возрастает и плотность газа. Формуле ( 1.1 ) можно придать и более рациональный вид: на основе уравнения Менделеева - Клапейрона

,

тогда скорость звука будет равна:

( 1.2 ).

Формула ( 1.2 ) носит название формулы Ньютона. Рассчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляет при 273К 280 м/с. Реальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с. Этот результат значительно отличается от теоретического и причину этого установил Лаплас. Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатно.

Звуковые волны в газах распространяются так быстро, что созданные локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой.

2.2 Распространение звуковых волн

В процессе распространения звуковых волн в среде происходит их затухание. Амплитуда колебаний частиц среды постепенно уменьшается при возрастании расстояния от источника звука. Одной из основных причин затухания волн есть действие сил внутреннего трения на частицы среды. На преодоление этих сил непрерывно используется механическая энергия колебательного движения, что переносится волной. Эта энергия превращается в энергию хаотического теплового движения молекул и атомов среды. Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то при распространении волн от источника звука вместе с уменьшением запаса энергии колебательного движения уменьшается и амплитуда колебаний. На распространение звуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотах, потоки воздуха и т.п. Эхо - это отраженный от поверхности звук. Звуковые волны могут отражаться от твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температура отличается от температуры соседних слоев. В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящийся сферической волны, которая заполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные источниками звука, передаются массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны - распространяются дальше.

2.3 Интенсивность звука

Для сравнения интенсивности L звука или звукового давления используют уровень интенсивности. Уровнем интенсивности называют умноженное на 10 логарифм отношение двух интенсивностей звука. Величина L измеряется в децибелах.

Для указания абсолютного уровня интенсивности вводят стандартный порог слышимости человеческого уха на частоте 1000 Гц, по отношению к которому указывается интенсивность.

Порог слышимости равен:

В таблице 2 представлены интенсивности различных природных и техногенных звуков и их интенсивности.

Таблица 2.

2.4 Объективные характеристики звука

Любое тело, которое находится в упругой среде и колеблется со звуковой частотой, является источником звука. Источника звука можно поделить на две группы: источники, которые работают на собственной частоте, и источники, которые работают на вынужденных частотах. К первой группе принадлежат источники, звуки в которых создаются колебаниями струн, камертонов, воздушных столбов в трубах. Ко второй группе источников звука принадлежат динамики. Способность тел излучать звук зависит от размера их поверхности. Чем большая площадь поверхности тела, тем лучше оно излучает звук. Так, натянутая между двумя точками струна или камертон создают звук довольно малой интенсивности. Для усиления интенсивности звука струн и камертонов их объединяют с резонаторными ящиками, которым присущий ряд резонансных частот. Звучание струнных и духовых музыкальных инструментов основано на образовании стоящих волн в струнах и воздушных столбах.

Интенсивность звука, которая создается источником, зависит не только от его характеристик, но и от помещения, в котором находится этот источник. После прекращения действия источника звука рассеянный звук не исчезает внезапно. Это объясняется отражением звуковых волн от стен помещения. Время, на протяжении которого после прекращения действия источника звук полностью исчезает, называют временем реверберации. Условно считают, что время реверберации равняется промежутку времени, на протяжении которого интенсивность звука уменьшится в миллион раз.

Время реверберации - это важная характеристика акустических свойств концертных залов, кинозалов, аудиторий и др. При большом времени реверберации музыка звучит довольно громко, но невыразительно.

При малом времени реверберации музыка звучат слабо и глухо. Поэтому в каждом конкретном случае добиваются наиболее оптимальных акустических характеристик помещений.

2.5 Субъективные характеристики звука

Человек ощущает звуки, которые лежат в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Чувствительность органов слуха человека для разных частот неодинаковая. Для того, чтобы человек реагировал на звук, необходимо, чтобы его интенсивность была не меньше минимальной величины, которая носит название порога слышимости. Порог слышимости для разных частот неодинаковый. Людское ухо имеет наибольшую чувствительность к колебаниям частотой от 1 до 3 кГц. Порог слышимости для этих частот составляет около Дж/м. При значительном возрастании интенсивности звука ухо перестает воспринимать колебания как звук. Такие колебания вызывают ощущение боли. Наибольшую интенсивность звука, при которой человек воспринимает колебания как звук, называют порогом болевого ощущения. Порог болевых ощущений при указанных частотах отвечает интенсивности звука 1 Дж/м.

Звук как физическое явление характеризируют частотой, интенсивностью или звуковым давлением, набором частот. Это объективные характеристики звука. Органы слуха человека способны различать звук по таким характеристикам как громкость, высота тона, тембр. Эти характеристики имеют субъективный характер.

Физическому понятию интенсивности звука отвечает громкость звука. Субъективную громкость звука нельзя точно количественно измерить.

Высота звука определяется его частотой, чем больше частота, тем большим будет высота звука. Органы слуха человека довольно точно ощущают изменение частоты. В области частот 2 кГц может воспринимать два тона, частота которых отличается на 3 - 6 Гц.

Тембр звука определяется его спектральным составом. Тембр - это оттенок сложного звука, которым отличаются два звука одинаковой силы и высоты.

Глава 3. Эффект Доплера для звука

Скорость распространения звуковых волн в среде не зависит от движения источника и приемника звука. Опыт показывает, что когда источник и приемник звука, неподвижны относительно среды, в которой распространяются звуковые волны, то частота звука, которую генерирует источник, равняется частоте, которую регистрирует приемник. Совсем другая картина, когда источник звука и приемник находятся в движении относительно среды в которой распространяется звук. При этом частота звука, которую регистрирует приемник, отличается от частоты звука, которую генерирует источник. Изменение частоты звука, который воспринимается при относительном движении источника и приемника звука, называется эффектом или явлением Доплера. Примером эффекта Доплера будет изменение частоты гудка тепловоза во время движения и в состоянии покоя (рис. 1). Эффект Доплера наблюдается и для электромагнитных волн.

Рис. 1.

Источник волн перемещается налево. Тогда слева частота волн становится выше (больше), а справа -- ниже (меньше), другими словами, если источник волн догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется -- длина волны увеличивается.

Глава 4. Ультразвук