Який за способом розповсюдження є звукова хвиля. Розповсюдження звуку закони поширення звуку
Лютий 18, 2016
Світ домашніх розваг досить різноманітний і може включати: перегляд кіно на хорошій домашній кінотеатральній системі; захоплюючий та захоплюючий ігровий процес або прослуховування музичних композицій. Як правило, кожен знаходить щось своє в цій галузі, або поєднує все одразу. Але якими б не були цілі людини з організації свого дозвілля і в яку крайність не вдарялися - всі ці ланки міцно пов'язані одним простим і зрозумілим словом - "звук". Справді, у всіх випадках нас буде вести за ручку звуковий супровід. Але питання це не таке просте і тривіальне, особливо в тих випадках, коли з'являється бажання досягти якісного звучання в приміщенні або будь-яких інших умовах. Для цього не завжди обов'язково купувати дорогі hi-fi або hi-end компоненти (хоча буде вельми доречним), а буває достатнім гарне знання фізичної теорії, яка здатна усунути більшість проблем, що виникають у всіх, хто поставив за мету отримати озвучення високої якості.
Далі буде розглянуто теорію звуку та акустики з погляду фізики. В даному випадку я постараюся зробити це максимально доступно для розуміння будь-якої людини, яка, можливо, далека від знання фізичних законів або формул, але пристрасно мріє втіленням мрії створення досконалої акустичної системи. Я не беруся стверджувати, що для досягнення хороших результатів у цій галузі в домашніх умовах (або в автомобілі, наприклад) необхідно знати ці теорії досканально, проте розуміння основ дозволить уникнути безліч дурних і абсурдних помилок, а також дозволить досягти максимального ефекту звучання від системи будь-якого рівня.
Загальна теорія звуку та музична термінологія
Що ж таке звук? Це відчуття, яке сприймає слуховий орган "вухо"(саме собою явище існує і без участі «вуха» в процесі, але так простіше для розуміння), що виникає при збудженні барабанної перетинки звуковою хвилею. Вухо у разі виступає у ролі " приймача " звукових хвиль різної частоти. 
Звукова хвиляж є по суті послідовний ряд ущільнень і розряджень середовища (найчастіше повітряного середовища в нормальних умовах) різної частоти. Природа звукових хвиль коливальна, викликана і вироблена вібрацією будь-яких тіл. Виникнення та поширення класичної звукової хвилі можливе у трьох пружних середовищах: газоподібних, рідких та твердих. При виникненні звукової хвилі в одному з цих типів простору неминуче виникають деякі зміни в середовищі, наприклад, зміна щільності або тиску повітря, переміщення частинок повітряних мас і т.д.
Оскільки звукова хвиля має коливальну природу, то вона має така характеристика, як частота. Частотавимірюється в герцах (на честь німецького фізика Генріха Рудольфа Герца), і позначає кількість коливань за період часу, що дорівнює одній секунді. Тобто. наприклад, частота 20 Гц позначає цикл 20 коливань за одну секунду. Від частоти звуку залежить суб'єктивне поняття його висоти. Чим більше звукових коливань відбувається за секунду, тим вище здається звучання. У звукової хвилі також є ще одна найважливіша характеристика, що має назву - довжина хвилі. Довжиною хвиліприйнято вважати відстань, яка проходить звук певної частоти за період, що дорівнює одній секунді. Наприклад, довжина хвилі найнижчого звуку в чутному діапазоні людини частотою 20 Гц становить 16,5 метрів, а довжина хвилі найвищого звуку 20000 Гц становить 1,7 сантиметра.
Людське вухо влаштоване таким чином, що здатне сприймати хвилі лише в обмеженому діапазоні, приблизно 20 Гц - 20000 Гц (залежить від особливостей конкретної людини, хтось здатний чути трохи більше, хтось менше). Таким чином, це не означає, що звуків нижче або вище за ці частоти не існує, просто людським вухом вони не сприймаються, виходячи за кордон чутного діапазону. Звук вище чутного діапазону називається ультразвуком, звук нижче чутного діапазону називається інфразвуком. Деякі тварини здатні сприймати ультра та інфра звуки, деякі навіть використовують цей діапазон для орієнтування у просторі (кажани, дельфіни). У разі, якщо звук проходить через середовище, яке безпосередньо не стикається з органом слуху людини, такий звук може бути не чуємо або сильно ослабленим згодом.
У музичній термінології звуку є такі важливі позначення, як октава, тон і обертон звуку. Октаваозначає інтервал, в якому співвідношення частот між звуками становить 1 до 2. Октава зазвичай дуже добре помітна на слух, тоді як звуки в межах цього інтервалу можуть бути дуже схожими один на одного. Октавой також можна назвати звук, який робить удвічі більше коливань, ніж інший звук, в однаковий часовий період. Наприклад, частота 800 Гц, є ні що інше, як вища октава 400 Гц, а частота 400 Гц у свою чергу є наступною октавою звуку частотою 200 Гц. Октава у свою чергу складається з тонів та обертонів. Змінні коливання в гармонійній звуковій хвилі однієї частоти сприймаються людським вухом як музичний тон. Коливання високої частоти можна інтерпретувати як звуки високого тону, коливання низької частоти як звуки низького тону. Людське вухо здатне чітко відрізняти звуки з різницею один тон (в діапазоні до 4000 Гц). Незважаючи на це, в музиці використовується дуже мало тонів. Пояснюється це з міркувань принципу гармонійної співзвучності, все ґрунтується на принципі октав.
Розглянемо теорію музичних тонів з прикладу струни, натягнутої певним чином. Така струна, залежно від сили натягу, матиме налаштування на якусь одну конкретну частоту. При дії на цю струну чимось із однією певною силою, що викличе її коливання, стабільно спостерігатиметься якийсь один певний тон звуку, ми почуємо шукану частоту налаштування. Цей звук називається головним тоном. За основний тон у музичній сфері офіційно прийнято частоту ноти "ля" першої октави, що дорівнює 440 Гц. Однак більшість музичних інструментів ніколи не відтворюють одні чисті основні тони, їх неминуче супроводжують призвуки, іменовані обертонами. Тут варто згадати важливе визначення музичної акустики, поняття тембру звуку. Тембр- це особливість музичних звуків, які надають музичним інструментам та голосам їх неповторну впізнавану специфіку звучання, навіть якщо порівнювати звуки однакової висоти та гучності. Тембр кожного музичного інструменту залежить від розподілу звукової енергії обертонами в момент появи звуку.
Обертони формують специфічне забарвлення основного тону, яким ми легко можемо визначити й дізнатися конкретний інструмент, а як і чітко відрізнити його звучання від іншого інструмента. Обертони бувають двох типів: гармонійні та негармонічні. Гармонічні обертониза визначенням кратні частоті основного тону. Навпаки, якщо обертони не кратні і помітно відхиляються від величин, вони називаються негармонічними. У музиці практично виключається оперування некратними обертонами, тому термін зводиться до поняття "обертон", маючи на увазі гармонічний. У деяких інструментів, наприклад, фортепіано, основний тон навіть не встигає сформуватися, за короткий проміжок відбувається наростання звукової енергії обертонів, а потім так само стрімко відбувається спад. Багато інструментів створюють так званий ефект "перехідного тону", коли енергія певних обертонів максимальна в певний момент часу, зазвичай на самому початку, але потім різко змінюється і переходить до інших обертонів. Частотний діапазон кожного інструменту можна розглянути окремо, і він зазвичай обмежується частотами основних тонів, який здатний відтворювати цей конкретний інструмент.
Теоретично звуку також є таке поняття як ШУМ. Шум- це будь-який звук, який створюється сукупністю неузгоджених між собою джерел. Всім добре знайомий шум листя дерев, колихається вітром і т.д.
Від чого залежить гучність звуку?Очевидно, що подібне явище безпосередньо залежить від кількості енергії, що переноситься звуковою хвилею. Для визначення кількісних показників гучності існує поняття - інтенсивність звуку. Інтенсивність звукувизначається як потік енергії, що пройшов через якусь площу простору (наприклад, см2) за одиницю часу (наприклад, за секунду). При звичайній розмові інтенсивність становить приблизно 9 або 10 Вт/см2. Людське вухо здатне сприймати звуки досить широкого діапазону чутливості, у своїй сприйнятливість частот неоднорідна не більше звукового спектра. Так найкраще сприймається діапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, який найбільш широко охоплює людську мову.
Оскільки звуки настільки сильно різняться за інтенсивністю, зручніше розглядати її як логарифмічну величину та вимірювати в децибелах (на честь шотландського вченого Олександра Грема Белла). Нижній поріг слухової чутливості людського вуха становить 0 Дб, верхній 120 Дб, він ще називається "больовий поріг". Верхня межа чутливості також сприймається людським вухом не однаково, а залежить від конкретної частоти. Звуки низьких частот повинні мати набагато більшу інтенсивність, ніж високі, щоб викликати больовий поріг. Наприклад, больовий поріг на низькій частоті 31,5 Гц настає при рівні сили звуку 135 дБ, коли на частоті 2000 Гц відчуття болю з'явиться вже при 112 дБ. Є також поняття звукового тиску, яке фактично розширює звичне пояснення поширення звукової хвилі повітря. Звуковий тиск- це змінний надлишковий тиск, що виникає в пружному середовищі в результаті проходження через неї звукової хвилі.
Хвильова природа звуку
Щоб краще зрозуміти систему виникнення звукової хвилі, уявімо класичний динамік, що знаходиться в трубі, наповненій повітрям. Якщо динамік здійснить різке рух уперед, повітря, що у безпосередній близькості дифузора на мить стискається. Після цього повітря розшириться, штовхаючи тим самим стисну повітряну область вздовж труби. 
Ось цей хвильовий рух і буде згодом звуком, коли досягне слухового органу і збудить барабанну перетинку. У разі звукової хвилі у газі створюється надлишковий тиск, надлишкова щільність і відбувається переміщення частинок з постійною швидкістю. Про звукові хвилі важливо пам'ятати те, що речовина не переміщається разом із звуковий хвилею, а виникає лише тимчасове обурення повітряних мас.
Якщо уявити поршень, підвішений у вільному просторі на пружині і здійснює повторювані рухи "вперед-назад", то такі коливання будуть називатися гармонійними або синусоїдальними (якщо уявити хвилю у вигляді графіка, то отримаємо в цьому випадку чисту синусоїду з спадами, що повторюються). Якщо уявити динамік в трубі (як і в прикладі, описаному вище), що здійснює гармонічні коливання, то в момент руху динаміка "вперед" виходить відомий ефект стиснення повітря, а при русі динаміка "назад" зворотний ефект розрядження. У цьому випадку по трубі буде поширюватися хвиля стиснень і розріджень, що чергуються. Відстань уздовж труби між сусідніми максимумами або мінімумами (фазами) називатиметься довжиною хвилі. Якщо частки коливаються паралельно до напряму поширення хвилі, то хвиля називається поздовжній. Якщо ж вони коливаються перпендикулярно до напряму поширення, то хвиля називається поперечної. Зазвичай звукові хвилі в газах і рідинах - поздовжні, у твердих тілах можливе виникнення хвиль обох типів. Поперечні хвилі у твердих тілах виникають завдяки опору до зміни форми. Основна різниця між цими двома типами хвиль полягає в тому, що поперечна хвиля має властивість поляризації (коливання відбуваються у певній площині), а поздовжня – ні.
Швидкість звуку
Швидкість звуку безпосередньо залежить від характеристик середовища, в якому він поширюється. Вона визначається (залежна) двома властивостями середовища: пружністю та щільністю матеріалу. Швидкість звуку в твердих тілах безпосередньо залежить від типу матеріалу та його властивостей. Швидкість у газових середовищах залежить лише від одного типу деформації середовища: стиснення-розрідження. Зміна тиску в звуковій хвилі відбувається без теплообміну з навколишніми частинками і зветься адіабатичним. 
Швидкість звуку в газі залежить в основному від температури - зростає у разі підвищення температури і падає при зниженні. Так само швидкість звуку в газоподібному середовищі залежить від розмірів і маси самих молекул газу, - чим маса і розмір частинок менше, тим "провідність" хвилі більша і більша відповідно до швидкості.
У рідкому та твердому середовищах принцип поширення та швидкість звуку аналогічні тому, як хвиля поширюється в повітрі: шляхом стиснення-розрядження. Але в цих середовищах, крім тієї ж залежності від температури, досить важливе значення має щільність середовища та її склад/структура. Чим менша щільність речовини, тим швидкість звуку вища і навпаки. Залежність від складу середовища складніше і визначається у кожному конкретному випадку з урахуванням розташування та взаємодії молекул/атомів.
Швидкість звуку повітря при t, °C 20: 343 м/с
Швидкість звуку у дистильованій воді при t, °C 20: 1481 м/с
Швидкість звуку сталі при t, °C 20: 5000 м/с
Стоячі хвилі та інтерференція
Коли динамік створює звукові хвилі в обмеженому просторі, неминуче виникає ефект відображення хвиль від кордонів. В результаті цього найчастіше виникає ефект інтерференції- коли дві чи більше звукових хвиль накладаються друг на друга. Особливими випадками явища інтерференції є утворення: 1) биття хвиль або 2) стоячих хвиль. Биття хвиль- це випадок, коли відбувається складання хвиль з близькими частотами та амплітудою. Картина виникнення биття: коли дві схожі за частотою хвилі накладаються одна на одну. У якийсь момент часу при такому накладенні амплітудні піки можуть збігатися "по фазі", а також можуть збігатися і спади по "протифазі". Саме так і характеризуються биття звуку. Важливо пам'ятати, що на відміну стоячих хвиль, фазові збіги піків відбуваються не завжди, а через якісь тимчасові проміжки. На слух така картина биття відрізняється досить чітко, і чується як періодичне наростання і зменшення гучності відповідно. Механізм виникнення цього ефекту гранично простий: у момент збігу піків гучність наростає, у момент збігу спадів гучність зменшується.
Стоячі хвилівиникають у разі накладання двох хвиль однакової амлітуди, фази та частоти, коли при "зустрічі" таких хвиль одна рухається у прямому, а інша – у зворотному напрямку. У ділянці простору (де утворилася стояча хвиля) виникає картина накладання двох частотних амплітуд, з чергуванням максимумів (т.зв. пучностей) і мінімумів (т.зв. вузлів). У разі цього явища вкрай важливе значення має частота, фаза і коефіцієнт згасання хвилі у місці відбиття. На відміну від хвиль, що біжать, у стоячій хвилі відсутня перенесення енергії внаслідок того, що утворюють цю хвилю пряма і зворотна хвилі переносять енергію в рівних кількостях і в прямому і в протилежному напрямках. Для наочного розуміння виникнення стоячої хвилі, представимо приклад із домашньої акустики. Припустимо, у нас є акустичні системи підлоги в деякому обмеженому просторі (кімнаті). Змусивши їх грати якусь композицію з великою кількістю басу, спробуємо змінити розташування слухача в приміщенні. Таким чином слухач, потрапивши в зону мінімуму (віднімання) стоячої хвилі, відчує ефект того, що баса стало дуже мало, а якщо слухач потрапляє в зону максимуму (складання) частот, то виходить зворотний ефект суттєвого збільшення басової області. При цьому ефект спостерігається у всіх октав базової частоти. Наприклад, якщо базова частота становить 440 Гц, то явище "додавання" або "віднімання" буде спостерігатися також на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц і т.д.
Явище резонансу
Більшість твердих тіл є власна частота резонансу. Зрозуміти цей ефект досить просто на прикладі звичайної труби, відкритої лише з одного кінця. Уявімо ситуацію, що з іншого кінця труби приєднується динамік, який може грати якусь одну постійну частоту, її також можна змінювати. Так от, труба має власну частоту резонансу, кажучи простою мовою - це частота, на якій труба "резонує" або видає свій власний звук. Якщо частота динаміка (в результаті регулювання) співпаде із частотою резонансу труби, то виникне ефект збільшення гучності у кілька разів. Це відбувається тому, що гучномовець збуджує коливання повітряного стовпа в трубі зі значною амплітудою до тих пір, поки не знайдеться та сама «резонансна частота» і відбудеться ефект додавання. Виникне явище можна описати наступним чином: труба в цьому прикладі "допомагає" динаміку, резонуючи на конкретній частоті, їх зусилля складаються і "виливаються" в гучний ефект. На прикладі музичних інструментів легко простежується це явище, оскільки конструкції більшості присутні елементи, звані резонаторами. 
Неважко здогадатися, що має на меті посилити певну частоту або музичний тон. Для прикладу: корпус гітари з резонатором у вигляді отвору, що сполучається з об'ємом; Конструкція трубки у флейти (і всі труби взагалі); Циліндрична форма корпусу барабана, який сам собою є резонатором певної частоти.
Частотний спектр звуку та АЧХ
Оскільки практично практично не зустрічаються хвилі однієї частоти, виникає необхідність розкладання всього звукового спектру чутного діапазону на обертони чи гармоніки. Для цього існують графіки, які відображають залежність відносної енергії звукових коливань від частоти. Такий графік називається графіком частотного діапазону звуку. Частотний спектр звукубуває двох типів: дискретний та безперервний. Дискретний графік спектра відображає частоти окремо, розділені порожніми проміжками. У безперервному спектрі присутні відразу всі звукові частоти. 
У випадку музики або акустики найчастіше використовується звичайний графік Амплітудно-Частота Характеристики(Скорочено "АЧХ"). На такому графіку представлена залежність амплітуди звукових коливань від частоти протягом усього діапазону частот (20 Гц - 20 кГц). Дивлячись на такий графік легко зрозуміти, наприклад, сильні або слабкі сторони конкретного динаміка або акустичної системи в цілому, найбільш сильні ділянки енергетичної віддачі, частотні спади та підйоми, згасання, а також простежити крутість спаду.
Поширення звукових хвиль, фаза та протифаза
Процес поширення звукових хвиль відбувається у всіх напрямках джерела. Найпростіший приклад для розуміння цього явища: камінчик, кинутий у воду. 
Від місця, куди впав камінь, починають розходитися хвилі по поверхні води у всіх напрямках. Однак, уявимо ситуацію з використанням динаміка в певному обсязі, допустимо закритому ящику, який підключений до підсилювача і відтворює якийсь музичний сигнал. Неважко помітити (особливо за умови, якщо подати потужний НЧ сигнал, наприклад бас-бочку), що динамік здійснює стрімкий рух "вперед", а потім такий самий стрімкий рух "назад". Залишається зрозуміти, що коли динамік здійснює рух уперед, він випромінює звукову хвилю, яку чуємо згодом. А ось що відбувається, коли динамік здійснює рух назад? А відбувається парадоксально те саме, динамік робить той же звук, тільки поширюється він у нашому прикладі повністю в межах обсягу ящика, не виходячи за його межі (скринька закрита). В цілому, на наведеному вище прикладі можна спостерігати досить багато цікавих фізичних явищ, найбільш значущим є поняття фази.
Звукова хвиля, яку динамік, перебуваючи в обсязі, випромінює у напрямку слухача - знаходиться "у фазі". Зворотна хвиля, яка йде в об'єм ящика, буде відповідно протифазною. Залишається тільки зрозуміти, що мають на увазі ці поняття? Фаза сигналу- Це рівень звукового тиску в даний момент часу в якійсь точці простору. Фазу найпростіше зрозуміти на прикладі відтворення музичного матеріалу звичайною стерео-парою підлоги домашніх акустичних систем. Уявімо, що дві такі колонки встановлені в деякому приміщенні і грають. Обидві акустичні системи у разі відтворюють синхронний сигнал змінного звукового тиску, причому звуковий тиск однієї колонки складається зі звуковим тиском інший колонки. Відбувається подібний ефект рахунок синхронності відтворення сигналу лівої і правої АС відповідно, іншими словами, піки і спади хвиль, випромінюваних лівими і правими динаміками збігаються.
А тепер уявімо, що тиск звуку, як і раніше, змінюються однаковим чином (не зазнали змін), але тільки тепер протилежно один одному. Подібне може статися, якщо підключити одну акустичну систему з двох у зворотній полярності ("+" кабель від підсилювача до "-" клеми акустичної системи, і "-" кабель від підсилювача до "+" клеми акустичної системи). У цьому випадку протилежний у напрямку сигнал викличе різницю тисків, яку можна представити у вигляді чисел наступним чином: ліва акустична система буде створювати тиск "1 Па", а права акустична система буде створювати тиск "мінус 1 Па". В результаті, сумарна гучність звуку в точці розміщення слухача дорівнюватиме нулю. Це називається протифазою. Якщо розглядати приклад більш детально для розуміння, то виходить, що два динаміки, що грають "у фазі" - створюють однакові області ущільнення та розряджання повітря, ніж фактично допомагають один одному. У випадку з ідеалізованою протифазою, область ущільнення повітряного простору, створена одним динаміком, буде супроводжуватися областю розрядження повітряного простору, створеної другим динаміком. Виглядає це приблизно як явище взаємного синхронного гасіння хвиль. Щоправда, практично падіння гучності до нуля немає, і ми почуємо сильно спотворений і ослаблений звук.
Найдоступнішим чином можна описати це так: два сигнали з однаковими коливаннями (частотою), але зрушені за часом. Зважаючи на це, зручніше уявити ці явища зміщення на прикладі звичайного круглого стрілочного годинника. Уявимо, що на стіні висить кілька однакових годин. Коли секундні стрілки цього годинника біжать синхронно, на одному годиннику 30 секунд і на іншому 30, то це приклад сигналу, який знаходиться у фазі. Якщо ж секундні стрілки біжать зі зміщенням, але швидкість, як і раніше, однакова, наприклад, на одному годиннику 30 секунд, а на іншому 24 секунди, то це і є класичний приклад зсуву (зсуву) по фазі. Таким же чином фаза вимірюється в градусах, у межах віртуального кола. У цьому випадку, при зміщенні сигналів один на 180 градусів (половина періоду), і виходить класична протифаза. Нерідко на практиці виникають незначні зміщення по фазі, які можна визначити в градусах і успішно усунути.
Хвилі бувають плоскі та сферичні. Плоский хвильовий фронт поширюється лише одному напрямку і рідко зустрічається практично. Сферичний хвильовий фронт є хвилі простого типу, які виходять з однієї точки і поширюється у всіх напрямках. Звукові хвилі мають властивість дифракції, тобто. здатністю огинати перешкоди та об'єкти. Ступінь обгинання залежить від відношення довжини звукової хвилі до розмірів перешкоди чи отвору. Дифракція виникає і у разі, коли на шляху звуку виявляється якась перешкода. У цьому випадку можливі два варіанти розвитку подій: 1) Якщо розміри перешкоди набагато більші за довжину хвилі, то звук відбивається або поглинається (залежно від ступеня поглинання матеріалу, товщини перешкоди і т.д.), а позаду перешкоди формується зона "акустичної тіні" . 2) Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі або навіть менше її, тоді звук дифрагує певною мірою в усіх напрямках. Якщо звукова хвиля під час руху в одному середовищі потрапляє на межу розділу з іншим середовищем (наприклад, повітряне середовище з твердим середовищем), то може виникнути три варіанти розвитку подій: 1) хвиля відобразиться від поверхні розділу 2) хвиля може пройти в інше середовище без зміни напрямку 3) хвиля може пройти в інше середовище зі зміною напряму на кордоні, це називається "заломлення хвилі".
Відношенням надлишкового тиску звукової хвилі до коливальної об'ємної швидкості називається хвильовий опір. Говорячи простими словами, хвильовим опором середовищаможна назвати здатність поглинати звукові хвилі або "опиратися" їм. Коефіцієнти відображення та проходження безпосередньо залежать від співвідношення хвильових опорів двох середовищ. Хвильовий опір у газовому середовищі набагато нижчий, ніж у воді або твердих тілах. Тому якщо звукова хвиля в повітрі падає на твердий об'єкт чи поверхню глибокої води, то звук або відбивається від поверхні, або поглинається значною мірою. Залежить це від товщини поверхні (води чи твердого тіла), яку падає шукана звукова хвиля. При низькій товщині твердого або рідкого середовища звукові хвилі практично повністю "проходять", і навпаки, при великій товщині середовища хвилі частіше відбивається. У разі відображення звукових хвиль відбувається цей процес за добре відомим фізичним законом: "Кут падіння дорівнює куту відображення". У цьому випадку, коли хвиля із середовища з меншою щільністю потрапляє на кордон із середовищем більшої щільності – відбувається явище рефракції. Воно полягає у вигині (заломленні) звукової хвилі після "зустрічі" з перешкодою, і обов'язково супроводжується зміною швидкості. Рефракція залежить також від температури середовища, в якому відбувається відбиття.
У процесі поширення звукових хвиль у просторі неминуче відбувається зниження їхньої інтенсивності, можна сказати загасання хвиль та ослаблення звуку. На практиці зіткнутися з подібним ефектом досить просто: наприклад, якщо двоє людей встануть у поле на деякій близькій відстані (метр і ближче) і почнуть щось говорити один одному. Якщо згодом збільшувати відстань між людьми (якщо вони почнуть віддалятися один від одного), той самий рівень розмовної гучності ставатиме все менш чутним. Подібний приклад наочно демонструє явище зниження інтенсивності звукових хвиль. Чому це відбувається? Причиною цього є різні процеси теплообміну, молекулярної взаємодії та внутрішнього тертя звукових хвиль. Найчастіше практично відбувається перетворення звукової енергії на теплову. Подібні процеси неминуче виникають у будь-якому з трьох середовищ поширення звуку і їх можна охарактеризувати як поглинання звукових хвиль.
Інтенсивність та ступінь поглинання звукових хвиль залежить від багатьох факторів, таких як: тиск та температура середовища. Також поглинання залежить від певної частоти звуку. При поширенні звукової хвилі в рідинах або газах виникає ефект тертя між різними частинками, що називається в'язкістю. В результаті цього тертя на молекулярному рівні і відбувається процес перетворення хвилі зі звукової на теплову. Іншими словами, чим вище теплопровідність середовища, тим менший ступінь поглинання хвиль. Поглинання звуку в газових середовищах залежить і від тиску (атмосферний тиск змінюється з підвищенням висоти щодо рівня моря). Щодо залежності ступеня поглинання від частоти звуку, то зважаючи на вищезгадані залежності в'язкості та теплопровідності, поглинання звуку тим вище, чим вища його частота. Наприклад, при нормальній температурі і тиску в повітрі поглинання хвилі частотою 5000 Гц становить 3 Дб/км, а поглинання хвилі частотою 50000 Гц складе вже 300 Дб/м.
У твердих середовищах зберігаються всі вищезгадані залежності (теплопровідність і в'язкість), проте до цього додається ще кілька умов. Вони пов'язані з молекулярною структурою твердих матеріалів, яка може бути різною, зі своїми неоднорідностями. Залежно від цієї внутрішньої твердої молекулярної будови, поглинання звукових хвиль у разі може бути різним, і від типу конкретного матеріалу. При проходженні звуку через тверде тіло хвиля зазнає ряд перетворень і спотворень, що найчастіше призводить до розсіювання та поглинання звукової енергії. На молекулярному рівні може виникнути ефект дислокацій, коли звукова хвиля викликає усунення атомних площин, які потім повертаються у вихідне положення. Або ж, рух дислокацій призводить до зіткнення з перпендикулярними ним дислокаціями або дефектами кристалічної будови, що викликає їхнє гальмування і як наслідок деяке поглинання звукової хвилі. Однак звукова хвиля може і резонувати з даними дефектами, що призведе до спотворення вихідної хвилі. Енергія звукової хвилі в останній момент взаємодії з елементами молекулярної структури матеріалу розсіюється внаслідок процесів внутрішнього тертя.
У я постараюся розібрати особливості слухового сприйняття людини та деякі тонкощі та особливості поширення звуку.
До основних законів поширення звуку відносяться закони його відображення та заломлення на межах різних середовищ, а також дифракція звуку та його розсіювання за наявності перешкод та неоднорідностей у середовищі та на межах розділу середовищ.
На дальність поширення звуку впливає чинник поглинання звуку, тобто незворотний перехід енергії звукової хвилі до інших видів енергії, зокрема, тепло. Важливим фактором є також спрямованість випромінювання та швидкість поширення звуку, яка залежить від середовища та її специфічного стану.
Від джерела звуку акустичні хвилі поширюються на всі боки. Якщо звукова хвиля проходить через порівняно невеликий отвір, вона поширюється на всі боки, а чи не йде спрямованим пучком. Наприклад, вуличні звуки, що проникають через відкриту кватирку до кімнати, чути у всіх її точках, а не лише проти вікна.
Характер поширення звукових хвиль у перешкоди залежить від співвідношення між розмірами перешкоди та довжиною хвилі. Якщо розміри перешкоди малі в порівнянні з довжиною хвилі, то хвиля обтікає цю перешкоду, поширюючись на всі боки.
Звукові хвилі, проникаючи з одного середовища в інше, відхиляються від свого початкового напряму, тобто заломлюються. Кут заломлення може бути більшим або меншим за кут падіння. Це залежить від того, з якого середовища в яке проникає звук. Якщо швидкість звуку в другому середовищі більша, то кут заломлення буде більшим за кут падіння, і навпаки.
Зустрічаючи своєму шляху перешкода, звукові хвилі відбиваються від нього за строго певному правилу – кут відображення дорівнює куту падіння – з цим пов'язане поняття луна. Якщо звук відбивається від кількох поверхонь, що є різних відстанях, виникає багаторазове відлуння.
Звук поширюється у вигляді сферичної хвилі, що розходиться, яка заповнює все більший обсяг. Зі збільшенням відстані, коливання частинок середовища слабшають, і звук розсіюється. Відомо, що для збільшення дальності передачі звук необхідно концентрувати у заданому напрямку. Коли ми хочемо, наприклад, щоби нас почули, ми прикладаємо долоні до рота або користуємося рупором.
Велике впливом геть дальність поширення звуку надає дифракція, тобто викривлення звукових променів. Чим різнорідніше середовище, тим більше викривляється звуковий промінь і, тим менше дальність поширення звуку.
Розповсюдження звуку
Звукові хвилі можуть поширюватися у повітрі, газах, рідинах та твердих тілах. У безповітряному просторі хвилі не з'являються. У цьому легко переконатись у простому досвіді. Якщо електричний дзвінок помістити під повітронепроникний ковпак, з якого відкачано повітря, ми ніякого звуку не почуємо. Але як тільки ковпак наповниться повітрям, з'являється звук.
Швидкість поширення коливальних рухів від частки до частки залежить від середовища. У далекі часи воїни прикладали вухо до землі і таким чином виявляли кінноту супротивника значно раніше, ніж вона з'являлася у полі зору. А відомий вчений Леонардо да Вінчі в 15 столітті писав: «Якщо ти, будучи на морі, опустиш у воду отвір труби, а інший кінець її додаси до вуха, то почуєш шум кораблів, дуже віддалених від тебе».
Швидкість розповсюдження звуку в повітрі вперше була виміряна у 17 столітті Міланською академією наук. На одному з пагорбів встановили гармату, а на іншому розташувався пункт спостереження. Час засікли і в момент пострілу (по спалаху) і в момент прийому звуку. На відстані між спостережним пунктом і гарматою та часом походження сигналу швидкість поширення звуку розрахувати вже не складало труднощів. Вона дорівнювала 330 метрів за секунду.
У воді швидкість поширення звуку вперше була виміряна 1827 року на Женевському озері. Два човни знаходилися один від одного на відстані 13847 метрів. На першій під днищем підвісили дзвін, а з другої опустили у воду найпростіший гідрофон (рупор). На першому човні одночасно з ударом у дзвін підпалили порох, на другому спостерігач у момент спалаху запустив секундомір і став чекати на прихід звукового сигналу від дзвона. З'ясувалося, що у воді звук поширюється в чотири рази швидше, ніж у повітрі, тобто. зі швидкістю 1450 метрів за секунду.
Швидкість розповсюдження звуку
Чим вище пружність середовища, тим більша швидкість: у каучуку50, у повітрі330, у воді1450, а сталі - 5000 метрів на секунду. Якби ми, перебували в Москві, могли крикнути так голосно, щоб звук долетів до Петербурга, то нас почули б там лише за півгодини, а якби звук на цю ж відстань поширювався в сталі, то він був би прийнятий через дві хвилини.
На швидкість поширення звуку впливає стан однієї й тієї середовища. Коли ми говоримо, що у воді звук поширюється зі швидкістю 1450 метрів за секунду, це зовсім не означає, що у будь-якій воді та за будь-яких умов. З підвищенням температури та солоності води, а також зі збільшенням глибини, а отже, і гідростатичного тиску швидкість звуку зростає. Або візьмемо сталь. Тут теж швидкість звуку залежить як від температури, так і від якісного складу сталі: чим більше в ній вуглецю, тим вона твердіша, тим звук у ній поширюється швидше.
Зустрічаючи своєму шляху перешкода, звукові хвилі відбиваються від нього за суворо визначеним правилом: кут відбитку дорівнює куту падіння. Звукові хвилі, що йдуть з повітря, майже повністю відіб'ються від поверхні води вгору, а звукові хвилі, що йдуть від джерела, що знаходиться у воді, відбиваються від неї вниз.
Звукові хвилі, проникаючи з одного середовища до іншого, відхиляються від свого первісного становища, тобто. заломлюються. Кут заломлення може бути більшим або меншим за кут падіння. Це залежить від того, з якого середовища, в яке проникає звук. Якщо швидкість звуку в другому середовищі більша ніж у першому, то кут заломлення буде більшим за кут падіння і навпаки.
У повітрі звукові хвилі поширюються у вигляді сферичної хвилі, що розходиться, яка заповнює все більший обсяг, так як коливання частинок, викликані джерелами звуку, передаються масі повітря. Однак із збільшенням відстані коливання частинок слабшають. Відомо, що для збільшення дальності передачі звук необхідно концентрувати в заданому напрямку. Коли ми хочемо, щоб нас краще було чути, прикладаємо долоні до рота або користуємося рупором. У цьому випадку звук послаблюватиметься менше, а звукові хвилі - поширюються далі.
При збільшенні товщини стінки звуколокація на низьких середніх частотах збільшується, але «підступний» резонанс збігу, що викликає удушення звуколокації, починає проявлятися на більш низьких частотах і захоплює ширшу їх область.
Під звуком розуміють пружні хвилі, що лежать у межах чутності людського вуха, в інтервалі коливань від 16 гцдо 20 кгц.Коливання із частотою нижче 16 гцназиваються інфразвуком, понад 20 кгц-ультразвуком.
Вода в порівнянні з повітрям має більшу щільність і меншу стисливість. У зв'язку з цим швидкість звуку у воді в чотири з половиною рази більша, ніж у повітрі, і становить 1440 м/с.Частота коливань звуку (ню)пов'язана з довжиною хвилі (лямбда) співвідношенням: c= Лямбда-ню.Звук розповсюджується у воді без дисперсії. Швидкість звуку у воді змінюється в залежності від двох параметрів: щільності та температури. Зміна температури на 1° спричиняє відповідну зміну швидкості звуку на 3,58 м за секунду. Якщо простежити за швидкістю поширення звуку від поверхні до дна, виявиться, що спочатку через зниження температури вона швидко зменшується, досягнувши на певній глибині мінімуму, а потім, з глибиною, починає швидко зростати за рахунок збільшення тиску води, яке, як відомо, зростає приблизно на 1 атм на кожні 10 м глибини.
Починаючи з глибини приблизно 1200 м, де температура води практично залишається постійною, зміна швидкості звуку відбувається за рахунок зміни тиску. «На глибині, що дорівнює приблизно 1200 м (Для Атлантики), є мінімум значення швидкості звуку; на великих глибинах завдяки збільшенню тиску швидкість звуку знову зростає. Так як звукові промені завжди згинаються до ділянок середовища, де їхня швидкість найменша, то вони концентруються в шарі з мінімальною швидкістю звуку »(Красільников, 1954). Цей шар, відкритий радянськими фізиками Л. Д. Розенбергом та Л.М. Бреховських, називається «підводного звукового каналу». Звук, що потрапив у звуковий канал, може поширюватися без послаблення великі відстані. Цю особливість необхідно мати на увазі під час розгляду акустичної сигналізації глибоководних риб.
Поглинання звуку у воді у 1000 разів менше, ніж у повітрі. Джерело звуку в повітрі потужністю 100 квту воді чути на відстані до 15 км; у воді джерело звуку в 1 квтчути на відстані 30-40 км.Звуки різних частот поглинаються неоднаково: найсильніше поглинаються звуки високих частот і найменше - низькі звуки. Мале поглинання звуку у воді дозволило використовувати його для гідролокації та сигналізації. Водяні простори наповнені великою кількістю різних звуків. Звуки водойм Світового океану, як показав американський гідроакустик Венц (Wenz, 1962), виникають у зв'язку з такими факторами: припливами та відливами, течіями, вітром, землетрусами та цунамі, індустріальною діяльністю людини та біологічним життям. Характер шумів, створюваних різними чинниками, відрізняється як набором звукових частот, і їх інтенсивністю. На рис. 2 показана залежність спектра і рівня тиску звуків Світового океану від факторів, що їх викликають.
У різних ділянках Світового океану склад шумів визначають різноманітні компоненти. Великий вплив у своїй складу звуків надають дно і берега.
Таким чином, склад та інтенсивність шумів у різних ділянках Світового океану винятково різноманітні. Існують емпіричні формули, що показують залежність інтенсивності шумів моря від інтенсивності факторів, що їх викликають. Однак у практичних цілях шуми океану вимірюються зазвичай емпірично.
Слід зазначити, що з звуків Світового океану найбільшою інтенсивністю відрізняються індустріальні звуки, створювані людиною: шум кораблів, тралів тощо. буд. За даними Шейна (1964), за інтенсивністю в 10-100 разів перевищують інші звуки Світового океану. Однак, як видно із рис. 2 їх спектральний склад дещо відрізняється від спектрального складу звуків, що викликаються іншими факторами.
При поширенні у воді звукові хвилі можуть відбиватися, переломлюватися, поглинатися, відчувати дифракцію та інтерференцію.
Зустрічаючи на своєму шляху перешкоду, звукові хвилі можуть відбитися від нього у разі, коли довжина їхньої хвилі (лямбда)менше розміру перешкоди, або обігнути (дифрагувати) його у разі, коли їх довжина хвилі більша за перешкоду. І тут можна чути те, що відбувається за перешкодою, не бачачи джерела безпосередньо. Падаючи на перешкоду, звукові хвилі в одному випадку можуть відбитися, в іншому - поринути в нього (поглинутися ним). Величина енергії відбитої хвилі залежить від цього, як сильно різняться між собою звані акустичні опору середовищ «р1с1» і «р2с2», межу розділу яких падають звукові хвилі. Під акустичним опором середовища мається на увазі твір щільності даного середовища на швидкість поширення звуку зу ній. Чим більша різниця акустичних опорів середовищ, тим більша частина енергії відіб'ється від розділу двох середовищ, і навпаки. У випадку, наприклад, падіння звуку з повітря, рсякого 41, у воду, рсякої 150 000, він відображається згідно з формулою:
У зв'язку із зазначеним звук набагато краще проникає у тверде тіло з води, ніж із повітря. З повітря у воду звук добре проникає через кущі чи очерети, що виступають над водяною поверхнею.
У зв'язку з відображенням звуку від перешкод та його хвильовою природою може відбуватися додавання або віднімання амплітуд звукових тисків однакових частот, що прийшли до цієї точки простору. Важливим наслідком такого додавання (інтерференції) є утворення стоячих хвиль при відображенні. Якщо, наприклад, привести в коливання камертон, наближаючи та видаляючи його від стіни, можна чути через появу пучностей та вузлів у звуковому полі посилення та ослаблення гучності звуку. Зазвичай стоячі хвилі утворюються в закритих ємностях: в акваріумах, басейнах тощо при відносно тривалому за часом звучанні джерела.
У реальних умовах моря або іншого природного водоймища при поширенні звуку спостерігаються численні складні явища, що виникають у зв'язку з неоднорідністю водного середовища. Величезний вплив на поширення звуку в природних водоймах надають дно та межі розділу (вода - повітря), температурна та сольова неоднорідність, гідростатичний тиск, бульбашки повітря та планктонні організми. Поверхні розділу вода - повітря і дно, і навіть неоднорідність води призводять до явищ рефракції (викривлення звукових променів), чи реверберації (багаторазове відбиток звукових променів).
Бульбашки води, планктон та інші суспензії сприяють поглинанню звуку у воді. Кількісна оцінка цих численних чинників нині ще розроблено. Враховувати їх при постановці акустичних дослідів необхідно.
Розглянемо тепер явища, які у воді при випромінюванні у ній звуку.
Уявімо звукове джерело як пульсуючу сферу в нескінченному просторі. Акустична енергія, що випромінюється таким джерелом, послаблюється обернено пропорційно квадрату відстані від його центру.
Енергія звукових хвиль, що утворюються, може бути охарактеризована трьома параметрами: швидкістю, тиском і зміщенням частинок води, що коливаються. Два останніх параметри становлять особливий інтерес при розгляді слухових здібностей риб, тому на них зупинимося докладніше.
За Гаррісом і Бергельджиком (Harris a. Berglijk, 1962), поширення хвиль тиску та ефекту зміщення по-різному представлені в ближньому (на відстані менше однієї довжини хвилі звуку) і далекому (на відстані більше однієї довжини хвилі звуку) акустичному полі.
У далекому акустичному полі тиск послаблюється обернено пропорційно відстані від джерела звуку. При цьому в далекому акустичному полі амплітуди зміщення прямо пропорційні амплітудам тиску і пов'язані між собою формулою:
де Р - акустичне тиск у дин/см 2;
d- величина зміщення частинок див.
У ближньому акустичному полі залежність між амплітудами тиску та зміщення інша:
де Р-акустичне тиск в дин/см 2;
d - величини зміщення частинок води в см;
f - Частота коливань в гц;
рс- акустичне опір води, що дорівнює 150 000 г/см 2 сік 2;
лямбда- Довжина хвилі звуку в м; r - Відстань від центру пульсуючої сфери;
i= SQR i
З формули видно, що амплітуда усунення в ближньому акустичному полі залежить від довжини хвилі, звуку та відстані від джерела звуку.
На відстанях, менших, ніж довжина хвилі аналізованого звуку, амплітуда зміщення зменшується пропорційно квадрату відстані:
де А - радіус пульсуючої сфери;
Д- Збільшення радіусу сфери за рахунок пульсації; r - Відстань від центру сфери.
Риби, як буде показано нижче, мають два різні типи приймачів. Одні їх сприймають тиск, інші - зміщення частинок води. Наведені рівняння мають тому велике значення для правильної оцінки реакцій у відповідь риб на підводні джерела звуку.
У зв'язку з випромінюванням звуку відзначимо ще два явища, пов'язані з випромінювачами: явище резонансу та спрямованості випромінювачів.
Випромінювання звуку тілом відбувається у зв'язку з його коливаннями. Кожне тіло має власну частоту коливань, що визначається розміром тіла та його пружними властивостями. Якщо таке тіло наводиться в коливання, частота якого збігається з його частотою, настає явище значного збільшення амплітуди коливання - резонанс. Застосування поняття про резонанс дозволяє охарактеризувати деякі акустичні властивості випромінювачів та приймачів риб. Випромінювання звуку у воду може бути спрямованим та ненаправленим. У першому випадку звукова енергія поширюється переважно у напрямі. Графік, що виражає просторове розподілення звукової енергії даного джерела звуку, називають діаграмою його спрямованості. Спрямованість випромінювання спостерігається у разі, коли діаметр випромінювача значно більша за довжину хвилі випромінюваного звуку.
У разі ненаправленого випромінювання звукова енергія розходиться на всі боки рівномірно. Таке явище відбувається у разі, коли довжина хвилі випромінюваного звуку перевершує діаметр випромінювача лямбда>2А.Другий випадок є найбільш характерним для підводних випромінювачів низької частоти. Зазвичай довжини хвиль низькочастотних звуків бувають значно більше розмірів застосовуваних підводних випромінювачів. Таке явище характерне і для випромінювачів риб. У таких випадках діаграми спрямованості у випромінювачів відсутні. У цьому розділі були відзначені лише деякі загальні фізичні властивості звуку у водному середовищі у зв'язку з біоакустикою риб. Деякі більш часті питання акустики будуть розглянуті у відповідних розділах книги.
На закінчення розглянемо системи вимірювань звуку, що застосовуються різними авторами. Звук може бути виражений інтенсивністю, тиском або рівнем тиску.
Інтенсивність звуку в абсолютних одиницях вимірюється чи числом ерг/сек-см 2, або вт/см 2 .При цьому 1 ерг/сек=10 -7вт.
Тиск звуку вимірюється в барів.
Між інтенсивністю та тиском звуку існує залежність:
користуючись якою можна переводити ці величини одну в іншу.
Не менш часто, особливо при розгляді слуху риб, у зв'язку з величезним діапазоном порогових величин звуковий тиск виражають у відносних логарифмічних одиницях децибелів, дб.Якщо звуковий тиск одного звуку Р, А іншого Р о, то вважають, що перший звук голосніше другого на kдбі обчислюють його за формулою:
Більшість дослідників при цьому за нульовий відлік тиску звуку Ро приймають порогову величину слуху людини, рівну 0,0002 барудля частоти 1000 гц.
Перевагою такої системи є можливість безпосереднього зіставлення слуху людини та риб, недоліком – складність зіставлення отриманих результатів щодо звучання та слуху риб.
Фактичні величини звукового тиску, створюваного рибами, на чотири - шість порядків вище за прийнятий нульовий рівень (0,0002 бару),а порогові рівні слуху різних риб лежать як вище, і нижче умовного нульового відліку.
Тому для зручності зіставлення звуків та слуху риб американські автори (Tavolga a. Wodinsky, 1963 та ін.) користуються іншою системою відліку.
За нульовий рівень відліку прийнято тиск звуку в 1 бар,який на 74 дбвище за раніше прийнятого.
Нижче наводиться зразкове співвідношення обох систем.
Фактичні величини за американською системою відліку в тексті позначені зірочкою.
Звук поширюється у вигляді звукових хвиль. Ці хвилі проходять не лише крізь гази та рідини, а й через тверді тіла. Дія будь-яких хвиль полягає головним чином переносі енергії. У разі звуку перенесення набуває форми дрібних переміщень на молекулярному рівні.
У газах і рідинах звукова хвиля зрушує молекули у бік свого руху, тобто у бік довжини хвилі. У твердих тілах звукові коливання молекул можуть відбуватися і в напрямі перпендикулярної хвилі.
Звукові хвилі поширюються зі своїх джерел у всіх напрямках, як це показано на малюнку праворуч, на якому зображено металевий дзвін, що періодично стикається зі своєю мовою. Ці механічні зіткнення змушують дзвін вібрувати. Енергія вібрацій повідомляється молекулам навколишнього повітря, вони відтісняються від дзвони. В результаті в прилеглому до дзвону шарі повітря збільшується тиск, який потім хвилеподібно поширюється на всі боки від джерела.
Швидкість звуку залежить від гучності чи тону. Усі звуки від радіоприймача в кімнаті, будь вони гучними чи тихими, високого тону чи низького, досягають слухача одночасно.
Швидкість звуку залежить від виду середовища, в якому він поширюється, та від його температури. У газах звукові хвилі поширюються повільно, тому що їхня розріджена молекулярна структура слабо перешкоджає стиску. У рідинах швидкість звуку збільшується, а в твердих тілах стає ще вищою, як це показано на діаграмі внизу в метрах за секунду (м/с).
Шлях хвилі
Звукові хвилі поширюються у повітрі аналогічно показаному на діаграмах праворуч. Хвильові фронти рухаються від джерела на певній відстані один від одного, що визначається частотою коливань дзвона. Частота звукової хвилі визначається шляхом підрахунку числа хвильових фронтів, що пройшли цю точку в одиницю часу.
Фронт звукової хвилі віддаляється від дзвона, що вібрує.
У рівномірно прогрітому повітрі звук поширюється постійною швидкістю.
Другий фронт слідує за першим на відстані, що дорівнює довжині хвилі.
Сила звуку максимальна поблизу джерела.
Графічне зображення невидимої хвилі
Звукове зондування глибин
Пучок променів гідролокатора, що складається із звукових хвиль, легко проходить через океанську воду. Принцип дії гідролокатора заснований на тому факті, що звукові хвилі відбиваються від океанського дна; цей прилад зазвичай використовується визначення особливостей підводного рельєфу.
Пружні тверді тіла
Звук поширюється на дерев'яні пластини. Молекули більшості твердих тіл пов'язані в пружні просторові ґрати, які погано стискуються і водночас прискорюють проходження звукових хвиль.
Специфічне відчуття, що сприймається нами як звук, є результатом впливу на слуховий апарат людини коливального руху пружного середовища - найчастіше повітря. Коливання середовища порушуються джерелом звуку і, поширюючись середовищі, сягають приймального апарату - нашого вуха. Таким чином, нескінченна різноманітність чутних нами звуків викликається коливальними процесами, що відрізняються один від одного частотою та амплітудою. Не слід змішувати дві сторони одного і того ж явища: звук як фізичний процес є окремим випадком коливального руху; як психо-фізіологічного явища звук є деяке специфічне відчуття, мехайізм виникнення якого вивчений нині досить докладно.
Говорячи про фізичний бік явища, ми характеризуємо звук його інтенсивністю (силою), його складом і частотою пов'язаних з ним коливальних процесів; маючи на увазі звукові відчуття, ми говоримо про гучність, про тембр, про висоту звуку.
У твердих тілах звук може поширюватися як поздовжніх, і у вигляді поперечних коливань. Оскільки рідини та гази не мають пружності зсуву, очевидно, що в газоподібному та рідкому середовищах звук може поширюватися тільки у вигляді поздовжніх коливань. У газах і в рідинах звукові хвилі є чергуються згущення і розрідження середовища, що віддаляються від джерела звуку з певною характерною для кожного середовища швидкістю. Поверхнею звукової хвилі є геометричне місце частинок середовища, що мають однакову фазу коливань. Поверхні звукових хвиль можна провести, наприклад, так, щоб між поверхнями сусідніх хвиль полягали шар згущення та шар розрідження. Напрямок, перпендикулярний поверхні хвилі, називають променем.
Звукові хвилі в газоподібному середовищі можуть бути сфотографовані. Для цієї мети за джерелом звуку поміщають
фотографічну пластинку, на яку спереду направляють пучок світла від електричної іскри так, щоб ці промені від миттєвого спалаху світла падали на фотопластинку, пройшовши через повітря навколишнє джерело звуку. На рис. 158-160 наведені отримані за вказаним способом фотографії звукових хвиль. Джерело звуку було відокремлено від фотопластинки невеликим екранчиком на підставці.
На рис. 158, а видно, що звукова хвиля щойно вийшла з-за екрану; на рис. 158, б та ж хвиля знята вдруге через кілька тисячних часток секунди. Поверхнею хвилі у разі є сфера. На фотографії зображення хвилі виходить у вигляді кола, радіус якого з часом збільшується.
Мал. 158. Фотографія звукової хвилі в два моменти часу (а та б). Відображення звукової хвилі (в).
На рис. 158, наведена фотографія звукової сферичної хвилі, відбитої від плоскої стінки. Тут слід звернути увагу на те, що відбита частина хвилі виходить з точки, що знаходиться за поверхнею, що відбиває, на такій же відстані від поверхні, що відбиває, як і джерело звуку. Відомо, що явищем відображення звукових хвиль пояснюється луна.
На рис. 159 показано зміну хвильової поверхні при проходженні звукової хвилі через лінзоподібний мішечок, наповнений воднем. Ця зміна поверхні звукової хвилі є наслідком заломлення (рефракції) звукових променів: біля поверхні розділу двох середовищ, де швидкість хвиль різна, напрям поширення хвилі змінюється.
Мал. 160 відтворює фотографію звукових хвиль, на шляху розповсюдження яких поставлений екран із чотирма щілинами. Проходячи через щілини, хвилі огинають екран. Це явище огинання хвилями перешкод, що зустрічаються, називають дифракцією.
Закони поширення, відображення, заломлення та дифракції звукових хвиль можуть бути виведені з принципу Гюйгенса, згідно з яким кожна приведена в коливання частка
середовища може розглядатися як новий центр (джерело) хвиль; інтерференція всіх цих хвиль дає спостерігається насправді хвилю (способи застосування принципу Гюйгенса будуть пояснені у третьому томі з прикладу світлових хвиль).
Звукові хвилі несуть з собою деяку кількість руху і внаслідок цього чинять тиск на перешкоди, що зустрічаються ними.
Мал. 159. Заломлення звукової хвилі.
Мал. 160. Дифракція звукових хвиль.
Для пояснення цього факту звернемося до рис. 161. На цьому малюнку пунктиром зображено синусоїду зсувів частинок середовища в певний момент часу при поширенні в середовищі поздовжніх хвиль. Швидкості цих частинок в даний момент часу зобразяться косінусоїдою, або, що те ж, синусоїдою, що випереджає синусоїду зсувів на чверть періоду (на рис. 161 - суцільна лінія). Неважко збагнути, що згущення середовища будуть спостерігатися там, де в даний момент усунення частинок дорівнює нулю або близько до нуля і де швидкість спрямована у бік поширення хвиль. Навпаки, розрідження середовища будуть спостерігатися там, де зміщення частинок теж дорівнює нулю або близько до нуля, але де швидкість частинок спрямована у бік протилежний поширенню хвиль. Отже, в згущення частинки рухаються вперед, в розрідженнях - назад. Але в
Мал. 161. У згущення проходить звуковий хвилі частинки рухаються вперед,
згущених шарах знаходиться більше частинок, ніж у розрідженнях. Таким чином, у будь-який момент часу в поздовжніх звукових хвилях, що біжать, число частинок, що рухаються вперед, дещо перевищує число частинок, що рухаються назад. Внаслідок цього звукова хвиля несе з собою деяку кількість руху, що і проявляється в тиску, який звукові хвилі надають на перешкоди, що зустрічаються ними.
Експериментально тиск звуку було досліджено Релеєм та Петром Миколайовичем Лебедєвим.
Теоретично швидкість звуку визначається формулою Лапласа [§ 65, формула (5)]:
де К - модуль всебічної пружності (коли стиск проводиться без припливу та віддачі тепла), щільність.
Якщо стиск тіла проводити, підтримуючи температуру тіла постійної, то для модуля пружності виходять величини менші, ніж у тому випадку, коли стиск проводиться без припливу та віддачі тепла. Ці два значення модуля всебічної пружності, як доводиться в термодинаміці, відносяться так, як теплоємність тіла при постійному тиску теплоємності тіла при постійному обсязі.
Для газів (не надто стислих) ізотермічний модуль всебічної пружності дорівнює просто тиску газу Якщо, не змінюючи температури газу, ми стиснемо газ (збільшимо його щільність) у раз, то тиск газу зросте в раз. Отже, за формулою Лапласа виходить, що швидкість звуку газі залежить від щільності газу.
З газових законів та формули Лапласа можна вивести (§ 134), що швидкість звуку в газах пропорційна кореню квадратному з абсолютної температури газу:
де прискорення сили тяжіння, відношення темплоємностей універсальна постійна газова.
При З швидкість звуку в сухому повітрі дорівнює при середніх температурах і середній вологості швидкість звуку У повітрі вважають рівною Швидкість звуку у водні при дорівнює
У воді швидкість звуку складає у склі в залізі
Слід зауважити, що ударні звукові хвилі, що викликаються пострілом або вибухом, на початку свого шляху мають швидкість,
значно перевищує нормальну швидкість звуку у цьому середовищі. Ударна звукова хвиля повітря, викликана сильним вибухом, може мати поблизу джерела звуку швидкість, у кілька разів перевищує нормальну швидкість звуку повітря, але вже з відривом десятків метрів від місця вибуху швидкість поширення хвилі зменшується до нормальної величини.
Як згадувалося в § 65, звукові хвилі різної довжини мають практично однакову швидкість. Виняток становлять ті області частот, котрим характерно особливо швидке згасання пружних хвиль за її поширення у середовищі. Зазвичай ці частоти лежать далеко поза чутності (для газів при атмосферному тиску - це частоти порядку коливань на секунду). Теоретичний аналіз показує, що дисперсія та поглинання звукових хвиль пов'язані з тим, що для перерозподілу енергії між поступальним та коливальним рухами молекул потрібен деякий, хоча й короткий час. Це призводить до того, що довгі хвилі (хвилі звукового діапазону) рухаються дещо повільніше, ніж дуже короткі «нечутні» хвилі. Так, у парах вуглекислоти при атмосферному тиску звук має швидкість тоді як дуже короткі, «нечутні», хвилі поширюються зі швидкістю
Звукова хвиля, поширюючись серед, може мати різну форму, що залежить від розмірів і форми джерела звуку. У випадках, технічно найбільш цікавих, джерело звуку (випромінювач) являє собою деяку поверхню, що коливається, - такі, наприклад, мембрана телефону або дифузор гучномовця. Якщо таке джерело звуку випромінює звукові хвилі у відкритий простір, форма хвилі істотно залежить від відносних розмірів випромінювача; випромінювач, розміри якого великі порівняно з довжиною звукової хвилі, випромінює звукову енергію в одному напрямі, саме в напрямку свого коливального руху. Навпаки, випромінювач малого порівняно з довжиною хвилі розміру випромінює звукову енергію в усіх напрямках. Форма хвильового фронту у тому й іншому випадках буде, очевидно, різною.
Розглянемо спочатку перший випадок. Уявімо жорстку плоску поверхню досить великого (порівняно з довжиною хвилі) розміру, що здійснює коливальний рух у напрямку своєї нормалі. Рухаючись уперед, така поверхня створює перед собою згущення, яке завдяки пружності середовища поширюватиметься в напрямку зміщення випромінювача). Рухаючись назад, випромінювач створює за собою розрідження, яке переміщатиметься в середовищі за початковим згущенням. Нетривалому коливанні випромінювача ми спостерігатимемо з обох боків від нього звукову хвилю, що характеризується тим, що всі частинки середовища, що знаходяться на рівній відстані від випромінюючої поверхні середньої щільності середовища та швидкості звуку з:
Твір середньої щільності середовища на швидкість звуку називають акустичним опором середовища.
Акустичні опори при 20 ° С
(Див. скан)
Розглянемо тепер випадок сферичних хвиль. Коли розміри випромінюючої поверхні стають малими порівняно з довжиною хвилі, хвильовий фронт помітно викривляється. Це тому, що енергія коливань поширюється у всіх напрямах від випромінювача.
Явище можна краще зрозуміти на наступному простому прикладі. Уявімо, що на поверхню води впала довга колода. Хвилі, що виникли завдяки цьому, йдуть паралельними рядами в обидва боки від колоди. Інакше справа в тому випадку, коли у воду кинуто невеликий камінь, - при цьому хвилі поширюються концентричними колами. Колода велика порівняно
із довжиною хвилі на поверхні води; паралельні ряди хвиль, що йдуть від нього, є наочною моделлю плоских хвиль. Камінь має невеликі розміри; кола, що розходяться від місця його падіння, дають нам модель сферичних хвиль. При поширенні сферичної хвилі поверхня хвильового фронту збільшується пропорційно квадрату його радіусу. При постійній потужності джерела звуку енергія, що протікає через кожен квадратний сантиметр сферичної поверхні радіуса обернено пропорційна Так як енергія коливань пропорційна квадрату амплітуди, то ясно, що амплітуда коливань у сферичній хвилі повинна зменшуватися як величина, зворотна першого ступеня відстані від джерела звуку. Рівняння сферичної хвилі має, отже, такий вид:
