В общем случае звуковые волны физика рассматривает как распространение возмущений давления в упругих средах. Человеческое ухо улавливает аномалию, воспринимая звук.
Изучающая свойства явления наука называется акустикой. От греческого ἀκούω (слышать). Имеются в виду небольшие изменения параметров в отличие от физики ударных волн.
Звуковые волны
Процесс распространения связан с колебательным механическим движением частиц. Достаточно каким-либо образом создать скачок давления, и частицы «толкнут» соседние.
Уравнение звуковой волны в газе (гармоничные колебания) будет выглядеть так:
-
p0 – начальное давление (Па);
-
ω – круговая частота (Гц);
-
k – волновое число.
Формулы связи длины звуковой волны, скорости, иные характеристики:
-
v – скорость волны (м/с);
-
λ – длина волны (м);
-
T – период (с);
-
f – частота (Гц).
Источник звука
Под источником звука понимают вещь, спровоцировавшую волну. Например, динамик или музыкальный инструмент.
В громкоговорителе для извлечения шума используется подвижная мембрана. В духовых инструментах – движение воздуха по внутренним ходам различной геометрии.
Из струнных звук извлекают при помощи трения смычка или при помощи щипков, ударов. Человек выдает речь, вокал, при помощи голосовых связок.
Скорость звуковой волны
Скорость распространения акустической волны является важной физической характеристикой среды или материала, поскольку со скоростью звука передаются любые возмущения.
Величина зависит от упругих свойств среды. Например, от давления, температуры. Для атмосферного воздуха важна влажность.
В общем случае определяется отношением модуля всестороннего сжатия и номинальной плотностью.
Для практических целей замеряется опытным путем. В жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах.
Громкость
Зависит от перемещаемой волной энергии. Замеряют в Вт/м2. Но интенсивность принято измерять в децибелах.
Существует масса приложений для компьютеров, смартфонов. Специалисты вооружаются специализированными устройствами.
Бел – десятичный логарифм отношения текущего уровня интенсивности в фоновому, пороговому. Осталось умножить на 10 (поскольку децибел).
Вот примеры уровня шума для разных источников.
Высота и тембр звука
Считается, что человеческое ухо воспринимает с разным успехом частоты диапазона 20…20 000 Гц. Оптимальными для слуха является интервал 1 000…5 000 Гц.
Высота определяется частотой. В связанной с музыкальными инструментами акустике измеряется также в мелах.
В музыкальных колонках в зависимости от частот звук может разделяться на полосы (НЧ, СЧ, ВЧ). На каждый громкоговоритель поступает соответственно отфильтрованный звук.
Рассуждения корректны, если имеем гармоничные колебания (синусоида), определенный тон. Примером такого звучания может служить камертон. Реальные инструменты дают дополнительные гармоники (обертона), образующие тембр.
Так выглядит звук от разных источников на одной ноте.
Звуковые явления
Звук обладает ярко выраженными волновыми свойствами:
1. Интерференция или сложение. В зависимости от условий волны могут взаимно усиливаться или ослабляться.
При проведении крупных концертных мероприятий учитывается возможные «деформации» звука в некоторых участках помещения. Эффект связан с обильным отражением (рефракцией) волн от стен, потолка, пола. Особенно коварно поведение линейных массивов.
Рота бойцов разрушит мост, идя по нему «в ногу». Конструкции не выдерживает наступающего резонанса.
2. Дифракция. Огибание препятствия, если длина волны существенно больше.
3. Замеренная частота источника увеличивается в процессе сближения с последним (эффект Доплера).
Применение звуковых волн
Помимо ценности общения друг с другом, звук дает возможность наслаждаться музыкой и обогащать свое представление об окружающем мире. Кроме слышимого спектра существуют инфра- и ультразвук. Ниже и выше границ слышимости соответственно.
УЗИ (ультразвуковое исследование) позволяет «увидеть» внутренности пациента без скальпеля и небезопасного рентгеновского аппарата. Эхолокатор поставляет морякам информацию о глубинах и рельефе дна. Офицер-гидроакустик обнаружит спрятавшуюся подводную лодку. Характер отражения ультразвука поможет обнаружить скрытый дефект в ответственной детали.
Слабо затухающий в средах инфразвук предупредит о стихийном бедствии. Регистрирующие приборы обнаруживают и локализуют сотрясения почвы и скальных пород. Это важно для изучения и предсказания землетрясений. Таким же образом обнаруживаются запрещенные испытания ядерного оружия. Предупрежден – значит вооружен.
