ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ВОЗДУХ, ВОЛНЫ, ЗВУК из "Шум " Разумеется, шум —это просто один из видов звука. Обычно шум называют нежелательным звуком , что в известной мере справедливо. Но то, что для одних ушей — шум,-для других — музыка. Рев самолета, проносящегося над крышей дома, невыносим для несчастного жильца. Но как он радостен для жены летчика-испытателя, возвращающегося из первого полета Так или иначе, всякий шум—это звук, и, прежде чем пускаться в изучение сложных методов ослабления шума, необходимо как следует понять, что же такое звук вообще. [c.20] Удивительно, что многие люди, изучавшие еще в школе звук, колебания и волны, сохранили впечатление, что волнистые линии на картинке в учебнике дают как бы портрет звуковой волны и что воздух заполнен невидимыми волнистыми линиями, исходящими от каждого источника звука. Все это, конечно, не так, и мы не сможем двигаться дальше, не уяснив природу звука. [c.20] Воздух упруг. Если эти слова вызывают у нас ассоциацию с резиной, а сходства между воздухом и резиной, как мы отлично знаем, никакого нет, то следует забыть привычный смысл этого слова и вспомнить, что, когда сжимают какой-либо объем воздуха, например в велосипедном насосе, воздух всегда стремится вернуться к прежнему состоянию. Именно это и означает слово упругий если деформировать упругое тело, оно сопротивляется деформации и стремится восстановить свое исходное состояние. Свойство, обратное упругости — пластичность. И здесь опять же нужно представлять себе не пластмассовую миску для мытья посуды, а какое-либо вещество, которое после деформации сохраняет вновь приобретенную форму. Материал, из которого сделана миска, потому и называют пластмассой, что он термопластичен , то есть обладает пластичностью в гор ячем состоянии (при охлаждении она утрачивается). Чтобы среда могла проводить звук, она должна быть упругой в отсутствие упругости в среде невозможно волновое движение, которое и есть звук. [c.21] Следует отметить еще одно обстоятельство когда человека толкают палкой, она попеременно то прикасается к его руке, то отходит от нее, скажем, на 100 мм. Она колеблется вперед-назад, вперед-назад, и такое колебание — еще одно неотъемлемое свойство волнового движения. [c.22] Однако мы еще не выяснили, почему упругость среды имеет столь существенное значение и каким, образом энергия передается на расстояния гораздо большие, чем 100 мм, и притом с огромными скоростями. [c.22] Действие движения поршня на молекулы воздуха в трубе. [c.24] Если вместо того, чтобы замораживать воздух, мы могли бы проследить за отдельной молекулой, то обнаружили бы, что она колеблется точно так же, как поршень. Если бы молекула, выбранная нами для наблюдения, отстояла от исходного положения поршня иа 3,44, 6,88, 10,32 или любое другое число метров, кратное 3,44, ее колебания точно совпадали бы по фазе с колебаниями поршня. Если бы молекула находилась точно посередине между любыми из этих точек, она двигалась бы точно противоположно движению поршня, что соответствует сдвигу по фазе на 180°, или на 3,14 (п) радиан. Движение поршня, качнувшегося вперед и назад, можно рассматривать как полный цикл кругового движения. Это позволяет указывать положение любой промежуточной точки в угловой мере, пользуясь так называемым фазовым углом, выраженным в градусах или радианах (360 = 2п, или 6,28 радиан). [c.27] Теперь мы можем уже утверждать не только то, что колебания мембраны на конце трубы вызваны звуком, издаваемым поршнем, но и что частота этого звука равна 100 герц (сокращенно Гц — единица, означающая один цикл в секунду ), а длина волны равна 3,44 м. Итак, наконец, выясняется, что представляют собой волнистые линия, о которых мы говорили выше, — зто просто графики, показывающие давление воздуха — выше или ниже атмосферного — либо в различных точках, расположенных последовательно вдоль трубы в определенный момент времени, либо в определенной точке в последовательные моменты времени. Эти линии изображают периодическое чередование сгущений и разрежений молекул, которые и образуют звуковые волны. [c.28] Частота звука обычно представляет больший интерес, чем длина волны. Как мы увидим в следующей главе, высота звука для слушателя определяется в основном частотой, и, если длина волны изменится (например, в результате изменения температуры), высота звука останется прежней. Нота с частотой 1000 Гц будет звучать на Северном полюсе так же, как и в пустыне Сахара. Если вы смогли бы сыграть на трубе и в Арктике, и в Африке, то звуки получились бы разные, но только потому, что изменение скорости звука изменит резонансные частоты трубы. [c.30] Мы -должны познакомиться с еще одним очень важным свойством звуковой волны — ее формой. Вернемся к волнистой линии, то есть к графику распределения звукового давления в какой-то определенный момент в точках, расположенных последовательно вдоль направления движения волны, или в фиксированной точке в последовательные моменты времени. Рассмотрим звук постоянной частоты, например 1000 Гц. Что за график мы получим Разделив скорость звука на частоту, можно определить длину волны, а мы уже знаем, что звук одной частоты состоит из правильных чередований сгущений и разрежений. Какую же форму имеет волна во всем интервале Будем искать простейшую форму повторяющегося движения. Первое, что приходит в голову, — зто вращение, но оно не разрешит стоящей перед нами задачи движение по кругу не применимо к движению частиц вперед-назад по прямой линии. А может все-таки применимо Если вращать гирьку, подвешенную на веревке, и смотреть на нее сбоку, мы увидим не вращение гирьки, а только ее движение вверх и вниз. Глядя таким образом, мы обнаружим, что смещение гирьки от центра изменяется как синус угла, описываемого веревкой. Такое движение называют синусоидальным зСтим указывают, что оно изменяется подобно тригонометрической функции — синусу. [c.31] Поэтому чистые тоны встречаются на практике очень редко — почти все звуки, которые мы слышим, гораздо сложнее и состоят из большого числа тонов, звучащих одновременно. Как это отражается на графике Ответ на этот вопрос дает самая простая арифметика, но более научно звучит термин метод суперпозиции . Чтобы вычертить график давления звуковой волны, которая состоит из двух или более простых тонов, или синусоидальных волн, достаточно сложить (или вычесть) соответствующие значения давления каждой волны в каждой точке и результат нанести на чертеж. Таким путем можно комбинировать любое число простых волн, получая в итоге волны очень интересной формы. Результирующая форма волны зависит не только от частот составляющих синусоидальных волн, но также и от соотношения между их амплитудами и фазами. [c.32] В дальнейшем эта теорема окажется нам чрезвычайно полезной, и поэтому важно понять ее точный смысл. Рассмотрим ее на простейшем примере прямоугольной волны (рис. 4), хотя такие волны встречаются не в акустике, а в электронике. Глядя на рис. 4, трудно вообразить, что эту столь отличную от синусоидальной волну можно представить в виде ряда синусоидальных волн. Тем не менее это возможно, правда, в виде бесконечного ряда. Если, как показано на рис. 4, начать построение компонент с синусоидальной волны той же частоты, что я прямоугольная волна, но несколько большей амплитуды и затем прибавить волну утроенной частоты с амплитудой, равной одной трети первой волны, то прямоугольная форма начнет выявляться. Далее прибавим синусоидальную волну пятикратной частоты и амплитуды, равной одной пятой от амплитуды первой волны, и г. д. когда мы дойдем до волны с пятнадцатикратной частотой и амплитудой, в пятнадцать раз меньшей, чем амплитуда первой волны, то форма результирующей станет очень похожей на исходную прямоугольную волну. Интересно отметить, что если график анализируемой волны содержит крутые изгибы и изломы (например, прямые углы рассмотренной выше волны), то высокочастотные компоненты ряда Фурье будут иметь значительно большие амплитуды, чем для волны более плавных очертаний. [c.33] Как это ни представляется странным, но точно тем же способом, каким мы производили построение прямоугольной волны из ряда синусоидальных волн, можно осуществить и обратное —разложить в подобный ряд любую конечную, непрерывную и периодическую волну. Полностью значение этого обстоятельства выяснится позже. [c.33] Акустики прошлого века приняли этот метод для определения скорости звука в твердых телах предварительно они нашли скорость звука в воздухе, измеряя время между наблюдением вспышки и приходом звука от взрыва, происшедшего на большом расстоянии. Затем достаточно было измерить промежуток времени между двумя пр иходами звука от удара, произведенного по дальнему концу очень длинной трубы или бруса. Первым произвел такое измерение в 1808 г. француз Био, который воспользовался чугунной трубой длиной в целый километр. Чтобы на таком расстояний расслышать звук, приходящий по воздуху, пришлось на дальнем конце трубы закрепить колокол. Сходный, но более трудный эксперимент произвели физики Колладон и Штурм для определения скорости звука в воде. На Женевском озере они опустили под воду колокол и одновременно с ударом по нему взрывали небольшой заряд пороха. При этом они измеряли время между моментом появления вспышки и приходом звука от колокола. Во всех этих опытах время измерялось с помощью секундомера, и поэтому результаты были не слишком точны. При измерении гораздо более тонкими методами скорость звука в пресной воде при 15° оказалась равной 1440 м/с. [c.35] Вернуться к основной статье