ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ОТ ТОЧКИ А к ТОЧКЕ В - ЗВУК В ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ из "Шум " Не будем спорить с тем, кто решит, что совместное действие мириадов этих крошечных гипотетических волн приведет лишь к какой-то каше из звуковых волн. Взглянув на рис. 30, мы обнаружим, что на самом деле все происходит очень упорядоченно. Как мы помним, если через данную точку проходят две или больше звуковых волн, их давления или интенсивности складываются (метод суперпозиции). Конечно, если все эти величины выражены в децибелах, следует пользоваться правилом сложения уровней. При сложении мелких полусферических волн, излучаемых отдельными точками поверхности пульсирующ,его баллона, получается новый фронт волны, также имеющий форму сферы, концентрической с баллоном. Более того, каждая точка этого нового фронта опять служит самостоятельным источником звука, и, в результате сложения этих новых вторичных волн, получится новая концентрическая сферическая волна. В рассматриваемом случае не было необходимости обращаться к методу Гюйгенса — вполне достаточно было сказать, что сферический баллон излучает сферические звуковые волны все возрастающего раднуса, бегущие со скоростью 344 м/с. Однако в более сложных случаях построение вторичных волн — единственный путь к пониманию многих особенностей поведения звука. [c.128] Поверхность сферической волны, излучаемой баллоном, увеличивается по. мере удаления от баллона соответственно интенсивность звука уменьшается. Каждому увеличению расстояния вдвое соответствует увеличение поверхности звуковой волны в 4 раза, что приводит к снижению интенсивности звука, а следовательно и уровня звукового давления, на 6 дБ. Другими словами, интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника — это так называемый закон обратных квадратов. [c.128] Однако на практике обычно не все так просто, потому что источники звука редко создают столь удобное для расчетов сферически-симметричное излучение. Забудем о пульсирующем баллоне и рассмотрим более сложный источник звука — колеблющуюся стальную пластинку. Здесь вьпцеонисаииый сложный метод построения волны становится полезным. Из рис. 31 видно, что вторичные сферические волны, излучаемые отдельными точками, взаимно уничтожаются по краям пластинки, так как волны на одной стороне пластинки отличны по фазе точно на 180° от волн на другой ее стороне. В середине пластипы огибающая вторичных волн представляет собой не шаровую поверхность, а плоскость, то есть излучаемая волна — плоская. [c.129] Поэтому почти весь звук излучается в направлении, перпендикулярном пластине закон обратных квадратов здесь неприменим. [c.130] По мере удаления от пластины, а также с увеличением длинььволны взаимное уничтожение волн по краям пластины становится менее полным. Поэтому на расстоянии нескольких метров от нее, в так называемой дальней зоне, форма волн снова приближается к сферической, а закон обратных квадратов опять входит в силу, однако лишь для каждого направления в отдельности, поскольку в разных направлениях интенсивность звука может быть различной. Зависимость доли излученной интенсивности от направления называют коэффициентом направленности Qв. [c.130] Действие ветра на звук многосторонне, но прежде всего мы поговорим о сложении векторов скорости. На рис. 32 показан случай, когда звуковая волна бежит под небольшим углом к направлению ветра результирующее направление распространения и скорость волны определяются по правилу параллелограмма. Другое действие ветра на распространение звука связано с тем, что скорость ветра у поверхности земли меньше, чем в более высоких слоях атмосферы. Поэтому при распространении звука против ветра результирующая скорость звука у поверхности земли больше, чем на высоте. [c.131] Прежде чем объяснить, к чему это приведет, рассмотрим роль температуры. В течение дня под действием теплового излучения солнца земля нагревается. [c.131] Влияние ветра на направление распространения звуковой волны. [c.131] В теплом воздухе скорость звука больше, чем в холодном. При отрицательном температурном градиенте скорость звука уменьшается по мере удаления от поверхности земли. Аналогичное явление наблюдается, когда звук распространяется против ветра при положительном градиенте скорости ветра в этом случае убывание скорости звука с высотой получается в результате вычитания из нее скорости встречного ветра. [c.132] На распространение звука на открытом воздухе влияют не только градиенты ветра и температуры. На больших расстояниях для высоких частот очень существен другой фактор — вязкость воздуха. Так как частицы воздуха непрерывно совершают колебательные движения, то между соседними частицами возникают силы трения. Тренне всегда приводит к поглощению энергии на высоких частотах, когда соседние частицы колеблются друг относительно друга с большой скоростью, влияние трения -может стать заметным. В результате трения звук частотой 10 кГц на расстоянии в 1 км затухает примерно на 40 дБ, это помимо ослабления, обусловленного законом обратных квадратов. Земля также поглощает звуковую энергию. Об этом мы узнаем в следующей главе. Если местность холмистая, заросшая лесом или покрыта снегом, поглощение может оказаться очень существенным. [c.134] До сих пор наши звуковые волны испытывали только действие ветра и температуры. Но ведь мы живем не в пустыне, и звуки, которые мы слышим на открытом воздухе, как правило, встречают на своем пути препятствия потверже, чем дуновение ветра. Что происходит, когда звуковая волна падает на твердую поверхность, мы узнаем еще только через две главы, но, так как обычно поверхности имеют ограниченные размеры, выясним уже сейчас, что происходит со звуком, обходящим края таких препятствий. [c.134] Представим себе длинную, совершенно звуконепроницаемую стену, ограниченную прямым краем. Что случится со звуковой волной, проходящей мимо этого края По-видимому, многие скажут, что волна пройдет совершенно прямо и по другую сторону стены образуется звуковая тень. Во всяком случае, это происходит со светом, а ведь нас учили, что звук, как и свет, распространяется прямолинейно. Однако и для звука, и для света все обстоит иначе. [c.134] Процесс взаимного уничтожения вторичных звуковых волн играет большую роль, когда звук распределен в пространстве неравномерно. Нетрудно заметить сходство между описанием дифракции и объяснением направленности излучения, создаваемого колеблющейся пластиной. Когда плоские волны, бегущие по вентиляционной трубе, внезапно вырываются наружу, на конце ее происходит то же, что и при излучении звука колеблющейся стальной пластиной высокочастотный звук направляется прямо вперед, тогда как для низких частот взаимное уничтожение вторичных волн по краям фронта оказывается менее полным, поэтому выходящий из трубы звук низкого тона имеет меньшую направленность и расходится в стороны. Явление, которое мы обозначали как взаимное уничтожение или взаимодействие волн , на языке физики называют интерференцией . Интерференция имеет место всегда, когда две волны одновременно проходят через одну точку. Это очень распространенное явление впервые мы встретились с ним, рассматривая прохождение звука в резонансной трубе в результате интерференции исходной и отраженной волн возникала стоячая волна. На этом принципе построены применяемые в лабораториях интерферометры— это особые резонансные трубы для измерения отражательной способности вещества, которое помещают на конце трубы. [c.139] На рис 35 изображена замороженная сферическая волна. На рисунок нанесены и соединены друг с другом точки максимальных сгущений и разрежений в волне Помимо падающей волны, на схеме показаны большая отражающая поверхность и отраженная сферическая волна Здесь снова наблюдается интерференция сгущения и разрежения в одной волне будут взаимно уничтожаться или усиливаться при наложении на сгущения и разрежения в другой волне. Результат получается весьма любопытный обнаруживаются определенные зоны, где обе волны постоянно взаимодействуют конструктивно, усиливая интенсивность звука, и другие зоны, где их взаимодействие постоянно деструктивно и приводит к снижению интенсивности звука до нуля При низкочастотных звуках, с их большой длиной волны, эти зоны велики. [c.140] Мы рассмотрели процесс интерференции применительно лишь к чистому тону. Если звук содержит целый набор чистых тонов, интерференционная картина значительно усложнится А в случае беспорядочного шума, не содержащего периодических компонент, интерференция вообще не имеет устойчивого характера, зоны сильной и слабой интенсивности звука не формируются, так как длины волн, фазы и амплитуды звуков, составляющих шум, непрерывно меняются. [c.141] Вернуться к основной статье