ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Колебания и волны в среде из "Бытовые акустические системы " Рассмотрим процесс возникновения и распространения колебаний в воздушной среде. [c.10] Пусть имеется бесконечно большая жесткая стенка С, в которой может передвигаться вправо и влево относительно своего положения равновесия поршень П (рис. 4). Пусть, например, в данный момент поршень идет вправо, толкая находящиеся перед ним частицы воздуха. Частицы, отклоняясь от своего положения равновесия, в свою очередь толкают частицы, находящиеся вправо от них, т. е. следующие за ними и т. д. Справа от поршня образуется сгущение воздуха или область с повышенным атмосферным давлением. Толчки от одной частицы воздуха к другой передаются все дальше от поршня, вследствие чего вправо от него распространяется сгущение. Пусть теперь поршень после того, как он достиг своего крайнего правого положения, начал передвигаться влево. Тогда перед ним образовывается разрежение воздуха, или область с пониженным атмосферным давлением. Поскольку у поверхности поршня создалась область разрежения, туда устремятся- примыкающие к ней частицы воздуха. На том месте, где они находились, в свою очередь образуется область разрежения, в которую устремятся другие, примыкающие к этой области, частицы воздуха. В результате вправо от поршня будет распространяться разрелсение. Таким образом, колебания поршня периодически вызывают во внешней среде (воздухе) возмущения. в виде сгущения и разрежения, причем одному периоду колебаний (движение поршня вперед и назад) соответствует одно сгущение и одно разрежение. [c.10] Давление р, измеренное в какой-то определенной точке среды, окружающей поршень, изменяется в зависимости от времени по закону, подобному закону движения поршня. При колебательном движении поршня давление в рассматриваемой точке сначала нарастает, становясь больше атмосферного давления рц, а затем спадает до значения меньшего, чем атмосферное давление, и, наконец, опять увеличивается до значения ро. [c.10] Звуковое давление, как и всякое давление, измеряется силой, действующей яа единицу площади. Поэтому в акустике за единицу звукового давления принято такое давление, при котором на площадь в 1 м действует сила, равная 1 Н. Эта единица звукового давления называется паскаль (Па). Паскаль является удобной единицей измерения, так как в большинстве случаев значения звукового давления изменяются от сотых долей паскаля до нескольких его едн-виц. Звуковое давление при средней громкости разговора составляет доли паскаля. Среднее атмосферное давление, соответствующее давлению ртутного столба высотой 760 мм, составляет приблизительно 10 Па. [c.11] Как и другие акустические величины, звуковое давление также измеряется в действующих значениях. [c.11] Состояние среды в рассматриваемой точке можно охарактеризовать не только изменением давления в ней, но и скоростью частиц воздуха нли смещением их относительно положения равновесия. При синусоидальных колебаниях поршня кривые скорости или смещения частиц в зависимости от времени имеют также синусоидальную форму. [c.11] На рис. 6 изображено изменение во времени скорости частиц, обычно называемой в акустике колебательной скоростью. Колебательная скорость х в разные моменты времени имеет разные значения и знаки. Таким образом, в звуковом поле каждая частица среды находится в определенной фазе колебаний. [c.11] колебания источника звука (например, поршня) вызывают в среде сгущения и разрежения. Область, в которой наблюдаются сгущения и разрежения, называется звуковым полем. Сгущения и разрежения распространяются в среде с определенной скоростью, называемой скоростью распространения звука. [c.11] Для воздуха при этих условиях скорость распространения звука равна 331 м/с, а при 20° С она повышается до 344 м/с. [c.12] Скорость звука никоим образом не следует смешивать с колебательной ско-рестью частиц среды. Колебательная скорость частиц среды в зависимости от различных условий (иапример, от амплитуды, частоты колебаний источника звука) может иметь разные значения, при этом во много раз меньшие скорости распространения звука. Процессы колебаний частиц среды и распространения звука. различны и по суш,еству. В то время как звук при отсутствии препятствий может распространяться в среде сколь угодно далеко от источника, частицы среды колеблются около своего положения равновесия и поступательного движения ие имеют. [c.12] Если одновременно измерить звуковое давление в различных точках прямой в направлении распространения звука, то с помош ью полученных значений можно построить кривую зависимости звукового давления р от расстояния г. Прн синусоидальных колебаниях источника звука эта кривая имеет показанную иа рнс. 7 форму, также близкую к синусоиде. Правда, полученная кривая будет отличаться от идеальной синусоиды последуюш ие амплитуды ее уменьшаются по мере удаления от источника в результате того, что энергия звука распределяется иа все большую поверхность и поглош ается в самой среде. [c.12] Расстояние Я между самыми близкими точками (например, В В2), в которых колебания находятся в одной и той же фазе, называется длиной волны. Так, для частот звука от 50 до 10 000 Гц длины волны в воздухе изменяются ог 6,8 м до 3,4 см. [c.13] Величина к в акустике обычно называется волновым числом. Через все точки, в которых колебания находятся в одной фазе, можно провести поверхность.-Эта поверхность называется волновой или фронтом волны. В зависимости от формы, которую имеет поверхность фронта волны, различают волны сферические, плоские и т. д. Представим себе источник звука в виде пульсирующего шара, например резиновой оболочки, в которую попеременно нагнетается и из которой откачивается воздух. Такой источиик звука посылает в среду сгущения и разрежения равномерно во все стороны, возбуждая сферические волны. Но на большом расстоянии от источника отдельные участки поверхности фронта сферической волны можно считать плоскими. [c.13] Практические источники звука обычно не дают ни той ни другой формы волны в чистом виде. При возбуждении звуковых волн энергия от источника поступает в среду. Благодаря этой энергии возникают колебательные движения частиц среды. Энергия этих колебаний может передаваться телам, помещенным в звуковое поле. Энергию звукового поля можно характеризовать количеством энергии, проходящей через единицу площади, расположенной в поле перпендикулярно направлению распространения звука за единицу времени (рис. 8). Эта величина называется интенсивностью звука и измеряется в ваттах на квадратный метр. [c.13] Для сферической волны по заданной интенсивности на заданном расстоянии от источника легко определить мощность источника. Действительно, на расстоянии г от источника соответствующая сферическая поверхность равна 4яг, Еслн через каждый квадратный метр этой поверхности проходит мощность I, то мощность, проходящая через всю поверхность, составит 4пгЧ. Эту мощность Р должен доставить источник. [c.13] Интенсивность в сферической волне обратно пропорциональна квадрату расстояння от источника. Но интенсивность связана со звуковым давлением в сферической волне соотношением = р 1 рс), здесь рс — волновое илн удельное акустическое сопротивление среде, представляющее собой произведение плотности среды р на скорость звука с в ней. Для воздуха при 20° С н 760 мм рт. ст. рс=415 кг/(с-м ). [c.13] Эти соотношения аналогичны закону Ома и зависимости мощности от тока в напряжения в электрической цепи с активным сопротивлением. [c.14] Так как значения акустических величин меняются в очень широких пределах, то их удобно выражать не в абсолютных значениях, а в логарифмических. К тому же громкость звука приближенно пропорциональна логарифму акустических величин (звукового давления, интенсивности н т. п.). Для вычисления таких логарифмических значений (уровней) пользуются следующими зависимостями. [c.14] Вернуться к основной статье