Звук. Часть 3

Вы тронули гитарную струну. Она пришла в движение, увлекла за собой окружающий воздух, и во все стороны от колеблющейся струны пошли звуковые волны. В самых общих чертах процесс образования и распространения звуковых волн выглядит так.

Двигаясь, струна сжимает воздух впереди себя, создает повышенное давление. Разумеется, область с повышенным давлением не может оставаться изолированной. Давление передается соседним участкам, и от струны катится своеобразный вал сжатого воздуха.


Рис.4. График изменения звукового давления как бы повторяет график колебания струны. Запаздывание звука зависит от расстояния до звучащего тела (струна) и может быть подсчитано, исходя из того, что скорость звука в воздухе примерно равна 330м/сек.

Но струна не просто движется — она совершает колебания. Это значит, что через некоторое время струна пойдет в обратную сторону, и там, где только что происходило сжатие воздуха, начнется его разрежение. Пониженное давление также передается соседним участкам, и вслед за валом сжатия следует вал разрежения. Затем струна вновь меняет направление, и за разреженной областью появляется область сжатия, за ней опять разрежение и т. д., до тех пор пока струна колеблется. Бегущие одна за другой области сжатия и разрежения — это как раз и есть звуковые волны.

Звуковые волны чем-то напоминают волны на поверхности воды. Гребень морской волны можно сравнить с областью сжатого воздуха, впадину — с областью разрежения. В обоих случаях само вещество — воздух либо вода — не переносится имеете с волной, а лишь совершает колебание: поднимается — опускается, либо сжимается — разжимается.

У морских волн колебания происходят перпендикулярно направлению движения самой волны — волна движется горизонтально, а вода колеблется вверх-вниз. Такие волны называют поперечными. У звуковой волны колебания направлены вдоль линии распространения, проще говоря — вперед-назад. Поэтому звуковые волны называют продольными. Кстати, продольные волны могут распространяться в воде так же, как и в любой другой жидкости или твердом теле. При этом происходит ничтожное, измеряемое микронами и миллионными долями микрона, смещение вещества вперед-назад.

Вернемся к «учебной» струне, график колебаний которой приведен на рис. 1. Поместим на некотором расстоянии от струны манометр, который будет измерять давление воздуха, и будем записывать все результаты измерений (рис. 4). Мы вводим такой прибор, конечно, условно: для нас это как бы мысленный эксперимент. Но такие измерения все же можно сделать с помощью электронных приборов.

Отрегулируем манометр так, чтобы он показывал лишь отклонение давления воздуха от обычной величины. Это значит, что при нормальном атмосферном давлении прибор покажет нуль. Под действием звуковых волн стрелка манометра будет отклоняться то в одну, то в другую сторону, показывая то сжатие ( + ), то разрежение (—). График изменения звукового давления (часто его называют графиком звуковых колебаний) в точности повторяет график изменения скорости струны. Здесь, правда, нужно сделать оговорку. Все графики, приведенные на рис. 1 (отклонения, скорости, энергии), очень похожи, и поэтому график звука можно зачислить в «родственники» к любому из них. И все же мы будем считать, что звуковое давление следует за изменением скорости: чем быстрее движется струна, тем большее давление она создает.

Сравнивая графики колебаний струны и звуковых колебаний, сразу же введем уже знакомые нам основные характеристики, или, как принято говорить, параметры звука: период, частоту, фазу, мгновенное значение и амплитуду. Разумеется, все эти параметры теперь относятся к звуковым колебаниям, то есть к изменению давления воздуха. Что касается периода, частоты и фазы, то с этими параметрами дело обстоит довольно просто — они, как и прежде, измеряются в секундах, герцах, градусах. А вот амплитуда и мгновенные значения должны быть выражены в единицах давления.

Как известно, давление говорит о той силе, которая действует на определенную поверхность. Поэтому единица давления представляет собой единицу силы, или, что то же самое, единицу веса, отнесенную к единице площади. В новой международной системе единиц СИ давление измеряют в ньютонах на квадратный метр, или, сокращенно, н/м2. Ньютон (н) в системе СИ — это величина силы (веса), которая примерно равна 92 г. Таким образом, если на стандартный лист фанеры площадью около 2 м^2 мы выльем стакан воды (вес около 200 г) и равномерно распределим эту воду по листу, то каждый его участок будет испытывать давление около 1 н/м^2.

Единицей звукового давления н/м^2 стали широко пользоваться сравнительно недавно, и в литературе прежних лет вы встретите другую единицу — бар (дин/см^2), который в 10 раз меньше 1 н/м^2, то есть 1 н/м^2 = 10 бар; 1 бар = 0,1 н/м^2.

Если вы захотите сказать, насколько сильный звук действует в какой-либо точке пространства, то наверняка назовете величину звукового давления в этой точке. Но какую величину надо назвать? Мгновенное значение ни о чем не скажет, так как оно непрерывно меняется. Называть амплитуду тоже не совсем правильно — ведь амплитудное давление бывает сравнительно редко, всего два раза за период, а все остальное время звуковое давление значительно меньше.

Когда говорят о звуковом давлении, то обычно имеют в виду его так называемую эффективную величину. Она учитывает тот эффект, который производит звуковая волна в среднем за весь период, и поэтому эффективная величина всегда меньше амплитуды. Так, в частности, для звуковых колебаний, график которых показан на рис. 4, эффективное звуковое давление меньше амплитудного на 30%. В дальнейшем, когда мы будем говорить о звуковом давлении, то всегда будем иметь в виду эффективное, или действующее, значение.

Если поместить на пути звуковой волны легкую пластинку, например листок бумаги, то волна заставит эту пластинку двигаться, совершать колебания. Как мы увидим дальше, такие вынужденные колебания тонких пластинок-мембран лежат в основе работы многих музыкальных инструментов, микрофонов, человеческого уха.

О способности звуковой волны выполнять работу, например раскачивать листок бумаги, можно судить по звуковому давлению. Однако чаще работоспособность волны характеризуют так называемой интенсивностью или силой звука. Величина эта показывает, какая звуковая мощность приходится на единицу поверхности, на которую падает волна звука. В системе СИ единицей силы звука служит ватт на квадратный метр — вт/м^2. Раньше пользовались другой единицей: мощность относили к площади в квадратный сантиметр — 1 вт/см^2 = 10 000 вт/м^2; 1 вт/м^2 = 0,0001 вт/см^2.

Если бы марсианину, прилетевшему на Землю, сказали, что у нас единицей длины служит метр, а единицей времени— секунда, то он наверняка попросил бы, чтобы ему пояснили, много это или мало. Так и вы, по-видимому, тоже хотите знать, как выглядят и «чего стоят» применительно к звуковым волнам единицы н/м^2 и вт/м^2. В дальнейшем мы часто будем встречаться с этими единицами, а пока для их характеристики приведем лишь три примера.

Шорох листьев на расстоянии 1 м создает звуковое давление около 0,0001 н/м^2 (это в 10 тысяч раз меньше, чем давление стакана воды, распределенной по листу фанеры) и силу звука около 0,000 000 000 01 (10 ^ -11) вт/м^2. На шумной улице звук, конечно, намного громче. Звуковое давление здесь достигает 0,2 н/м^2, а сила звука 0,0001 вт/м2. Наконец, мощный реактивный двигатель на расстоянии 5 м создает звуковое давление 20 н/м^2 и силу звука около 1 вт/м^2.

Следующие два параметра звука, с которыми нам предстоит познакомиться, — это скорость распространения и длина волны.

Если вы взглянете на график звука и график колебаний струны (рис. 4), то сразу же заметите их различие — звуковые колебания несколько запаздывают. В нашем примере они в точности следуют за всеми колебаниями струны, но следуют с опозданием на 0,1 сек. Это время необходимо звуковой волне для того, чтобы добежать от струны до той точки, где мы измеряем давление. Если измерить расстояние между струной и нашим воображаемым манометром, то можно подсчитать скорость распространения звуковой волны. Скорость звука, измеренная таким способом в различных веществах, приведена в табл. 1. Можно решить и обратную задачу. Взяв из этой таблицы скорость звука в воздухе (330 м/сек) и вспомнив, что опоздание звука составляет 0,1 сек, мы легко определим расстояние между струной и манометром. Оно составляет 33 м. Подобным же образом, заметив, на сколько секунд запаздывает гром, легко подсчитать расстояние до места вспышки молнии.

Таблица 1. Скорость звука в различных веществах (в метрах в секунду — м/сек)

Воздух 0°С 331
Воздух 20°С 344
Водород 1284
Углекислый газ 259
Гелий 965
Вода 1497
Вода морская 1550
Керосин 1300
Масло льняное 1770
Алюминий 5080
Лед 3280
Сталь 5050
Пробка 500
Резина 46

Что такое длина звуковой волны, легко понять, если вспомнить наше старое сравнение — с морскими волнами. Там длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими гребнями или двумя ближайшими впадинами. Аналогично для звука длина волны — это расстояние между двумя ближайшими участками с максимальным (амплитудным) давлением или максимальным разрежением воздуха.

Длина звуковой волны зависит от частоты и скорости распространения звука. Чем выше частота, тем чаще следуют друг за другом области сжатия и разрежения, тем, следовательно, короче волна. А с увеличением скорости звука длина волны, наоборот, увеличивается. Чем быстрее распространяется звук, тем дальше успевает уйти один гребень от другого, тем больше расстояние между ними.

Нужно сказать, что акустика имеет дело со сравнительно короткими волнами. Так, например, при частоте 100 гц длина звуковой волны 3,3 м; частоте 500 гц соответствует волна 66 см, а частоте 20 кгц— 1,7 см. Данные эти относятся только к воздуху, к скорости звука 330 м/сек. В другой среде, с иной скоростью распространения звука, и длина волны будет иной. Так, в воде звук распространяется намного быстрее, и за время одного периода гребень звукового давления успевает пройти в четыре раза большее расстояние, чем в воздухе. Поэтому расстояние между гребнями, то есть длина вол-

ы в воде, также в четыре раза больше. Для приведенных выше значений частоты мы получим примерно такие длины волн: 14 м, 280 см и около 7 см.

Для распространения звука в плотной среде, в частности в жидкости, важна еще одна особенность. Звуковые волны, особенно самые длинные, не встречают значительного сопротивления, хорошо сохраняют энергию, полученную от излучателя, и поэтому проходят весьма большие расстояния. Это позволяет пользоваться звуком для дальней подводной звуковой связи, пеленгации и локации. Гидролокатор, подобно нашей струне, посылает в подводное царство звуковые волны и внимательно «слушает», когда и откуда вернется эхо. Своеобразным гидролокатором является широко распространенный прибор — эхолот. Улавливая отраженный от дна звук, он определяет глубину водоема. Эхолот используют также для обнаружения косяков рыбы.

Другой прибор — гидроакустический пеленгатор — только «слушает». Он обнаруживает на большом расстоянии невидимый источник подводного звука — например, работающий корабельный двигатель. Существуют и подводные звуковые маяки, по сигналам которых капитаны могут вести свои корабли.

Вы можете и сами понаблюдать, насколько хорошо вода проводит звуковые волны. Когда будете нырять в реке или в море, прислушайтесь к подводным звукам. Вы услышите, как у берега волна играет камешками, услышите, как стучит двигатель проходящего вдали парохода.

Легко убедиться и в том, что звук хорошо распространяется в твердых телах. Приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать шум приближающегося поезда задолго до его появления, когда звуки, идущие по воздуху, еще совсем не слышны. Подобным образом интересно послушать и водопроводную трубу — она может «донести» до вас много далеких шумов.

В технике широко используют специальные приборы — акустические дефектоскопы, которые следят за тем, как проходит звук по твердому телу. С их помощью удается обнаружить невидимый дефект в ответственной детали, например раковину в стальном вале электрогенератора или трещину в бетонном фундаменте будущего дома.

Можно рассказать много интересного о свойствах звуковых волн, о том, как акустика помогает самым различным областям науки и техники, о новых акустических приборах. Однако пора возвращаться к своей главной задаче — к знакомству с характеристиками звуковых колебаний.

Дата публикации: 13.04.2012

Комментарии:

Комментариев нет.

Оставить комментарий

Поиск