Механічні хвилі. Звук

Процес поширення коливань у пружному середовищі називається хвилею. Механічною хвилею називають механічні коливання, що поширюються у просторі і несуть енергію.

Розрізняють два основні види механічної хвилі: пружні хвилі – поширення пружних деформацій – і хвилі на поверхні рідини.

У будь – якій точці, розміщеній на відстані х від першої в напрямку поширення хвилі, зміна величини відбувається також за гармонічним законом, проте з запізненням на час , де - швидкість поширення хвилі.

Запишемо рівняння плоскої хвилі:

(2.34)

Провівши вказані нижче перетворення:

, ;
,

Отримуємо диференційне рівняння хвилі, яке називають хвильовим рівнянням

(2.35)

Хвилі переносять енергію. Кількість енергії в одиниці об’єму середовища називається густиною енергії:

(2.36)

Пружною хвилею, коли коливання одних частинок середовища спричиняють коливання сусідніх частинок переноситься повна енергія:

(2.37)

Густина енергії:

,

(2.38)

де - густина середовища.

Для характеристики енергії хвилі використовують такі фізичні величини як потік енергії хвилі і інтенсивність енергії хвилі.

Потік енергії хвилі – кількісна характеристика перенесеної енергії, яка дорівнює відношенню енергії , яка переноситься хвилями через поверхню до часу , протягом якого вона переноситься:

(2.40)

Одиницею потоку енергії хвиль в системі СІ є Ват(вт).

Інтенсивність енергії хвиль чисельно дорівнює потокові енергії хвилі, яка переноситься через одиницю площі поверхні розташованої перпендикулярно до напряму поширення хвилі:

(2.41)

Одиницею інтенсивності енергії є .

(2.42)

Тоді

(2.43)

Вектор І, який показує напрямок поширення хвиль і рівний потоку енергії хвиль, який проходить через одиничну площу, перпендикулярну цьому напрямку, називають вектором Умова.

Вектор Умова для пружної хвилі залежить від густини середовища, квадрата амплітуди коливань частинок, квадрату частоти коливань і швидкості поширення хвилі.

Звук – це хвильовий процес. Власне звуком називають механічні хвилі, частота яких лежить у межах 16-20000 Гц. Механічні хвилі з частотою меншою 16 Гц називають інфразвуковими, а більшою від 20000 Гц – ультразвуковими. У твердих тілах звук поширюється у вигляді поздовжніх і поперечних хвиль. Оскільки рідини і гази практично не мають пружності зсуву, то в таких середовищах звук поширюється лише у вигляді поздовжніх хвиль. У газах і рідинах звукові хвилі є періодичними згущеннями і розрідженнями середовища, що віддаляються від джерела звуку з певною характерною для даного середовища швидкістю.

Всі звуки можна поділити на:

1. тони або музичні звуки;

2. шуми;

3. звукові удари.

Тони характеризуються періодичними коливаннями. Якщо коливання гармонічні, то тони називаються простими або чистими. Періодичні негармонійні коливання характеризують складний тон. Складний тон характеризується гармонічним спектром. Складний тон можна розкласти на прості. Найменша частота такого розкладу відповідає основному тону, інші гармоніки (обертони) мають частоти, крайні : , , і т. д. Набір частот, що утворюють складний тон з вказівкою їх відносної інтенсивності, називається гармонічним акустичним спектром.

Шумом називається звук, що відрізняється складною, неповторюючою часовою залежністю.

До шуму відносяться звуки від вібрації і руху машин, скрип, аплодисменти, шелест, приголосні звуки мови і т.п.

Звуковий удар – це короткочасна звукова дія: стук, оплески, вибух і т.п.

Звук характеризують інтенсивністю (звуковий тиск), частотою, гармонічним спектром, за суб’єктивним відчуттям розрізняють такі характеристики звуку: гучність, тембр і висоту.

Інтенсивність плоскої хвилі пов’язана зі звуковим тиском залежністю:

(2.44)

де - густина середовища, – швидкість звуку. Добуток швидкості с звуку в даному середовищі на густину середовища називається питомим акустичним опором середовища і є основною характеристикою її акустичних властивостей. Для повітря (за нормальних умов)

Поиск по сайту: