Волновое движение

Колеблющееся тело (камертон, струна, мембрана), находящееся в упругой среде, приводит в колебательное движение соприкасающиеся с ним частицы среды, вследствие чего в прилегающих к этому телу элементах среды возникают периодические деформации. Деформации (например, сжатия или разряжения среды) ведут к возникновению упругих сил, которые стремятся элементы среды вернуть в первоначальное состояние равновесия - возникают упругие колебания среды.

Так как соседние элементы среды взаимодействуют друг с другом, то эти упругие деформации будут передаваться от одних участков среды к другим.

Процесс распространения колебательного движения в среде называется волной. Волны могут быть продольными, когда частицы среды колеблются вдоль линии, совпадающей с направлением распространения колебания, и поперечными, когда частицы среды колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны. В жидкостях и газах возникают только продольные волны, распространяющиеся в виде чередующихся сжатий и разряжений среды. Механические деформации, распространяющиеся в упругой среде, называются упругими волнами. Уравнение колебания запишется:

(3.21)

Это — общее уравнение бегущей плоской синусоидальной волны. Оно определяет для любого момента времени t отклонение от положения равновесия колеблющихся частиц, находящихся в покое на расстоянии х от начала отсчета. Отклонение (смещение) у является функцией координаты частицы в покое х и функции времени t. Расстояние , пройденное волной (определенной фазой колебания) за один период колебания, называется длиной волны, т.е. длина волны – расстояние между соседними точками, находящимися в одинаковой фазе, следовательно ; , где - частота колебания частиц среды (частота волны).

Волновое поле может быть очень сложным вследствие наложения на него нескольких волновых процессов. В этом случае, как и при гармонических колебаниях, результирующее смещение частицы среды в любой момент времени является геометрической суммой смещений, вызываемых каждым из отдельно взятых колебаний.

3.6.5. Звук

Звук представляет собой колебания упругой среды, воспринимаемой нашими органами слуха.

Благодаря своему устройству, нормальное человеческое ухо способно воспринимать не любые колебания, а лишь такие, частота которых лежит в пределах от 16 до 20000 Гц. Этот интервал частот носит название собственно звуковых колебаний. Колебания с частотами, большими 20000 Гц, носят название ультразвуков и могут быть восприняты специальными приборами. Колебания с частотами, меньшими 16 Гц, носят название инфразвуков, и для их восприятия также сконструированы приборы, расширяющие возможности наших органов чувств. Большое число одновременных звуковых колебаний с самыми различными частотами создают впечатления шума.

Интенсивность звука может быть представлена энергетической характеристикой (вектором Умова), то есть энергией, переносимой распространяющейся волной через единицу площади за единицу времени. Величина потока энергии (вектор Умова) обозначается буквой J, а измеряется в Вт/м² и для звукового поля называется силой звука. Сила звука является физической характеристикой интенсивности звуковых колебаний. Мы оцениваем ее субъективно как громкость звука. Нормальное человеческое ухо способно воспринимать звуки, сила которых превышает некоторое минимальное значение, различное для различных частот J_min = f(v). Величина J_min называется порогом слышимости звука и для средних частот v=10³ Гц, лучше всего воспринимаемых ухом, составляет около Вт/м². Приведем значение силы звука для различных случаев в Вт/м²: тиканье ручных часов, шепот на расстоянии 1м - , разговор вполголоса - , громкая речь - , громкое пение - , сильные раскаты грома -1, реактивный двигатель - 10. При очень большой силе звука порядка 10 Вт/м² звук начинает восприниматься, кроме уха, органами осязания, а в ушах вызывает

болевое ощущение. Поскольку наше ухо способно воспринимать звуки, отличающиеся по силе в 10¹³ раз, то оно нечувствительно к малым изменениям силы звука и замечает прирост громкости звука при увеличении силы последнего не менее чем на 10-20%. Поэтому в качестве характеристики интенсивности звука выбирают обычно не силу звука J, а десятичный логарифм последней, точнее величину

,

где = Вт/м². Величина называется уровнем силы звука и измеряется в Белах. Из приведенного выражения для следует, что уровень силы звука в 1 Бел соответствует силе звука, равной . Наряду с этой единицей пользуются в 10 раз более мелкой единицей, называемой децибелом (дБ), тогда дБ.

Скорость распространения звука в различных средах различна. В твердых телах могут распространяться звуковые упругие колебания двух типов: продольные и поперечные.

В жидкостях могут распространяться практически только продольные звуковые волны сжатия и разрежения.

В твердых телах скорость звука составляет от 2000 до 6000 м/с, а в жидкостях - от 700 до 2000 м/с (в воде v = 1400 м/с). В воздухе при 0°С скорость звука v = 331 м/с.

Ультразвук, обладая высокими частотами (v>20 кГц), следовательно, малыми длинами волн может быть получен в виде строго направленных пучков. А если интенсивность пучка будет большой, то ультразвуковая волна на своем пути создает значительные пульсации давления и тем самым оказывает сильные воздействия (механические, биологические, химические) на среду, через которую она проходит, что в частности предопределяет их использование для гидролокации, дефектоскопии, акустоэлектроники, механической обработки очень твердых и очень хрупких тел. Механические (акустические) и электромагнитные колебания широко распространены в природе.