Механические волны и звук

Механической (упругой) волной называют процесс распространения механических колебаний в упругой среде (газе, жидкости или твердом теле) с течением времени.

Главный фундаментальный принцип волнового движения: волна переносит энергию и импульс механических колебаний из одной точки пространства в другую БЕЗ переноса самого вещества среды!

Частицы среды лишь совершают колебания около своих положений равновесия.

Классификация волн по направлению колебаний частиц относительно направления распространения волны:

1. Поперечные волны — колебания частиц происходят перпендикулярно направлению распространения волны (волны на струне, рябь на воде, сейсмические S-волны). Возникают только в твердых телах при наличии упругой деформации сдвига!

2. Продольные волны — колебания частиц происходят вдоль направления распространения волны (сжатие и разрежение среды). Возникают в любых средах: газах, жидкостях и твердых телах.

Волновой процесс характеризуется пространственно-временными величинами:

1. Скорость волны (v) — скорость распространения волнового фронта (фазы колебаний) в среде в м/с. Скорость механической волны определяется исключительно физическими свойствами среды (упругостью и плотностью) и не зависит от частоты колебаний источника.

2. Длина волны (λ — лямбда) — расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний T, или кратчайшее расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе (например, расстояние между соседними гребнями волны):

λ = v · T = v / ν.

Основное волновое уравнение, связывающее скорость, частоту и длину волны:

Звук — это механические продольные упругие волны, воспринимаемые человеческим слухом в диапазоне частот от 16–20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц).

Источником звука всегда является колеблющееся тело (струна, мембрана динамика, голосовые связки, камертон). Для распространения звука обязательна материальная среда: в абсолютном вакууме космоса звук распространяться не может!

Скорость звука зависит от плотности и упругих свойств среды:

• В воздухе (при 20 °C): v_возд ≈ 343 м/с (около 1235 км/ч);

• В воде (при 20 °C): v_воды ≈ 1480 м/с (в 4.3 раза быстрее, чем в воздухе);

• В стали и железе: v_стали ≈ 5000–5800 м/с (в 15 раз быстрее воздуха!).

С повышением температуры воздуха скорость звука растет: v ≈ 331 + 0.6·t (°C).

Субъективное слуховое восприятие звука напрямую связано с объективными физическими параметрами волнового процесса:

1. Высота звука определяется частотой колебаний источника: чем выше частота ν, тем выше тон звука (бас — 80–150 Гц, сопрано — 1000–1200 Гц, писк комара — до 10 000 Гц).

2. Громкость звука определяется амплитудой колебаний A и интенсивностью звуковой волны: чем больше амплитуда колебаний мембраны, тем громче звук. Уровень громкости измеряется в децибелах (дБ): шепот — 20–30 дБ, нормальная речь — 50–60 дБ, шум автострады — 80 дБ, болевой порог слуха — 120–130 дБ.

3. Тембр (окраска звука) определяется его спектральным гармоническим составом — набором дополнительных высших частот (обертонов), сопровождающих основной тон. Благодаря тембру мы безошибочно отличаем звучание скрипки от фортепиано или голос знакомого человека на одной и той же ноте.

1. Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже 16 Гц. Плохо поглощается средой, распространяется на тысячи километров (гул штормов, землетрясений, извержений вулканов, рев двигателей ракет).

2. Ультразвук — звуковые колебания с частотой выше 20 кГц (до десятков мегагерц). Обладает малой длиной волны, распространяется узкими направленными пучками и отражается от мельчайших неоднородностей.

Применение ультразвука: УЗИ-диагностика в медицине, гидролокаторы и эхолоты на кораблях для измерения глубины дна (h = v·t / 2), дефектоскопия сварных швов, ультразвуковая чистка деталей.

Биолокация: летучие мыши и дельфины ориентируются в пространстве и охотятся с помощью эхолокации ультразвуковыми импульсами.

3. Акустический резонанс: резкое усиление звучания при совпадении собственной частоты воздушного резонатора с частотой источника (деки гитары, скрипки и рояля усиливают звук струн).