Физика звуковой волны

Понятие «звук» самым тесным образом связано с понятием «волна». Что же переносится в пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема к другой в виде колебаний. Таким образом, волна – это процесс перемещения в пространстве изменения состояния. Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). В результате каких-либо возмущений (например, колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так по цепочке происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука. Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. Скорость распространения колебаний зависит от среды, в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330 м/с. Таким образом, время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника звука. Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с распространением волн в пространстве. Перечислим наиболее важные из них. Интерференция – усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Эффект возникновения биений используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться. Звуковые волны, при их падении на границу раздела с другой средой, могут отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения – преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела. Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Этот эффект называют поглощением звуковых волн. Важно отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна. Следует упомянуть также явление волнового движения в замкнутом объеме, суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука – изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как реверберация (от лат. «reverbero» – «отбрасываю»). Эффект реверберации широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств. Способность огибать препятствия – свойство звуковых волн, называемое в науке дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует . Еще один эффект, связанный с волновым движением – эффект резонанса. Звуковая волна, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору), которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. В случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора и сказывается на длительности звучания . Можно упомянуть и эффект Допплера – заключается в том, что длина волны изменяется соответственно изменению скорости движения слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель приближается к источнику волны, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот. Все эти явления учитываются и широко используются акустике, звукообработке и радиолокации.