Скорость распространения волны

Если за время tодна частица среды переместилась из точкиМв точкуM₁, а другая из точкиNв точкуN₁, то остальные частицы переместятся так, что профиль поверхности раздела «вода – воздух» тоже переместится, и стороннему наблюдателю, не различающему частиц среды, будет казаться, что профиль смещается вдоль оси0Xсо скоростью(рис. 3).

Рис. 3

Можно показать, что скорость движения профиля волны будет постоянной и равной

,

т.е. за время полного колебания частицы среды Мпрофиль волны переместится на расстояние, равное длине волны. Используя выражение для частоты колебаний частиц в среде, получим

16. Звуковые волны. Ультразвук и его использование в технике и медицине.

Колебания мембран, металлических деталей, голосовых связок, происходящие в воздухе с частотой от 20 до 20000 Гц, приводят к смещению около них молекул воздуха и созданию зон повышенной и пониженной концентрации этих молекул (а значит, и зон повышенного и пониженного давления воздуха). Распространение чередующихся зон повышенного и пониженного давления или продольных колебаний молекул упругой среды в указанном частотном диапазоне человек воспринимает как звук. На рисунке 4 схематично показан способ создания зон повышенного и пониженного давления в трубе при быстром движении поршня.

Звуковая волна способна вызывать вынужденные колебания барабанной перепонки человеческого уха, которые в конечном итоге регистрируются мозгом.

Рис. 4

Длиной волны можно считать расстояние между двумя зонами максимального разрежения или сжатия, однако определение длины волны, данное ранее, для любых волн остается в силе. Справедливо и соотношение между скоростью звука, длиной волны и частотой:=. Скорость звука меняется от среды к среде и при нормальных условиях составляет около 340 м/c в воздухе, около 1500 м/с в воде и около 5500 м/с в стали. Диапазон длин звуковых волн в воздухе составляет от 1,7 см до 17 м.

Рис. 5

Высота тона звука– субъективное слуховое ощущение, зависящее, главным образом, от частоты звука и позволяющее расположить все звуки по шкале от низких до высоких. Чем выше частота колебаний в звуковой волне (чем меньше длина волны), тем выше звук. Звук определенной частоты (рис. 5,а) излучается только с помощью динамика, присоединенного к электрическому генератору. В реальном случае форма колебаний сигнала источника звука, а значит, и форма графика колебаний частиц среды, существенно отличается от синусоиды (рис. 5,б). Даже при излучении звука динамиком форма вынужденных колебаний мембраны динамика, происходящих под действием электромагнита, отличается от синусоиды (при приближении к частоте собственных колебаний мембраны возникают искажения). Поэтому музыкальные установки содержат несколько динамиков, которые испускают низкие звуки тяжелыми мембранами (рис. 6).

Рис. 6

Громкость звукав основном связана с амплитудой колебаний частиц среды, связанной с энергией, которую переносит механическая волна. Однако в реальности субъективное восприятие громкости звуков разных частот и одинаковой амплитуды оказывается различным. Человек способен воспринимать звуковые волны, различающиеся по переносимой ими энергии в миллионы раз, поэтому громкость звука выражают в децибелах (дБ), т.е. в логарифмической шкале.

Продольные волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц, распространяющиеся в воздухе, жидкостях и твердых телах, называют ультразвуком. Человеческое ухо такие частоты не воспринимает. Однако некоторые животные, например летучие мыши и дельфины, способны излучать и улавливать ультразвук. Благодаря этому дельфины уверенно ориентируются в мутной воде, а летучие мыши способны летать в полной темноте, не натыкаясь на преграды. В последнее время ультразвук получил широкое распространение в медицине.