Природа звука. Звуковое поле

Упругие волны, распространяющиеся в сплошных средах, на­зываются звуковыми волнами. Собственно звуком называются волны, частоты которых лежат в пределах восприятия человече­ским органом слуха. Ощущение звука возникает у человека, если на его слуховой аппарат воздействуют волны с частотой примерно от 16 до 20 000 гц. Волны с частотой, лежащей за пределами этих границ, не слышны, так как не создают слуховых ощущений. Упругие волны с частотой ниже 16 гц называются инфразвуком, а с частотой от 20 000 гц до 10⁸—10⁹ гц — ультразвуком. Область физики, которая изучает способы возбуждения звуковых волн, их распространение и взаимодействие со средой, называется аку­стикой.

Полученные нами в предыдущих главах общие закономерности колебательного и волнового видов механического движения приме­нимы и к изучению акустических явлений. Однако ряд специаль­ных вопросов, связанных с особенностями восприятия звука и его технического использования, привел к выделению акустики в осо­бую область физики.

Для возникновения и распространения звуковых волн необ­ходимо наличие упругой среды (твердое тело, воздух, вода). Чтобы убедиться в этом, поместим обычный электрический звонок под воздушный колокол. Пока из-под колокола воздух не откачан, звонок отчетливо слышен. По мере откачивания воздуха звук ос­лабевает и наконец пропадает вовсе. Воздушная среда под коло­колом становится настолько разреженной, что уже не может пе­редавать звуковые колебания. Разрежение должно быть таким, чтобы молекулы газа находились друг от друга на расстояниях боль­ших, чем расстояния, на которых проявляются силы молекуляр­ного взаимодействия. Тогда молекулы, получившие от молоточка звонка некоторое количество движения, не могут передать его нап­равленно соседним молекулам, а рассеивают при случайных соуда­рениях, которыми обмениваются в тепловом движении.

Как мы видели, возникновение волн возможно, если среда ока­зывает упругое сопротивление деформациям и обладает инерцией.

Твердое тело оказывает сопротивление деформациям как продоль­ным — растяжению и сжатию, так и сдвигу. Поэтому в твердом теле звуковые волны могут быть и продольные, и поперечные. В жидкостях и газах, которые не оказывают в обычных условиях сопротивления сдвигу, звуковые волны только продольные.

Звуковые волны в среде создаются колеблющимся телом. На­пример, колебание мембраны телефона создает в прилегающем слое воздуха последовательно сжатия и разрежения, распространяющие­ся во все стороны.

Для изучения состояния среды, в которой распространяется звуковая волна, можно прибегнуть к способу, который мы исполь­зовали при изучении движения жидкости. В каждой точке про­странства, заполненного средой, находящейся в состоянии звуко­вого движения, происходят периодические изменения: а) положе­ния частицы относительно равновесного, б) скорости смещения частицы, в) величины давления (сжатия и разрежения) относительно среднего их значения, существующего в невозмущенной среде. Изменение давления в этом случае называется избыточным или звуковым давлением. Если мы представим себе, что в каждой точке среды находятся миниатюрные датчики приборов, измеряющих эти величины, то их одновременные показания дадут нам мгновенную картину состояния среды. Ряд следующих друг- за другом таких мгновенных картин даст изменение состояния среды со временем. Поскольку волновое движение периодично и во времени, и в про­странстве, то, зная скорость распространения звуковой волны' и пронаблюдав изменение указанных выше характеристик в одной точке изотропной среды с малым затуханием, можно найти их для всего пространства, занятого средой, в которой распространяются звуковые волны. Пространство, заполненное средой в состоянии звукового движения, называется звуковым полем.