Основные понятия акустики

Звуковые колебания частиц упругой среды (рис. 12.1, а) имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени а – a(t). Простейший процесс описывается синусоидой

где а max — амплитуда колебаний; w — угловая частота, w = 2пf; f —частота колебаний.

Сложные колебания характеризуются эффективным значени­ем на временном периоде Т.

Для синусоидального (рис. 12.1, б) процесса справедливо со­отношение

В зависимости от формы кривой, описывающей процесс, от­ношение эффективного значения к максимальному составляет от О до 1.

Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходят­ся во все стороны. Наглядным примером являются колебания волн на воде. При этом следует различать скорость распространения механических колебаний v (в нашем случае видимые поперечные колебания воды) и скорость распространения возмущающего дей­ствия с (продольные акустические колебания).

С физической точки зрения распространение колебаний состо­ит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой. Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса тре­бует определенных затрат времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом, колебания распространяются с  определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны — это фи­зическое свойство среды.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают несколько видов волн:

• плоскую, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью (рис. 12.2, а);
• цилиндрическую, создаваемую радиально колеблющейся бо­ковой поверхностью цилиндра;
• сферическую, создаваемую точечным источником колебаний типа “пульсирующий шар” (рис. 12.2, б).

Основными параметрами, характеризующими звуковую вол­ну, являются: длина звуковой волны л, м; скорость распростране­ния волны с, м/с; частота колебаний f Гц; звуковое давление Рзв, Па; интенсивность звука I, Вт/м^2.

Длина звуковой волны X равна длине пути, проходимого зву­ковой волной за один период Т.

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разре­жению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в обла­стях разрежения понижается. Разность между давлением, суще­ствующем в среде Рср в данный момент, и атмосферным давлени­ем Ратм называется звуковым давлением (рис. 12.3):

Среда, в которой распространяется звук, обладает акустиче­ским сопротивлением Za, измеряемым в кг/(м2-с) или (Па-с)/м.

Отношение звукового давления Рзв к колебательной скорости частиц среды и соответствует акустическому сопротивлению сре­ды:

Звуковая волна является носителем энергии в направлении сво­его движения. Количество энергии, переносимой звуковой вол­ной за 1 с через пространство с площадью сечения 1 м2, перпен­дикулярному направлению движения, называется интенсивностью звука, Вт/м2:

Для сферической волны от источника звука с мощностью W, Вт, интенсивность звука на поверхности сферы радиуса г опреде­ляется по формуле

Из формулы (12.4) следует, что интенсивность сферической волны убывает с увеличением расстояния от точечного источника звука.