§ 4. Звук

Напомним физическую природу звуковых явлений. Как известно, для получения чистого звука пользуются камертоном^. Когда камертон издает звук, то шарик отскакивает от его ножки, так как она колеблется (рис. 4.1). Опыт показывает, что источником звука всегда является какое-либо колеблющееся тело, которое в процессе своих колебаний создает в окружающей среде механические волны (рис. 4.2). Когда эти волны достигают уха человека, то они приводят в вынужденные колебания барабанную перепонку внутри уха, и человек ощущает звук. Механические волны, которые вызывают у человека ощущение звука, называют звуковыми.

Звуковые волны в воздухе состоят из сгущений и разрежений, т. е. являются продольными. Ясно, что ощущение звука человек может получить только в том случае, когда между источником звука и ухом человека имеется среда, в которой могут распространяться звуковые волны..

Изучение звуковых явлений показало, что далеко не всякие механические волны могут вызвать ощущение звука у человека. Оказывается, что только волны, частота колебаний которых находится в пределах от 16 до 20 000 Гц, являются звуковыми. Это знает всякий, кто интересуется музыкой вообще и воспроизведением музыки в частности. Главный параметр любого уважающего себя музыкального центра - полоса пропускания. Чем она ближе к упомянутой, тем центр лучше, или дороже². Заметим, что верхняя и нижняя границы частот этих колебаний у отдельных людей могут немного отличаться от указанных выше.

Итак, человек ощущает звук, если выполняются следующие четыре условия:

1) имеется источник звука;

2) имеется упругая среда между ухом и источником звука;

3) частота колебаний источника звука находится между 16 и 20000 Гц;

4) мощность звуковых волн достаточна для получения ощущения звука у человека.

И так, при распространении в среде упругих (в частности, звуковых) колебаний частицы среды совершают колебательное движение относительно своих положений равновесия. Можно было бы описывать волновое движение, учитывая только смещения и скорости частиц среды. Однако при наличии беспорядочного теплового движения частиц пользоваться таким описанием неудобно. Поэтому принято упругую (и частности звуковую) волну характеризовать периодическими изменениями давления и плотности, которые происходят при последовательных сжатиях и растяжениях (расширениях, разряжениях) среды. Обозначим, например, давление и плотность воздуха в равновесном состоянии через р₀ и ρ₀ а их мгновенные значения в данном месте через р и ρ. Тогда ,для описания звуковой волны в воздухе можно интересоваться периодическими изменениями избыточного давления Δр=р-р₀ или избыточной плотности Δρ =ρ –ρ₀ .

Выясним, при каких условиях в упругих средах возможны гармонические волны вида (3.3). Выделим перпендикулярно к ОХ некоторую площадку S (рис. 4.3) и слой малой толщины Δl. Допустим, что в положении I избыточное давление слева равно Δр₁, а справа , следовательно, на выделенный элемент среды будет действовать результирующая сила Δ F=S ( Δ р₁ – Δ р₂ ) = . Масса этого элемента Δm = ρ S Δl, где ρ — средняя плотность среды в объеме элемента. Тогда, согласно второму закону Ньютона рассматриваемый элемент среды будет иметь ускорение

(знак «минус» означает, что если избыточное давление Δр в положительном направлении х возрастает, то сила ΔF и ускорение а будут направлены в обратную сторону).

Так как смещение частиц, среды у зависит от двух переменных: времени и координаты, то ускорение элемента запишем в виде ; тогда

(4.1)

И сследуем правую часть этой формулы. Если бы все частицы среды, находящиеся в рассматриваемом элементе, имели бы одинаковое смещение у, то объем элемента, следовательно, и давление р и плотность ρ внутри него оставались бы постоянными. В этом случае правая часть уравнения (4.1) будет равна нулю и упругой волны в среде не обнаружится. Поэтому необходимо допустить, что при переходе из положения I в II одна грань рассматриваемого элемента среды смещается на у, а другая - на у + Δу. При таком перемещении объем элемента изменится, вследствие чего давление р станет функцией от координаты х и правая часть уравнения (4.1) будет отлична от нуля. Однако в формуле (4.1) имеются две переменные величины у и р; если исключить одну из них, например давление р, то получим дифференциальное уравнение для смещения элементов среды от положения равновесия. Для этой цели сначала учтем, что величину Δу следует полагать пропорциональной толщине элемента среды Δl:

,

где показывает, какое изменение смещения у приходится на единицу длины вдоль оси ОХ.

Тогда относительное изменение объема элемента будет равно:

.

Масса среды в элементе объема не изменяется, поэтому относительное увеличение плотности будет равно относительному уменьшению объема элемента, т.е.

.

Теперь для того, чтобы рассчитать изменение избыточного давления Δр внутри элемента, необходимо знать зависимость Δр от ρ или ε.

Если среда – твердое тело, то при малых деформациях можно воспользоваться законом Гука: р= εЕ. Относительное удлинение или сжатие элемента объема будет (для плоской волны S = const) совпадать с относительным изменением его объема; напряжение сжатия или растяжения можно полагать равным среднему значению Δр внутри элемента, причем увеличение Δр сопровождается уменьшением объема элемента, поэтому

; .

Подставив в формулу (4.1), получим дифференциальное уравнение плоской волны, распространяющейся в твердых телах:

(4.2)

Сравнивая уравнения (4.2 ) и (3.4 ), замечаем, что величину Е/ρ следует отождествить с квадратом скорости распространения волны:

(4.3)

Для железа, например, Е=2·10¹¹ H/м², ρ=7800 Кг/м³, и вычисляя получаем скорость звука V≈5100 м/c.

В газах процессы сжатия и расширения описываются уравнением

где р – давление, V - удельный объем , а γ – некоторая постоянная величина, зависящая от того как происходят процессы сжатия и расширения. Из этого уравнения следует:

.

Если избыточное давление мало по сравнению с давлением газа р₀ (а так при обычных условиях и бывает) то

;

Подставив это выражение для в формулу (4.1), вновь получим дифференциальное уравнение (3.4) плоской волны, причем скорость распространения оказывается равной (полагая )

(4.4)

Дифференциальное уравнение плоской волны и формулы (4.3) и (4.4) для скоростей распространения получены при предположении, что избыточные давления Δр и плотности Δρ малы. Найдем изменение этих величин со временем; для любой среды, полагая , получим для плотности:

(4.5)

где через Δρ₀ обозначена амплитуда колебаний плотности среды в волне:

Для колебаний давления Δ р также получаются формулы, одинаковые для всех сред:

; Δ р₀=ρ₀ υ₀ с (4.6)

Таким образом, Δ р и Δ ρ пропорциональны не смещению частиц среды у, а их скоростям υ.

Из уравнений (4.5) и (4.6) можно получить общее выражение для скорости распространения плоской волны в упругой среде

или