Глава 1. Звуковое поле в неограниченном пространстве.

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Звуковым полем называют пространство, в котором происходит распространение звуковых колебаний. Зву­ковые колебания в жидкой и газообразной средах представляют собой продольные колебания, так как частицы среды колеблются вдоль линии распростране­ния звука. Вследствие этого образуются сгущения 1 и разрежения 2 среды, двигающиеся от источника коле­баний (рис. 1.1) с определенной скоростью, называе­мой скоростью звука. Скорость звука в воздухе при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении приблизительно равна 340 м/с.

Волнами называются распространяющиеся в веществе или поле возмущения какой-либо физической величины, характеризующей состояние этого вещества или поля. Волнообразное изменение плотности среды, вызванное зву­ковыми колебаниями, называют звуковой волной.

Упругими волнами называются распространяющейся в упругой среде механические возмущение (деформации). Внешние тела, вызывающие эти возмущения в среде, называются источниками волны.

Классификация звуковых волн по направлению колебаний частиц

1) продольные;

2) поперечные.

Продольная звуковая волна - волна, в которой частицы среды колеблются в направлении луча.

Поперечная звуковая волна - волна, в которой частицы колеблются в направлении, перпендикулярном лучу.

Тип волны, распространяющийся в среде, зависит от того, каким образом возбуждается волна и от того, как и каким частицам передает свою энергию текущая частица.

Примеры.

1. В тонком и длинном отрезке вещества может распространяться как продольная, так и поперечная волна, в зависимости от направления возбуждения. Они даже могут распространяться одновременно, и суммарная волна будет иметь промежуточный угол.

2. Граница раздела сред разной плотности. Например, при распространении волны по водной поверхности, волна сжатия немедленно трансформируется в высоту столбика воды, т.е. волна поперечная.

3. Однородная среда.

3.1. При возбуждении пульсирующей сферой существует продольная волна.

3.2. При возбуждении колеблющейся мембраной. В плоскости мембраны существует поперечная волна, перпендикулярно мембране - продольная волна, а в промежуточных углах волна, занимающая промежуточное положение между продольной и поперечной.

В однородной среде, однако, не может существовать поперечная волна в чистом виде, без сопоставимых уровней продольных составляющих на соседних лучах. Кроме того, человеческий слух реагирует главным образом на продольную составляющую звуковой волны.

Надо сказать, что этот момент изучен слабо и доминирует представление, что звуковые волны бывают только продольные. Недоучет необходимости передачи типа волны, возможно, снижает достоверность звучания электроакустических систем.

Направление распространения звуковых волн называют звуковым лучом, а поверхность, соединяющую смежные точки по­ля с одинаковой фазой колебания (например, точки максимального сгущения или разрежения),— фронтом волны. Звуковые лучи пересекают фронт волны под пря­мым углом. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в большинстве практических случаев можно ограничиться соотношениями, полученными для плоской и сферической форм фронта, а иногда еще и цилиндри­ческой.

Если период колебаний Т, то частота колебаний f = 1/т, а длина звуковой волны, равная расстоянию между соседними фронтами, находящимися в одинако­вой фазе (см. рис. 1.1), λ = cT = c/f, где с — скорость звука.

В системах связи и вещания частоты колебаний ле­жат в пределах от 20—30 до 15 000—20 000 Гц, соот­ветственно длины звуковых волн — от 17—11,3 м до 2,27—1,7 см.

Частоты колебаний подразделяют на низкие, сред­ние и высокие звуковые частоты. К низким относят ча­стоты, лежащие в пределах от 20 до 200—500 Гц, к вы­соким звуковым частотам от 2000—5000 до 20 000 Гц, к средним — промежуточные между высокими и низ­кими. Обычно для краткости прилагательное «звуко­вые» опускают, особенно в тех случаях, когда речь идет только об акустических процессах и трактах (и не рассматриваются вопросы, относящиеся к радиоча­стотам). Частоты, лежащие ниже 20 Гц, называют инфразвуковыми, а выше 20 кГц — ультразвуковыми.

Звуковое поле характеризуют рядом линейных и энергетических величин.