2.2.3 Уравнение состояния

Запишем теперь уравнение состояния идеального газа, заключенного между сечениями x и x + dx

Мы уже говорили о том, что процессы сжатия и разряжения в звуковой волне являются адиабатическими. Это связано с тем, что вследствие низкой теплопроводности воздуха и быстроты изменения давления и плотности при звуковых колебаниях тепловая энергия не успевает уйти из сжатого элемента газа за время сжатия ( ).

Уравнение адиабатического процесса имеет вид:

, (2.5)

где - коэффициент Пуассона. Для воздуха .

Если продифференцировать уравнение (2.5), получим:

.

Элемент газа в трубе между плоскостями x и x + dx имеет объем Sdx, а изменение его объема будет равно .

Постоянное давление – Р₀, а звуковое – p.

Таким образом, уравнение адиабатического сжатия (разрежения) воздуха в звуковой волне имеет вид:

или

. (2.6)

С учетом уравнения неразрывности (2.3) получаем:

(2.7)

2.3 Волновое уравнение для звуковых волн в воздухе. Скорость звука

Комбинируя уравнение неразрывности (2.3), уравнение Эйлера (2.4) и уравнение состояния (2.6), получаем уравнение для смещения частиц в звуковой волне :

или

Если обозначить , то

(2.8)

Таким образом, для ξ мы получили волновое уравнение (см. раздел 1.2.4), которое описывает волну, распространяющуюся в воздухе со скоростью, равной

.

Величина с называется скоростью звука.

При нормальных условиях плотность воздуха ρ₀ = 1,29 кг/м², атмосферное давление Р₀ = 1,013·10⁵ Па, и скорость звука в воздухе с = 330 м/с. При комнатной температуре (t = 18⁰C) с = 340 м/с.

Аналогичные (2.8) волновые уравнения можно записать для звукового давления, акустических добавок к плотности и температуре.

Волны смещения, звукового давления, плотности и температуры распространяются с одинаковой скоростью.

Эти волны связаны между собой, так как

,

,

.

Таким образом, если известно уравнение одной из этих волн, например: , то остальные величины легко находятся.

Величина ρ₀с называется волновым сопротивлением среды. При нормальных условиях .

2.4 Плоская гармоническая звуковая волна

Решением волнового уравнения:

является функция вида:

.

Если волна гармоническая, то

,

где - амплитуда смещения частиц в волне;

- циклическая частота колебаний в волне;

- волновое число;

- длина звуковой волны.

Скорость колебаний частиц в волне:

,

где - амплитуда колебательной скорости.

Звуковое давление:

,

где - амплитуда звукового давления.

Отметим, что отношение звукового давления к колебательной скорости равно волновому сопротивлению среды .

Акустическая добавка к плотности равна:

,

где - амплитуда акустической добавки к плотности.

Акустическая добавка к температуре:

.

Следует отметить, что обычно задаются не амплитудные значения величин, характеризующих звуковые колебательные процессы в среде, а действующие или эффективные, которые при гармонических колебаниях в раз меньше амплитудных. Например:

.

Далее индекс e будем опускать и подразумевать, что если задается какая-то конкретная величина ( и так далее), то имеется в виду ее эффективное значение.