2.1.2. Властивості звукових хвиль
Звук розповсюджується у виді змінного «обурення» пружного середовища, тобто у виді звукових хвиль. Звуковими коливаннями називають коливальні рухи частинок середовища під дією цього «обурення». Простір, у якому відбувається розповсюдження цих хвиль, називають звуковим полем. Якщо джерело «обурення» відомий,то простір, у якому можуть бути виявлені звукові коливання, створюємі цим джерелом, називають звуковим полем даного джерела звуку. Звукові коливання являються приватним випадком механічних коливань.
Звукові коливання у рідкомута газоподібному середовищах являються поздовжніми коливаннями, тобто частинки середовища коливаються вздовж лінії розповсюдження хвилі. У твердих середовищах, окрім поздовжніх коливань мають місце і поперечні коливання хвилі, тобто такі, у який частинки середовища коливаються у напрямку, перпендикулярному лінії розповсюдження хвилі.
Напрям розповсюдження звукових хвиль називають звуковим променем, а поверхню, що з’єднує всі суміжні точки поля з однаковою фазою коливання частинок середовища, називають фронтом хвилі. Фронт хвилі перпендикулярний звуковому променю. У загальному випадку фронт хвилі має складну форму, але у практичному випадку обмежуються розглядом трьох видів фронту хвилі:
плоскої; – сферичної; – циліндричної.
Звукові хвилі розповсюджуються із певною швидкістю, її називають швидкістю звука. У різних середовищах і тілах швидкість звука різниться.
У
газоподібних середовищах швидкість
звуку залежить від щільності середовища
ρ і статичного атмосферного тиску
:
де
– коефіцієнт адіабати;
,
– теплоємність середовища при постійному
тиску і при постійному об’ємі. Для газів
це співвідношення складає від
(для аргона) до
(для метана). Для повітря воно рівне
при
і тиску
(
.
У рідких і твердих матеріалах швидкість
звуку визначається щільністю матеріалу
ρ і модулем пружності
для відповідного виду деформації
(прокольні коливання, крутильні, вигин
і т.і.):
У таблиці 1наведемо значення швидкості звуку у деяких газоподібних і рідких середовищах, у таблиці 2 – в твердих середовищах і тілах, в останніх для випадку поздовжніх коливань у стрижнях.
Середовище |
Температура,
|
Щільність
|
Швидкість
звуку
|
Питомий
акустичний опір
|
Водяний пар |
100 |
0,58 |
405 |
230 |
Повітря |
0 |
1,29 |
331 |
428 |
Повітря |
20 |
1,20 |
343 |
413 |
Гелій |
0 |
0,18 |
970 |
172 |
Вода прісна |
15 |
999 |
1430 |
1430 |
Вода
солона
|
15 |
1027 |
1500 |
1550 |
Таблиця 1. Швидкість звуку та питомий акустичний опір для газів та рідин |
||||
,
,
,
Матеріал |
Щільність , |
Швидкість звуку , |
Питомий акустичний опір , |
|
|||
у
необмеженому середовищі,
|
Поздовжня
у стрижні,
|
у необмеженому середовищі, |
Поздовжня у стрижні, |
||||
Залізо |
7800 |
5850 |
5170 |
45,6 |
40,4 |
||
Дуб |
700 |
4170 |
1520 |
2,92 |
1,06 |
||
Сосна |
500 |
5030 |
1450 |
2,77 |
0,8 |
||
Лід |
916 |
– |
3200 |
– |
2,93 |
||
Пробка |
240 |
– |
500 |
– |
0,12 |
||
Каучук |
950 |
– |
30 |
– |
0,028 |
||
Мармур |
2600 |
– |
3810 |
– |
9,9 |
||
Граніт |
2700 |
– |
3950 |
– |
10,7 |
||
Стекло |
3250 |
5660 |
5300 |
18,5 |
17,3 |
||
Таблиця 2. Швидкість звуку і питомий акустичний опір для твердих тіл та матеріалів |
|
||||||
Для
коливань з періодом
довжина звукової хвилі, тобто відстань
між сусідніми фронтами хвилі з однаковою
фазою коливань, наприклад, між максимумами
або мінімумами коливання,
,
а частота коливань
.
Частоти
акустичних коливань в межах
Гц називають звуковими, вище
Гц – ультразвуковими.
Звукові частоти поділяють на низькі, середні та високі.