Основные свойства и параметры звукового поля

Звуковыми или акустическими волнами называют распространяющиеся в упругой среде слабые возмущения — механические колебания частиц среды с малыми амплитудами. Распространение звуковых волн, как и других упругих волн, заключается в возбуждении колебаний все более и более удаленных от источника волн частиц среды. Следует подчеркнуть, что при малых возмущениях распространение звуковых волн не связано с переносом вещества. (В случае сильных возмущений наблюдается малый перенос вещества, вызванный нелинейным колебанием частиц среды).

Пространство, в котором происходят акустические процессы называют звуковым полем.

Звуковые волны различают по виду, форме и частоте.

Так, по виду звуковые волны подразделяют на продольные, поперечные и поверхностные (сложные). (Продольные наблюдаются в твердых, жидких и газообразных средах; поперечные — только в твердых).

В жидкости распространяются только продольные звуковые волны, т.е. такие при которых колебания частиц среды происходит в направлении распространения волны.

Форма звуковой волны характеризуется ее фронтом.

Фронтом волны или волновой поверхностью называют геометрическое место точек среды, в которых фаза колебаний одна и та же. Рассматривая различные значения фазы, получим семейство волновых поверхностей, которые непрерывно перемещаются в среде. Если среда однородна и изотропна, скорость каждой точки волновой поверхности направлена по нормали к волновой поверхности и равна скорости звуковой волны С. Описанный вектор скорости определяет направление звукового луча, вдоль которого распространяется волна. (Изотропность — это одинаковость физических свойствсреды по всем направлениям (противоположность анизотропии)).

Звуковые волны бывают правильной и неправильной формы. У звуковых волн правильной формы фронт волны может быть, например, плоским или сферическим. Бывают еще цилиндрические волны.

плоские сферические цилиндрические

Рис. 2.1

Скорость звуковой волны выражается известной формулой

С = = l·f, (2.1)

где l — длина волны (расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе);

T — период волновых колебаний (время, за которое волновое колебание проходит расстояние равное l);

f — частота колебаний [Гц].

_______________________________________________________

Скорость звуковых волн в жидкостях и газах выражается также формулой

С = , (2.2)

где К — модуль объемной упругости среды;

— плотность невозмущенной среды (статическая плотность).

__________________________________________________________

Скорость звука в морской воде зависит от ее температуры, плотности, солености и др. факторов. При этом в среднем она может изменяться в пределах 1440 — 1585 м/с.

Сложный процесс распространения звука сопровождается рядом физических явлений, из которых выделим важнейшие:

1. Частицы воды совершают колебательные движения со скоростью v относительно положения равновесия, передавая возникшее возмущение через упругие связи соседним частицам.

2. Скорость звука С — это скорость передачи возмущения от частице к частице. Очевидно .

3. В звуковом поле в результате колебательного движения частиц наблюдается процесс образования сгущений и разрежений частиц, что есте-

ственным образом влечет за собой изменения давления и плотности среды.

Рассмотрим некоторые физические величины, связанные с этими физическими явлениями, т.е. параметры звукового поля.

Колебательные движения частиц характеризуются смещением частиц относительно положения равновесия u и линейной скоростью v, которые являются функциями координат и времени:

u = ƒ₁ (x, y, z, t);

v = ƒ₂ (x, y, z, t). (2.3)

(Колебательная скорость v — это первая производная по времени от смещения частиц при колебаниях).

Давление в определённом месте звукового поля p

p = p₁ – p₀ = ƒ₃ (x, y, z, t), (2.4)

где p₁ — мгновенное значение давления в звуковом поле (очевидно, что знак акустического давления определяется фазой колебаний: при сжатии — положительный, при разрежении — отрицательный);

p₀ — статическое давление.

Изменение плотности обычно оценивают уплотнением æ:

æ = = ƒ₄ (x, y, z, t), (2.5)

где — мгновенное значение плотности жидкости;

— статическая плотность.

Звуковые волны в жидкостях и газах характеризуются скалярным потенциалом скорости v колебательного движения частиц среды. Градиент потенциала колебательной скорости равен вектору колебательной скорости:

grad = . (2.6)

По известной функции могут быть определены параметры

v, p и æ.

Ещё одна величина, характеризующая звуковое поле с энергетической точки зрения — интенсивность звука I. Интенсивность звука I равна мощности звуковой энергии, приходящейся на единицу площади волновой поверхности.

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 450; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!