Звукові хвилі: поняття та особливості

Світ, який нас оточує, можна з упевненістю назвати світом звуків, адже навколо нас постійно звучать голоси, музика, щебет птахів, звук вітру. Звукові хвилі допомагають людям спілкуватися, отримувати інформацію про навколишній світ. Для тварин звуки мають не менше значення. З точки зору фізики, звуки представляють собою механічні коливання, поширюються в пружному середовищі: воді, повітрі, твердому тілі і так далі. Людські вуха здатні чути звук, коли звукові частоти знаходяться в діапазоні від 16 до 20 000 Гц. Коливання з більш високими або більше низькими частотами не чутні для людини.

Наука акустика займається вирішенням різноманітних питань, у тому числі питань, пов`язаних з особливостями і властивостями слуху. Предметом вивчення фізіологічної акустики є безпосередньо орган слуху, його будова, дія і пристрій. Архітектурна акустика займається вивченням того, як поширюються звукові хвилі в приміщенні, розглядає вплив форми і розмірів приміщення на звук, вивчає властивості матеріалів з токи зору розповсюдження і придушення звуків. Музична акустика займається вивченням музичних інструментів, досліджує умови найкращого звучання того чи іншого інструмента.

Фізична акустика вивчає самі звукові коливання, звукові хвилі, останнім часом вона також стала охоплювати коливання, які лежать за межами можливостей слухової системи людини.

Основні поняття акустики

Поява звуку обумовлено механічними коливаннями пружних тіл і середовищ. Повітря є для звуку провідником. Це довів досвід Роберта Бойля. Якщо поставити яке або звучить тіло під дзвоном повітряного насоса, тоді в міру відкачування з-під дзвони повітря звук буде ставати слабкіше. Коли повітря під дзвоном закінчиться, звук і зовсім припиниться.

Під час коливань тіло поперемінно то створює розрядження в шарі повітря, прилеглого до його поверхні, то стискає цей шар. В результаті поширення хвиль в повітряному просторі починається з коливань шару повітря біля поверхні тіла.

У міру того, як звукові хвилі поширюються в просторі, спостерігається загасання звуку, яке пов`язане з певними необоротними процесами. Сенс полягає в тому, що частина енергії, яку переносять звуковою хвилею, поглинається середовищем.

Коефіцієнтом поглинання називається величина, яка дорівнює відношенню звукової енергії, поглиненої середовищем, до енергії, яка надійшла в середу. На коефіцієнт поглинання впливає внутрішнє тертя або в`язкість середовища, її теплопровідність, щільність середовища і швидкість поширення хвилі.

Поширюючись у середовищі, хвиля коли-небудь доходить до її кордону. Після цього кордону починає інша середовище, що складається з інших частинок і в якій інша швидкість звуку. На цьому кордоні здійснюється відображення звуку. При цьому розрідження частинок перетворюється на згущення, а згущення - в розрядження.

Даний ефект відбувається тому, що коливання, які хвиля приносить до кордону середовища, передаються до частинок іншого середовища і стають джерелом нової хвилі. Вторинна хвиля буде поширюватися не тільки в другій середовищі, але і в тій, звідки вона спочатку прийшла. Це і буде відображена звукова хвиля.

На кордоні середовищ відбувається часткове проходження звуку в другу середу і часткове поглинання звуку. Частка відображеної енергії буде залежати від співвідношення густин середовищ, а також від стану поверхні розділу. Наприклад, віддзеркалення звукової хвилі, що розповсюджується в повітрі, від рідкої поверхні або твердого тіла відбувається майже повністю. Звукові хвилі, що поширюються в твердому тілі, майже повністю будуть відображатися на кордоні з повітрям.

З явищем відображення безпосередньо пов`язано виникнення луни. Суть цього явища полягає в тому, що звук доходить від джерела до деякого перешкоди, яке стане кордоном середовищ, і відбивається від нього, повертаючись до місця виникнення хвилі.