Классификация звуковых волн по направлению колебаний частиц

Прямая волна

Определение звука, звуковой волны, звукового поля уже давались.

Звуковой луч - направление распространения звуковой волны.

Фронт волны (волновой фронт) - поверхность, проходящая через точки с одинаковым "этапом" (фазой) колебания.

Иногда разделяют понятия волнового фронта и волновой поверхности. Под волновой поверхностью понимают поверхность равных фаз, а под волновым фронтом поверхность, разделяющую области пространства, куда волна уже дошла и куда еще нет. Это полезно в тех случаях, когда интересуются импульсными или однократными акустическими воздействиями на объект; для электроакустики такая ситуация не характерна.

Фронт перпендикулярен лучу.

Не путать волновой фронт с диаграммой направленности.

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.

Звуковое давление p_зв - разность между мгновенным давлением звукового поля p_мгн и статическим атмосферным давлением (p₀). Измеряется в паскалях (сила в 1 Н, приложенная к площади 1 кв. м.). Атмосферное давление ~10⁵ Па. Звуковые давления речи и музыки имеют величину до 100 Па.

Вопрос о том, является звуковое давление векторной величиной или нет, довольно сложный. Как всякая сила, звуковое давление имеет направление. Однако, под давлением понимается сила, перпендикулярная к поверхности. И если оговорена ориентация поверхности, то это однозначно указывает направление вектора давления и ничего кроме его модуля (скаляра) больше указывать не требуется. Для наиболее часто рассматриваемого случая продольной волны, звуковое давление направлено либо по, либо против луча, поэтому его векторные свойства опускают, рассматривают только проекцию звукового давления на луч и говорят о нем как о знакопеременном скаляре: в момент сжатия звуковое давление положительно, в момент разряжения отрицательно.

Скорость распространения звуковой волны (скорость звука) с_зв в среде зависит от массы молекул или атомов и расстояния между ними. А они в свою очередь зависят от химического состава вещества, его температуры, а для газов и давления. Для технических расчетов достаточно считать

,

где Т - температура, К. При нормальном атмосферном давлении и Т=290 К (17⁰С) скорость звука 340 м/с.

Колебательной скоростью v называется скорость смещения частиц среды от положения покоя. Для продольной волны считается положительной, если частицы смещаются в направлении луча и отрицательной в противном случае. В общем случае колебательная скорость величина векторная и о знаке можно говорить только по отношению к проекции этого вектора на луч. Не путать со скоростью звука. Скорость звука не зависит от звукового давления, а колебательная скорость возрастает с увеличением звукового давления и частоты звука. Значения колебательной скорости на несколько порядков ниже скорости звука.

Длина волны - расстояние, на которое переместится фронт звуковой волны за один период колебания источника.