Характеристики звуковых волн

Звуковыми (акустическими) называют распространяющиеся в среде упругие волны с частотами 16 – 20 000 Гц. Колебания с частотами ν<16 Гц называют инфразвуковыми, ν >20 кГц – ультразвуковыми.

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем.

В звуковом поле периодически колеблются частицы среды, периодически меняются их скорости и силы давления (в жидкости или газе) или нормальные и касательные напряжения (в твердых телах).

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления и средним давлением за определенный промежуток времени (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Звуковое давление

Человек воспринимает не мгновенное значение давления, а его среднеквадратичное:

(5.1)

где Т_ус – время усреднения.

Интенсивность звука может характеризоваться амплитудой колебаний скоростью, давлением, напряжениями. Но целесообразно ввести единую энергетическую характеристику. Такая характеристика была предложена Умовым.

Поток энергии (I) – энергия, переносимая распространяющейся волной через единицу площади за единицу времени. Вектор потока энергии направлен в сторону распространения волны и носит название вектора Умова.

Величина потока энергии измеряется в Вм/м² и для звукового поля называется интенсивностью звука или силой звука.

Интенсивность и звуковое давление связаны зависимостью:

. (5.2)

Звуковые волны распространяются с определенной скоростью.

Скорость распространения звука в различных средах различна. Как уже указывалась, в твердых телах могут распространяться упругие колебания двух типов: продольные и поперечные. В изотропных твердых телах скорости этих двух типов колебаний равны соответственно:

, (5.3)

, (5.4)

где Е – модуль упругости, Па; G – модуль сдвига, Па; ρ – плотность, кг/м³.

В анизотропных кристаллах упругие свойства и модули упругости различны по разным направлениям. Поэтому скорость звука в анизотропных телах зависит от направления распространения волны по отношению к кристаллографическим осям, а для поперечных волн – еще и от ориентации плоскости их поляризации.

В жидкостях могут распространяться только продольные звуковые волны сжатия и разрежения. Их скорость выражается формулой

, (5.5)

где K – модуль сжатия жидкости.

Скорость распространения звука в идеальном газе определяется выражением

, (5.6)

где – показатель адиабаты; С_Р и С_V – теплоемкость газа при постоянном давлении и постоянном объеме; р – статическое давление среды, Па; R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; Т – термодинамическая температура газа, К; μ – молярная масса газа, кг/моль.

Для одноатомных газов γ =1,67, а для многоатомных приближается к 1. Для воздуха γ = 1,41.