Звуковая волна: формула, свойства. Источники звуковых волн

Звуковая волна представляет собой волновой процесс, происходящий в газообразных, жидких и твердых средах, который при достижении органов слуха человека воспринимается им как звук. Частота этих волн лежит в пределах от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Приведем формулы для звуковой волны и рассмотрим подробнее ее свойства.

Почему появляется звуковая волна?

Многие люди задаются вопросом, что такое звуковая волна. Природа звука заключается в возникновении возмущения в упругой среде. Например, когда в некотором объеме воздуха происходит возмущение давления в виде сжатия, то данная область стремится распространиться в пространстве. Этот процесс приводит к сжатию воздуха в соседних от источника областях, которые также стремятся расшириться. Данный процесс охватывает все большую и большую часть пространства до тех пор, пока не достигнет какого-либо приемника, например, уха человека.

Общая характеристика звуковых волн

Рассмотрим вопросы, что такое звуковая волна и как она воспринимается человеческим ухом. Звуковая волна является продольной, она при попадании в раковину уха вызывает колебания ушной перепонки с определенной частотой и амплитудой. Также можно представлять эти колебания как периодические изменения давления в микрообъеме воздуха, прилегающего к перепонке. Сначала оно увеличивается относительно нормального атмосферного давления, а затем уменьшается, подчиняясь математическим законам гармонического движения. Амплитуда изменений сжатия воздуха, то есть разница максимального или минимального прессинга, создаваемого звуковой волной, с атмосферным давлением пропорционально амплитуде самой звуковой волны.

Многие физические эксперименты показали, что максимальные давления, которые может воспринимать человеческое ухо без нанесения ему вреда, составляют 2800 мкН/см². Для сравнения скажем, что атмосферное давление вблизи поверхности земли равно 10 млн мкН/см². Учитывая пропорциональность давления и амплитуды колебаний, можно сказать, что последняя величина даже для самых сильных волн является незначительной. Если говорить о длине звуковой волны, то для частоты в 1000 колебаний в секунду она будет составлять тысячную долю сантиметра.

Самые слабые звуки создают колебания давления порядка 0,001мкН/см², соответствующая амплитуда колебаний волны для частоты 1000 Гц составляет 10^-9 см, при этом средний диаметр молекул воздуха составляет 10^-8 см, то есть ухо человека является чрезвычайно чувствительным органом.

Понятие интенсивности звуковых волн

С геометрической точки зрения звуковая волна представляет собой колебания определенной формы, с физической же - главным свойством звуковых волн является их способность переносить энергию. Самым важным примером переноса энергии волной является солнце, излученные электромагнитные волны которого обеспечивают энергией всю нашу планету.

Интенсивность звуковой волны в физике определяется как количество энергии, переносимой волной через единицу поверхности, которая перпендикулярна распространению волны, и за единицу времени. Говоря более коротко, интенсивность волны - это ее мощность, переносимая через единицу площади.

Силу звуковых волн принято измерять в децибелах, которые основываются на логарифмической шкале, удобной для практического анализа результатов.

Интенсивность различных звуков

Следующая шкала в децибелах дает представление о значении различной интенсивности звука и ощущениях, которые она вызывает:

• порог неприятных и некомфортных ощущений начинается со 120 децибел (дБ);
• клепальный молоток создает шум в 95 дБ;
• скоростной поезд - 90 дБ;
• улица с интенсивным автомобильным движением - 70 дБ;
• громкость обычного разговора между людьми - 65 дБ;
• современный автомобиль, движущийся с умеренными скоростями, создает шум в 50 дБ;
• средняя громкость радиоприемника - 40 дБ;
• тихий разговор - 20 дБ;
• шум листвы деревьев - 10 дБ;
• минимальный порог звуковой чувствительности человека близок к 0 дБ.

Чувствительность человеческого уха зависит от частоты звука и составляет максимальное значение для звуковых волн с частотой 2000-3000 Гц. Для звука, находящегося в этом интервале частот, нижний порог чувствительности человека составляет 10^-5 дБ. Более высокие и более низкие частоты, чем указанный интервал, приводят к увеличению нижнего порога чувствительности таким образом, что близкие к 20 Гц и к 20 000 Гц частоты человек слышит только при их интенсивности в несколько десятков дБ.

Что касается верхнего порога интенсивности, после которого звук начинает вызывать неудобства для человека и даже болевые ощущения, то следует сказать, что он практически не зависит от частоты и лежит в пределах 110-130 дБ.

Геометрические характеристики звуковой волны

Реальная звуковая волна представляет собой сложный колебательный пакет продольных волн, который можно разложить на простые гармонические колебания. Каждое такое колебание описывается с геометрической точки зрения следующими характеристиками:

1. Амплитуда - максимальное отклонение каждого участка волны от равновесия. Для этой величины принято обозначение A.
2. Период. Это время, за которое простая волна совершает свое полное колебание. Через это время каждая точка волны начинает повторять свой колебательный процесс. Период принято обозначать буквой T и измерять в секундах в системе СИ.
3. Частота. Это физическая величина, которая показывает, сколько колебаний данная волна совершает за секунду. То есть по своему смыслу она является величиной, обратной к периоду. Обозначается она латинской буквой f. Для частоты звуковой волны формула ее определения через период выглядит следующим образом: f = 1/T.
4. Длина волны - это расстояние, которое она пробегает за один период колебаний. Геометрически длина волны представляет собой расстояние между двумя ближайшими максимумами или двумя ближайшими минимумами на синусоидальной кривой. Длина колебаний звуковой волны - это расстояние между ближайшими областями сжатия воздуха или ближайшими местами его разрежения в пространстве, где движется волна. Обозначается она обычно греческой буквой λ.
5. Скорость распространения звуковой волны - это расстояние, на которое распространяется область сжатия или область разряжения волны за единицу времени. Обозначается эта величина буквой v. Для скорости звуковой волны формула имеет вид: v = λ*f.

Геометрия чистой звуковой волны, то есть волны постоянной чистоты, подчиняется синусоидальному закону. В общем случае формула звуковой волны имеет вид: y = A*sin(ωt), где y - значение координаты данной точки волны, t - время, ω = 2*pi*f - циклическая частота колебаний.

Апериодический звук

Многие источники звука можно считать периодическими, например, звук от таких музыкальных инструментов, как гитара, пианино, флейта, но также существует большое количество звуков в природе, которые являются апериодическими, то есть звуковые колебания изменяют свою частоту и форму в пространстве. Технически такой вид звука называется шумом. Яркими примерами апериодического звука является городской шум, шум моря, звуки от ударных инструментов, например, от барабана и другие.

Среда распространения звуковых волн

В отличие от электромагнитного излучения, фотоны которого для своего распространения не нуждаются в какой-либо вещественной среде, природа звука такова, что для его распространения нужна определенная среда, то есть, согласно законам физики, звуковые волны не могут распространяться в вакууме.

Звук может распространяться в газах, в жидкостях и в твердых телах. Основными характеристиками распространяющейся в среде звуковой волны являются следующие:

• волна распространяется линейно;
• она распространяется одинаково по всем направлениям в гомогенной среде, то есть от источника звук расходится, образуя идеальную сферическую поверхность.
• независимо от амплитуды и частоты звука, его волны распространяются с одинаковой скоростью в данной среде.

Скорость звуковых волн в различных средах

Скорость распространения звука зависит от двух основных факторов: от среды, в которой движется волна, и от температуры. В общем случае действует следующее правило: чем более плотной является среда, и чем выше ее температура, тем быстрее в ней движется звук.

Например, скорость распространения в воздухе звуковой волны вблизи поверхности земли при температуре 20 ℃ и влажности 50% составляет 1235 км/ч или 343 м/с. В воде же при данной температуре звук движется быстрее в 4,5 раза, то есть около 5735 км/ч или 1600 м/с. Что касается зависимости скорости звука от температуры в воздухе, то она увеличивается на 0,6 м/с с увеличением температуры на каждый градус Цельсия.

Тембр и тон

Если позволить струне или металлической пластине вибрировать свободно, то она будет производить звуки различной частоты. Очень редко можно встретить тело, которое бы издавало звук одной конкретной частоты, обычно звук какого-либо объекта обладает набором частот в некотором интервале.

Тембр звука определяется количеством гармоник, присутствующих в нем, и их соответствующими интенсивностями. Тембр является субъективной величиной, то есть это восприятие звучащего объекта конкретным человеком. Тембр обычно характеризуют следующими прилагательными: высокий, блестящий, звучный, мелодичный и так далее.

Тон является звуковым ощущением, которое позволяет его классифицировать как высокий или низкий. Данная величина является также субъективной и не может быть измерена каким-либо инструментом. Тон связан с объективной величиной - частотой звуковой волны, но между ними не существует однозначной связи. Например, для одночастотного звука постоянной интенсивности тон растет при увеличении частоты. Если же частота звука остается постоянной, а увеличивается его интенсивность, то тон становится более низким.

Форма источников звука

В соответствии с формой тела, которое совершает механические колебания и тем самым порождает звук, источники звуковых волн бывают трех основных типов:

1. Точечный источник. Он создает звуковые волны сферической формы, которые быстро убывают при удалении от источника (приблизительно на 6 дБ, если расстояние от источника увеличивается вдвое).
2. Линейный источник. Он создает волны цилиндрической формы, интенсивность которых убывает медленнее, чем от точечного источника (при каждом увеличении расстояния вдвое относительно источника интенсивность уменьшается на 3 дБ).
3. Плоский или двумерный источник. Он порождает волны только в определенном направлении. Примером такого источника может быть поршень, двигающийся в цилиндре.

Электронные источники звука

Для создания звуковой волны электронные источники используют специальную мембрану (динамик), которая совершает механические колебания за счет явления электромагнитной индукции. К таким источникам можно отнести следующие:

• проигрыватели различных дисков (CD, DVD и другие);
• кассетные магнитофоны;
• радиоприемники;
• телевизоры и некоторые другие.