Основные физические, характеризующие звуковое поле

Звуковое поле. Звуковые волны. Продольные и поперечные волны.

Основные физические характеристики звукового поля.

Звук –это колебательные движения в любой материальной среде (газообразной, жидкой, твердой), вызванные каким-либо источником.

При этом среда должна обладать упругостью и инерционностью, т.к. в вакууме звук распространятся не может.

Звук, как физическое явление, представляет собой волновое колебание упругой среды, вызванное каким-либо источником.

Процесс распространения колебательного движения в упругой среде называется звуковой волной.

Величина обратная периоду, называется частотой колебания

f=1/Т, Гц– кол-во колебаний в секунду.

Звук (процесс) за время t проходит расстояние равное длине волны λ

Ухо человека ощущает колебания от 16 Гц до 20000Гц

Колебания с частотой<16Гц-инфразвук,>20000Гц-ультразвук.

Скорость распространения звуковой волны или скорость звука в изотропных(однородных) средах равна (в м/с):

с= λ/T= λ*f,где λ=с/f, м

Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

При распространении звуковой волны следует различать 2 явления:

1)движение частиц среды в волне характеризуются колебательной скоростью частиц среды (V, м/с)

2)перемещение самой волны в среде – это скорость звука (с, м/с)

Энергия от источника звука распространяется волнами (продольными и поперечными):

-при продольных волнах вектор колебательной скорости частиц среды, совпадает с направлением распространения волны (в воздухе и жидкостях)

- при поперечных волнах вектор колебательной скорости частиц среды, ориентирован перпендикулярно направлению распространения звуковой волны (в твёрдых телах).

В твердых телах возможны различные комбинации продольных и поперечных волн.

В тонких конструкциях, когда их толщина меньше1/6 λ, возникают изгибные волны.

В воздухе различают 3 типа продольных звуковых волн, отличающихся друг от друга формой фронта волны:

1) Плоские звуковые волны, имеющие фронт в виде плоскости, нормальной к направлению распространения звуковой волны.

2)Сферические или шаровые с фронтом в виде сферы

3)цилиндрич-е, с формой фронта волны в виде боковой поверхности цилиндра

Фронт волны-поверхность, проходящая через частицы среды, совершющие колебания в одной и той же фазе.

Основные физические, характеризующие звуковое поле.

Физическое состояние среды в звуковом поле характерезуется обычно одной из двух величин:

- Звуковое давление, р,Па - при распространение звуковых волн в воздухе, в каждой точке звукового поля при распространении гармонических звуковых волн, будут наблюдаться попеременно деформации сжатия и разряжения, что приведет к изменению звукового давления в среде по сравнению с атмосферным статическим давлением: Р_стат

Разность между мгновенными значениями полного давления и атмосферного давления (при отсутствии в среде звукового поля, называется звуковым давлением.Р_зв, Па

Р_полн-Р_{атм(стат)}=±Р_зв, Па

Звуковое давление - это дополнительное давление к атмосферному, вызванное звуковыми волнами.

В каждой точке среды звуковое давление действует во все стороны, т.е. является скалярной величиной.

При синусоидальных колебаниях, звуковое давление измеряется не в амплитудных (max) его значениях, а в эффективных:

Р_эффект=Р_{ампл(max)}/√2

Колебательная скорость частиц среды, V,м/с –мгновенное значение скорости колебательных движений частиц среды, при распространении в ней звуковой волны.

Если звуковая волна распространяется в свободном звуковом поле, т.е. на открытом пространстве, при отсутствии отраженных звуковых волн, то для плоской бегущей волны, справедлива зависимость V =p/р_о*Св м/с.

Где 𝜌_о*С-величина, зависимая только от физических свойств среды,

которая называется удельным акустическим сопротивлением

среды или так называемым характеристическим импедансом.

𝜌_о- плотность среды кг/м³

С-скорость звука в среде, м/с

𝜌_о*С₀ – для воздуха 410 (420) (Па*с)/м

1Р(релей)=10 (Па*с)/м

Распространение звуковых волн сопровождается переносом звуковой энергии, которая является функцией звукового давления и колебательной скорости.

Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени, через единицу поверхности, нормальный к направлению распространения звуковой волны, называется интенсивностью звука или силой звука

J=p²/ 𝜌_о*С=р*v, Вт/ м²

Интенсивность и звуковая мощностьсвязаны соотношением: J=W/S, откуда звуковая мощность источника в Вт: W=J*S - общее количестко звуковой энергии, излучаемое источником звука в окржающее пространство в единицу времени.

Очень важной характеристикой звука являетсячастотный спектр –этораспределение энергии звуковых волн (по амплитуде и интенсивности) по частотам.