Skolas enciklopēdija. Skaņas viļņu izplatīšanās likumi

Ar skaņu saprot elastīgus viļņus, kas atrodas cilvēka auss dzirdamības diapazonā, svārstību diapazonā no 16 Hz līdz 20 kHz. Svārstības ar frekvenci zem 16 Hz sauc par infraskaņu, vairāk nekā 20 kHz- ultraskaņa.

Salīdzinot ar gaisu, ūdens ir blīvāks un mazāk saspiežams. Šajā sakarā skaņas ātrums ūdenī ir četrarpus reizes lielāks nekā gaisā un ir 1440 m/sek. Skaņas vibrācijas frekvence (pliks) ir saistīts ar viļņa garumu (lambda) ar attiecību: c= lambda-nu. Skaņa ūdenī pārvietojas bez izkliedes. Skaņas ātrums ūdenī mainās atkarībā no diviem parametriem: blīvuma un temperatūras. Temperatūras izmaiņas par 1° nozīmē atbilstošas ​​skaņas ātruma izmaiņas par 3,58 m sekundē. Ja uzraugāt skaņas izplatīšanās ātrumu no virsmas līdz apakšai, izrādās, ka vispirms temperatūras pazemināšanās dēļ tas ātri samazinās, noteiktā dziļumā sasniedzot minimumu, un pēc tam ar dziļumu sāk strauji pieaugt. ūdens spiediena pieauguma dēļ, kas, kā zināms, palielinās par aptuveni 1 atm par katriem 10 m dziļumos.

Sākot no aptuveni 1200 dziļuma m, kur ūdens temperatūra saglabājas praktiski nemainīga, skaņas ātrums mainās spiediena izmaiņu ietekmē. "Apmēram 1200 dziļumā m (Atlantijas okeānam) ir minimālā skaņas ātruma vērtība; Lielākos dziļumos, palielinoties spiedienam, skaņas ātrums atkal palielinās. Tā kā skaņas stari vienmēr liecas uz vides apgabaliem, kur to ātrums ir mazāks, tie koncentrējas slānī ar minimālo skaņas ātrumu” (Krasiļņikovs, 1954). Šis slānis, ko atklāja padomju fiziķi L.D.Rozenbergs un L.M. Brekhovskikh sauc par "zemūdens skaņas kanālu". Skaņa, kas nonāk skaņas kanālā, var pārvietoties lielos attālumos bez vājināšanās. Šī funkcija ir jāpatur prātā, apsverot dziļūdens zivju akustisko signālu.

Skaņas absorbcija ūdenī ir 1000 reižu mazāka nekā gaisā. Skaņas avots gaisā ar jaudu 100 kWūdenī dzirdams līdz 15 attālumā km; ūdenī skaņas avots ir 1 kW dzirdams 30-40 attālumā km. Dažādu frekvenču skaņas tiek absorbētas atšķirīgi: augstfrekvences skaņas tiek absorbētas visspēcīgāk, bet zemas frekvences skaņas tiek absorbētas visātrāk. Zemā skaņas absorbcija ūdenī ļāva to izmantot sonāram un signalizācijai. Ūdens telpas ir piepildītas ar lielu skaitu dažādu skaņu. Pasaules okeāna rezervuāru skaņas, kā liecina amerikāņu hidroakustiskais Wenz (Wenz, 1962), rodas saistībā ar šādiem faktoriem: bēgumi un bēgumi, straumes, vējš, zemestrīces un cunami, rūpnieciskā cilvēka darbība un bioloģiskā dzīve. Dažādu faktoru radītā trokšņa būtība atšķiras gan pēc skaņas frekvenču kopas, gan pēc to intensitātes. Attēlā 2. attēlā parādīta Pasaules okeāna skaņu spektra un spiediena līmeņa atkarība no tās izraisošajiem faktoriem.

Dažādās pasaules okeāna daļās trokšņa sastāvu nosaka dažādas sastāvdaļas. Liela ietekme Tajā pašā laikā skaņu kompozīciju ietekmē dibens un krasti.

Tādējādi trokšņa sastāvs un intensitāte dažādās Pasaules okeāna daļās ir ārkārtīgi daudzveidīga. Ir empīriskas formulas, kas parāda jūras trokšņa intensitātes atkarību no to izraisošo faktoru intensitātes. Tomēr iekšā praktiskiem mērķiem Okeāna troksni parasti mēra empīriski.

Jāpiebilst, ka starp Pasaules okeāna skaņām visintensīvākās ir cilvēka radītās industriālās skaņas: kuģu, traļu uc troksnis. Pēc Šeina (1964) domām, to intensitāte ir 10-100 reizes lielāka nekā citām. Pasaules okeāna skaņas. Tomēr, kā redzams no att. 2, to spektrālais sastāvs nedaudz atšķiras no citu faktoru radīto skaņu spektrālā sastāva.

Izplatoties ūdenī, skaņas viļņi var tikt atspoguļoti, lauzti, absorbēti, piedzīvot difrakciju un traucējumus.

Satiekoties ar šķērsli savā ceļā, skaņas viļņi var atstaroties no tā, ja to viļņa garums ir (lambda) mazāki par šķēršļa izmēru, vai apiet (difrakt) to gadījumā, ja to viļņa garums ir lielāks par šķērsli. Šajā gadījumā jūs varat dzirdēt, kas notiek aiz šķēršļa, tieši neredzot avotu. Krītot uz šķēršļa, skaņas viļņi vienā gadījumā var tikt atspoguļoti, citā - iekļūt tajā (uzsūkties). Atstarotā viļņa enerģijas daudzums ir atkarīgs no tā, cik ļoti atšķiras tā saucamās mediju “р1с1” un “р2с2” akustiskās pretestības, kuru saskarnē krīt skaņas viļņi. Vides akustiskā pretestība ir dotās vides blīvuma p un skaņas izplatīšanās ātruma reizinājums Ar tajā. Kā lielāka atšķirība nesēju akustiskā pretestība, Lielākā daļa enerģija tiks atspoguļota no abu mediju saskarnes un otrādi. Piemēram, ja skaņa krīt no gaisa, rs no kuriem 41, ūdenī, rs kas ir 150 000, to atspoguļo pēc formulas:

Saistībā ar to skaņa daudz labāk iekļūst cietā ķermenī no ūdens nekā no gaisa. No gaisa uz ūdeni skaņa labi iekļūst caur krūmiem vai niedrēm, kas izvirzītas virs ūdens virsmas.

Skaņas atstarošanas no šķēršļiem un tās viļņu rakstura dēļ var rasties identisku frekvenču skaņas spiediena amplitūdu pievienošana vai atņemšana, kas nonāk noteiktā telpas punktā. Šīs pievienošanas (traucējumu) svarīgas sekas ir stāvviļņu veidošanās pēc atstarošanas. Ja, piemēram, vibrējat kamertoni, tuvinot to un attālinot to no sienas, var dzirdēt skaņas skaļuma palielināšanos un samazināšanos, jo skaņas laukā parādās antinodi un mezgli. Parasti stāvošie viļņi veidojas slēgtos traukos: akvārijos, peldbaseinos u.c., kad avots tiek apskaņots salīdzinoši ilgu laiku.

Reālos jūras vai citas dabiskas ūdenstilpes apstākļos skaņas izplatīšanās laikā tiek novērotas daudzas sarežģītas parādības, kas rodas ūdens vides neviendabīguma dēļ. Skaņas izplatīšanos dabiskajās ūdenstilpēs lielā mērā ietekmē dibens un saskarnes (ūdens – gaiss), temperatūras un sāls neviendabīgums, hidrostatiskais spiediens, gaisa burbuļi un planktona organismi. Saskarne starp ūdeni un gaisu un dibenu, kā arī ūdens neviendabīgums izraisa refrakcijas (skaņas staru izliekuma) vai reverberācijas (skaņas staru daudzkārtējas atstarošanas) parādības.

Ūdens burbuļi, planktons un citas suspendētās vielas veicina skaņas absorbciju ūdenī. Kvantitatīvā noteikšanaŠie daudzie faktori vēl nav izstrādāti. Tie jāņem vērā, veicot akustiskos eksperimentus.

Tagad apskatīsim parādības, kas rodas ūdenī, kad tajā izdalās skaņa.

Iedomāsimies skaņas avotu kā pulsējošu sfēru bezgalīgā telpā. Šāda avota izstarotā akustiskā enerģija tiek vājināta apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam no tā centra.

Iegūto skaņas viļņu enerģiju var raksturot ar trim parametriem: ātrumu, spiedienu un vibrējošo ūdens daļiņu nobīdi. Pēdējie divi parametri ir īpaši interesanti, ņemot vērā zivju dzirdes spējas, tāpēc mēs pie tiem pakavēsimies sīkāk.

Saskaņā ar Harisa un Berglija (1962) teikto, spiediena viļņu izplatīšanās un pārvietošanās efekti tuvākajā (attālumā, kas mazāks par vienu skaņas viļņa garumu) un tālu (attālumā, kas pārsniedz vienu skaņas viļņa garumu) ir attēloti atšķirīgi. lauks.

Tālajā akustiskajā laukā spiediens tiek vājināts apgriezti proporcionāli attālumam no skaņas avota. Šajā gadījumā tālajā akustiskajā laukā pārvietojuma amplitūdas ir tieši proporcionālas spiediena amplitūdām un ir saistītas viena ar otru pēc formulas:

Kur R - akustiskais spiediens iekšā din/cm2;

d- daļiņu pārvietošanās apjoms cm.

Tuvajā akustiskajā laukā attiecība starp spiediena amplitūdām un pārvietojumu ir atšķirīga:

Kur R- akustiskais spiediens iekšā din/cm2;

d - ūdens daļiņu pārvietošanās lielums iekšā cm;

f - svārstību frekvence in Hz;

rs- ūdens akustiskā pretestība vienāda ar 150 000 g/cm2 sec 2;

lambda- skaņas viļņa garums iekšā m; r - attālums no pulsējošās sfēras centra;

i= SQR i

Formula parāda, ka nobīdes amplitūda tuvajā akustiskajā laukā ir atkarīga no viļņa garuma, skaņas un attāluma no skaņas avota.

Attālumos, kas ir mazāki par attiecīgās skaņas viļņa garumu, nobīdes amplitūda samazinās apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam:

Kur A - pulsējošās sfēras rādiuss;

D- sfēras rādiusa palielināšana pulsācijas dēļ; r - attālums no sfēras centra.

Zivīm, kā tiks parādīts zemāk, ir divi dažādi uztvērēju veidi. Daži no tiem uztver spiedienu, bet citi uztver ūdens daļiņu pārvietošanos. Tāpēc dotajiem vienādojumiem ir liela nozīme lai pareizi novērtētu zivju reakciju uz zemūdens skaņas avotiem.

Saistībā ar skaņas emisiju mēs atzīmējam vēl divas parādības, kas saistītas ar emitētājiem: rezonanses fenomenu un emitētāju virzību.

Skaņas emisija no ķermeņa rodas tā vibrāciju dēļ. Katram ķermenim ir sava vibrāciju frekvence, ko nosaka ķermeņa izmērs un tā elastīgās īpašības. Ja šāds ķermenis tiek iedarbināts vibrācijā, kuras frekvence sakrīt ar paša frekvenci, rodas ievērojama vibrācijas amplitūdas pieauguma parādība - rezonanse. Rezonanses jēdziena izmantošana ļauj raksturot dažas zivju izstarotāju un uztvērēju akustiskās īpašības. Skaņas emisija ūdenī var būt virzīta vai bez virziena. Pirmajā gadījumā skaņas enerģija pārsvarā izplatās noteiktā virzienā. Grafiku, kas izsaka dotā skaņas avota skaņas enerģijas telpisko sadalījumu, sauc par tā virziena diagrammu. Virziena starojums tiek novērots, ja emitētāja diametrs ir ievērojami lielāks par izstarotās skaņas viļņa garumu.

Nevirziena starojuma gadījumā skaņas enerģija vienmērīgi atšķiras visos virzienos. Šī parādība rodas, ja izstarotās skaņas viļņa garums pārsniedz emitētāja diametru lambda> 2A. Otrais gadījums ir raksturīgākais zemūdens zemfrekvences emitētājiem. Parasti zemas frekvences skaņu viļņu garumi ir ļoti atšķirīgi vairāk izmēru izmanto zemūdens emitētājus. Tāda pati parādība ir raksturīga zivju emitētājiem. Šajos gadījumos emitētājiem nav virziena modeļu. Šajā nodaļā ir tikai daži vispārīgi fizikālās īpašības skaņa iekšā ūdens vide saistībā ar zivju bioakustiku. Daži specifiskāki akustikas jautājumi tiks apspriesti attiecīgajās grāmatas sadaļās.

Noslēgumā apskatīsim dažādu autoru izmantotās skaņas mērīšanas sistēmas. Skaņu var izteikt ar tās intensitāti, spiedienu vai spiediena līmeni.

Skaņas intensitāti absolūtās vienībās mēra vai nu ar skaitli erg/sek-cm 2, vai W/cm2. Tajā pašā laikā 1 erg/sek=10 -7 Otr.

Skaņas spiedienu mēra collās bāri

Pastāv saistība starp skaņas intensitāti un skaņas spiedienu:

ar kuru palīdzību jūs varat pārvērst šīs vērtības vienu citā.

Ne mazāk bieži, īpaši ņemot vērā zivju dzirdi, lielā sliekšņa vērtību diapazona dēļ skaņas spiediens tiek izteikts relatīvās decibelu logaritmiskās vienībās, db. Ja vienas skaņas skaņas spiediens R, un otrs P o, tad viņi uzskata, ka pirmā skaņa ir skaļāka par otro kdb un aprēķiniet to, izmantojot formulu:

Lielākā daļa pētnieku uzskata cilvēka dzirdes sliekšņa vērtību, kas vienāda ar 0,0002, kā skaņas spiediena P o nulles nolasījumu. bārs frekvencei 1000 Hz.

Šādas sistēmas priekšrocība ir iespēja tieši salīdzināt cilvēku un zivju dzirdi, trūkums ir grūtības salīdzināt iegūtos rezultātus par zivju skaņu un dzirdi.

Zivju radītā skaņas spiediena faktiskās vērtības ir par četrām līdz sešām kārtām augstākas par pieņemto nulles līmeni (0,0002). bārs), un dažādu zivju dzirdes sliekšņa līmeņi atrodas gan virs, gan zem parastās nulles atskaites.

Tāpēc, lai atvieglotu zivju skaņu un dzirdes salīdzināšanu, amerikāņu autori (Tavolga a. Wodinsky, 1963 u. c.) izmanto citu atskaites sistēmu.

Par nulles atskaites līmeni uzskata skaņas spiedienu 1 bārs, kas ir 74 db augstāks nekā pieņemts iepriekš.

Tālāk ir norādīta aptuvenā abu sistēmu attiecība.

Faktiskās vērtības saskaņā ar Amerikāņu sistēma Skaitļi tekstā ir atzīmēti ar zvaigznīti.

Lielos attālumos skaņas enerģija virzās tikai pa maigiem stariem, kas neskar okeāna dibenu visā ceļā. Šajā gadījumā vides ierobežojums skaņas izplatīšanās diapazonam ir tā absorbcija jūras ūdens. Galvenais absorbcijas mehānisms ir saistīts ar relaksācijas procesiem, ko pavada termodinamiskā līdzsvara akustiskā viļņa traucējumi starp ūdenī izšķīdināto sāļu joniem un molekulām. Jāpiebilst, ka galvenā loma absorbcijā plašā skaņas frekvenču diapazonā pieder pie magnija sēra sāls MgSO4, lai gan procentuāli tā saturs jūras ūdenī ir ļoti mazs - gandrīz 10 reizes mazāks nekā, piemēram, akmens sāls NaCl, kas tomēr nespēlē nekādu jūtamu loma skaņas absorbēšanā.

Absorbcija jūras ūdenī, vispārīgi runājot, ir lielāka, jo augstāka ir skaņas frekvence. Frekvencēs no 3-5 līdz vismaz 100 kHz, kur dominē iepriekš minētais mehānisms, absorbcija ir proporcionāla frekvencei ar jaudu aptuveni 3/2. Pie zemākām frekvencēm tiek aktivizēts jauns absorbcijas mehānisms (iespējams, pateicoties bora sāļu klātbūtnei ūdenī), kas kļūst īpaši pamanāms simtiem hercu diapazonā; šeit absorbcijas līmenis ir anomāli augsts un samazinās ievērojami lēnāk, samazinoties biežumam.

Lai skaidrāk iedomāties absorbcijas kvantitatīvos raksturlielumus jūras ūdenī, mēs atzīmējam, ka šī efekta dēļ skaņa ar frekvenci 100 Hz tiek vājināta 10 reizes 10 tūkstošu km garumā un ar frekvenci 10 kHz - pie attālums ir tikai 10 km (2. attēls). Tādējādi tikai zemas frekvences skaņas viļņus var izmantot liela attāluma zemūdens sakariem, liela attāluma zemūdens šķēršļu noteikšanai utt.

2. attēls. Attālumi, kuros dažādas frekvences skaņas vājina 10 reizes, izplatoties jūras ūdenī.

Dzirdamo skaņu zonā frekvenču diapazonam 20-2000 Hz skaņu izplatīšanās diapazons zem ūdens vidēja intensitāte sasniedz 15-20 km, bet ultraskaņas reģionā - 3-5 km.

Balstoties uz skaņas vājināšanās vērtībām, kas novērotas laboratorijas apstākļos nelielos ūdens daudzumos, varētu sagaidīt ievērojami lielākus diapazonus. Tomēr iekšā dabas apstākļi Papildus vājinājumam, ko izraisa paša ūdens īpašības (tā sauktā viskozā vājināšanās), to ietekmē arī tā izkliede un absorbcija dažādu vides neviendabīgumu ietekmē.

Skaņas laušanu jeb skaņas stara ceļa izliekumu izraisa ūdens īpašību neviendabīgums, galvenokārt vertikāli, trīs galveno iemeslu dēļ: hidrostatiskā spiediena izmaiņas līdz ar dziļumu, sāļuma izmaiņas un temperatūras izmaiņas nevienlīdzības dēļ. ūdens masas sildīšana ar saules stariem. Šo iemeslu kombinētas darbības rezultātā skaņas izplatīšanās ātrums, kas saldūdenī ir aptuveni 1450 m/sek un jūras ūdenim ap 1500 m/sek, mainās līdz ar dziļumu, un izmaiņu likums ir atkarīgs no laika. gada, diennakts laiks, rezervuāra dziļums un vairāki citi iemesli. Skaņas stari, kas izplūst no avota noteiktā leņķī pret horizontu, ir saliekti, un lieces virziens ir atkarīgs no skaņas ātruma sadalījuma vidē. Vasarā, kad augšējie slāņi ir siltāki nekā apakšējie, stari noliecas uz leju un pārsvarā atstarojas no apakšas, zaudējot būtisku savas enerģijas daļu. Gluži pretēji, ziemā, kad apakšējie ūdens slāņi saglabā savu temperatūru, bet augšējie slāņi atdziest, stari noliecas uz augšu un vairākkārt atspīd no ūdens virsmas, kā rezultātā tiek zaudēts daudz mazāk enerģijas. Tāpēc ziemā skaņas izplatīšanās diapazons ir lielāks nekā vasarā. Refrakcijas dēļ t.s mirušās zonas, t.i., vietas, kas atrodas tuvu avotam un kurās nav dzirdamības.

Tomēr refrakcijas klātbūtne var izraisīt skaņas izplatīšanās diapazona palielināšanos - skaņu zem ūdens izplatīšanās fenomenu īpaši lielos attālumos. Kādā dziļumā zem ūdens virsmas ir slānis, kurā skaņa pārvietojas ar mazāko ātrumu; Virs šī dziļuma skaņas ātrums palielinās temperatūras paaugstināšanās dēļ, un zem šī dziļuma palielinās hidrostatiskais spiediens līdz ar dziļumu. Šis slānis ir sava veida zemūdens skaņas kanāls. Stars, kas refrakcijas dēļ novirzījies no kanāla ass uz augšu vai uz leju, vienmēr mēdz tajā iekrist atpakaļ. Ja šajā slānī ievietojat skaņas avotu un uztvērēju, tad pat vidējas intensitātes skaņas (piemēram, 1-2 kg mazu lādiņu sprādzieni) var tikt ierakstītas simtu un tūkstošu km attālumā. Ievērojamu skaņas izplatīšanās diapazona pieaugumu zemūdens skaņas kanāla klātbūtnē var novērot, ja skaņas avots un uztvērējs atrodas ne vienmēr kanāla ass tuvumā, bet, piemēram, virsmas tuvumā. Šajā gadījumā stari, laužoties uz leju, nonāk dziļjūras slāņos, kur tie tiek novirzīti uz augšu un atkal iziet uz virsmu vairāku desmitu kilometru attālumā no avota. Tālāk tiek atkārtots staru izplatīšanās modelis un rezultātā veidojas tā saukto staru secība. sekundāras apgaismotas zonas, kuras parasti tiek izsekotas vairāku simtu km attālumā.

Augstfrekvences skaņu, īpaši ultraskaņas, izplatīšanos, kad viļņu garums ir ļoti mazs, ietekmē nelielas neviendabības, kas parasti sastopamas dabiskajās ūdenstilpēs: mikroorganismi, gāzes burbuļi utt. Šīs neviendabības darbojas divos veidos: tās absorbē un izkliedē skaņas viļņu enerģiju. Tā rezultātā, palielinoties skaņas vibrāciju frekvencei, samazinās to izplatīšanās diapazons. Šis efekts ir īpaši pamanāms ūdens virsmas slānī, kur ir visvairāk neviendabīgumu. Skaņas izkliede neviendabīgumu, kā arī ūdens un grunts nelīdzenu virsmu dēļ izraisa zemūdens reverberācijas fenomenu, kas pavada skaņas impulsa raidīšanu: skaņas viļņi, kas atstarojas no neviendabīgumu kopuma un saplūst, rada skaņas impulsa pagarināšanās, kas turpinās pēc tā beigām, līdzīgi kā reverberācija, kas novērota slēgtās telpās. Zemūdens reverberācija ir diezgan nozīmīgs traucējums vairākiem praktiskiem hidroakustikas pielietojumiem, jo ​​īpaši sonāriem.

Zemūdens skaņu izplatības diapazonu ierobežo arī t.s. pašas jūras trokšņi, kuriem ir divējāda izcelsme. Daļa trokšņa rodas no viļņu ietekmes uz ūdens virsmu, no jūras sērfošanas, no ripojošo oļu trokšņa utt. Otra daļa ir saistīta ar jūras faunu; Tas ietver zivju un citu jūras dzīvnieku radītās skaņas.

Mēs uztveram skaņas attālumā no to avotiem. Parasti skaņa mūs sasniedz pa gaisu. Gaiss ir elastīga vide, kas pārraida skaņu.

Pievērs uzmanību!

Ja skaņas pārraides vide tiek noņemta starp avotu un uztvērēju, skaņa neizplatīsies un līdz ar to uztvērējs to neuztvers.

Piemērs:

Zem gaisa sūkņa zvana novietosim modinātāju (1. att.).

Kamēr zvanā ir gaiss, zvana skaņu var dzirdēt skaidri. Kad gaiss tiek izsūknēts no zvana apakšas, skaņa pamazām vājinās un beidzot kļūst nedzirdama. Bez pārraides vides zvana plāksnes vibrācijas nevar pārvietoties, un skaņa nesasniedz mūsu ausi. Ielaidīsim gaisu zem zvana un atkal dzirdēsim zvana signālu.

Pievērs uzmanību!

Elastīgās vielas labi vada skaņas, piemēram, metālus, koksni, šķidrumus un gāzes.

Noliksim kabatas pulksteni vienā koka dēļa galā un pāriesim uz otru galu. Pieliekot ausi pie tāfeles, dzirdēsim pulksteņa tikšķus (2. att.).

Piesiet aukliņu pie metāla karotes. Novietojiet auklas galu pie auss. Sitot pa karoti, dzirdēsim spēcīgu skaņu (3. att.). Mēs dzirdēsim vēl spēcīgāku skaņu, ja stīgu nomainīsim ar stiepli.

Pievērs uzmanību!

Mīkstie un poraini ķermeņi ir slikti skaņas vadītāji.

Lai aizsargātu jebkuru telpu no svešu skaņu iekļūšanas, sienas, grīda un griesti ir izklāti ar skaņu absorbējošu materiālu slāņiem. Kā starpslāņi tiek izmantots filcs, presēts korķis, poraini akmeņi un dažādi sintētiskie materiāli (piemēram, putupolistirols), kas izgatavoti no putu polimēriem. Skaņa šādos slāņos ātri izzūd.

Skaņa izplatās jebkurā elastīgā vidē – cietā, šķidrā un gāzveida, bet nevar izplatīties telpā, kur nav vielas.

Avota svārstības savā vidē rada elastīgu skaņas frekvences vilni. Vilnis, sasniedzot ausi, ietekmē bungādiņu, liekot tai vibrēt ar frekvenci, kas atbilst skaņas avota frekvencei. Bungplēvītes vibrācijas caur kaulu sistēmu tiek pārnestas uz dzirdes nerva galiem, kairina tos un tādējādi rada skaņas sajūtu (4. att.).

Gāzēs un šķidrumos var pastāvēt tikai gareniskie elastīgie viļņi. Tāpēc skaņa tiek pārraidīta gaisā gareniskie viļņi, tas ir, mainīga kondensācija un gaisa retums, kas nāk no skaņas avota.

Skaņas vilnis, tāpat kā visi citi mehāniskie viļņi, telpā neizplatās uzreiz, bet ar noteiktu ātrumu.

Vērojot šauteni, mēs vispirms redzam uguni un dūmus, bet pēc kāda laika dzirdam šāviena skaņu.

Mēs zinām, ka skaņa ceļo pa gaisu. Tāpēc mēs varam dzirdēt. Vakuumā nevar pastāvēt skaņas. Bet, ja skaņa tiek pārraidīta pa gaisu, tās daļiņu mijiedarbības dēļ to nepārnēsās arī citas vielas? gribas.

Skaņas izplatīšanās un ātrums dažādos medijos

Skaņa netiek pārraidīta tikai pa gaisu. Droši vien visi zina, ka, pieliekot ausi pie sienas, var dzirdēt sarunas blakus istabā. Šajā gadījumā skaņu pārraida siena. Skaņas ceļo ūdenī un citos medijos. Turklāt skaņas izplatīšanās iekšā dažādas vides ah, tas notiek dažādos veidos. Skaņas ātrums mainās atkarībā no vielas.

Interesanti, ka skaņas izplatīšanās ātrums ūdenī ir gandrīz četras reizes lielāks nekā gaisā. Tas nozīmē, ka zivis dzird “ātrāk” nekā mēs. Metālos un stiklā skaņa pārvietojas vēl ātrāk. Tas ir tāpēc, ka skaņa ir vides vibrācija, un skaņas viļņi pārvietojas ātrāk labāk vadošos medijos.

Ūdens blīvums un vadītspēja ir lielāka nekā gaisa, bet mazāka nekā metāla. Attiecīgi skaņa tiek pārraidīta atšķirīgi. Pārejot no vienas vides uz otru, mainās skaņas ātrums.

Skaņas viļņa garums mainās arī, pārejot no vienas vides uz otru. Tikai tā biežums paliek nemainīgs. Bet tieši tāpēc mēs varam noteikt, kurš tieši runā pat caur sienām.

Tā kā skaņa ir vibrācijas, visi vibrāciju un viļņu likumi un formulas ir labi piemērojami skaņas vibrācijām. Aprēķinot skaņas ātrumu gaisā, jāņem vērā arī tas, ka šis ātrums ir atkarīgs no gaisa temperatūras. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās skaņas izplatīšanās ātrums. Plkst normāli apstākļi skaņas ātrums gaisā ir 340 344 m/s.

Skaņas viļņi

Skaņas viļņi, kā zināms no fizikas, izplatās elastīgās vidēs. Tāpēc zeme labi pārraida skaņas. Pieliekot ausi pie zemes, jau no tālienes var dzirdēt soļu skaņas, klabošus nagus utt.

Bērnībā visiem droši vien bija jautri pielikt ausi pie sliedēm. Vilciena riteņu skaņa tiek pārraidīta pa sliedēm vairākus kilometrus. Lai radītu apgrieztās skaņas absorbcijas efektu, tiek izmantoti mīksti un poraini materiāli.

Piemēram, lai pasargātu telpu no svešām skaņām vai, gluži otrādi, lai skaņas neizplūstu no telpas uz āru, telpai tiek veikta apstrāde un skaņas izolācija. Sienas, grīda un griesti ir pārklāti ar īpašiem materiāliem, kuru pamatā ir putu polimēri. Šādā polsterējumā visas skaņas ļoti ātri pazūd.

Skaņas izplatīšanās pamatlikumi ietver tās atstarošanas un laušanas likumus uz dažādu mediju robežām, kā arī skaņas difrakciju un tās izkliedi šķēršļu un neviendabīgumu klātbūtnē vidē un saskarnēs starp nesējiem.

Skaņas izplatīšanās diapazonu ietekmē skaņas absorbcijas faktors, tas ir, skaņas viļņu enerģijas neatgriezeniska pāreja uz cita veida enerģiju, jo īpaši siltumu. Svarīgs faktors ir arī starojuma virziens un skaņas izplatīšanās ātrums, kas ir atkarīgs no vides un tā īpašā stāvokļa.

No skaņas avota akustiskie viļņi izplatās visos virzienos. Ja skaņas vilnis iziet cauri salīdzinoši mazam caurumam, tad tas izplatās visos virzienos, nevis virzās virzītā starā. Piemēram, ielu skaņas, kas caur atvērtu logu iekļūst telpā, ir dzirdamas visos punktos, nevis tikai pretī logam.

Skaņas viļņu izplatīšanās raksturs šķēršļa tuvumā ir atkarīgs no šķēršļa lieluma un viļņa garuma attiecības. Ja šķēršļa izmērs ir mazs, salīdzinot ar viļņa garumu, tad vilnis plūst ap šo šķērsli, izplatoties visos virzienos.

Skaņas viļņi, kas iekļūst no vienas vides uz otru, novirzās no sākotnējā virziena, tas ir, tie tiek lauzti. Rerakcijas leņķis var būt lielāks vai mazāks par krišanas leņķi. Tas ir atkarīgs no tā, kurā vidē skaņa iekļūst. Ja skaņas ātrums otrajā vidē ir lielāks, tad laušanas leņķis būs lielāks par krišanas leņķi un otrādi.

Satiekoties ar šķērsli savā ceļā, skaņas viļņi no tā tiek atstaroti pēc stingri noteikta likuma - atstarošanas leņķis ir vienāds ar krišanas leņķi - ar to ir saistīts atbalss jēdziens. Ja skaņa tiek atstarota no vairākām virsmām dažādos attālumos, rodas vairākas atbalsis.

Skaņa pārvietojas atšķirīga sfēriska viļņa veidā, kas aizpilda arvien lielāku apjomu. Palielinoties attālumam, vides daļiņu vibrācijas vājinās un skaņa izkliedējas. Ir zināms, ka, lai palielinātu pārraides diapazonu, skaņa ir jākoncentrē noteiktā virzienā. Kad vēlamies, piemēram, lai mūs sadzird, pieliekam plaukstas pie mutes vai lietojam megafonu.

Difrakcijai, tas ir, skaņas staru liecei, ir liela ietekme uz skaņas izplatīšanās diapazonu. Jo neviendabīgāka vide, jo vairāk skaņas stars ir saliekts un attiecīgi mazāks skaņas izplatīšanās diapazons.

Skaņas izplatīšanās

Skaņas viļņi var pārvietoties gaisā, gāzēs, šķidrumos un cietvielas. Bezgaisa telpā viļņi nerodas. To var viegli pārbaudīt, izmantojot vienkāršu pieredzi. Ja zem hermētiska vāciņa, no kura ir evakuēts gaiss, novieto elektrisko zvanu, mēs nedzirdēsim nekādu skaņu. Bet, tiklīdz vāciņš ir piepildīts ar gaisu, atskan skaņa.

Svārstību kustību izplatīšanās ātrums no daļiņas uz daļiņu ir atkarīgs no vides. Senos laikos karotāji pielika ausis pie zemes un tādējādi atklāja ienaidnieka kavalēriju daudz agrāk, nekā tas parādījās redzeslokā. Un slavenais zinātnieks Leonardo da Vinči 15. gadsimtā rakstīja: “Ja tu, atrodoties jūrā, ielaidīsi ūdenī caurules caurumu un pieliksi tās otru galu pie auss, tu ļoti dzirdēsi kuģu troksni. tālu no tevis."

Skaņas ātrumu gaisā pirmo reizi 17. gadsimtā mērīja Milānas Zinātņu akadēmija. Vienā no kalniem bija uzstādīts lielgabals, bet otrā - novērošanas postenis. Laiks tika fiksēts gan šāviena brīdī (ar zibspuldzi), gan skaņas uztveršanas brīdī. Balstoties uz attālumu starp novērošanas punktu un pistoli un signāla rašanās laiku, skaņas izplatīšanās ātrumu vairs nebija grūti aprēķināt. Tas izrādījās vienāds ar 330 metriem sekundē.

Skaņas ātrums ūdenī pirmo reizi tika mērīts 1827. gadā Ženēvas ezerā. Abas laivas atradās 13 847 metru attālumā viena no otras. Pirmajā zem dibena tika pakārts zvans, bet otrajā ūdenī tika nolaists vienkāršs hidrofons (rags). Pirmajā laivā vienlaikus ar zvana sitienu tika aizdedzināts šaujampulveris, novērotājs zibspuldzes brīdī iedarbināja hronometru un sāka gaidīt skaņas signālu no zvana. Izrādījās, ka skaņa ūdenī pārvietojas vairāk nekā 4 reizes ātrāk nekā gaisā, t.i. ar ātrumu 1450 metri sekundē.

Skaņas ātrums

Jo lielāka ir vides elastība, jo lielāks ātrums: gumijā 50, gaisā 330, ūdenī 1450 un tēraudā - 5000 metri sekundē. Ja mēs, kas atradāmies Maskavā, varētu kliegt tik skaļi, ka skaņa sasniegtu Sanktpēterburgu, tad mūs tur dzirdētu tikai pēc pusstundas, un, ja skaņa izplatītos tādā pašā attālumā tēraudā, tad tā tiktu uztverta. divās minūtēs.

Skaņas izplatīšanās ātrumu ietekmē tās pašas vides stāvoklis. Kad mēs sakām, ka skaņa ūdenī pārvietojas ar ātrumu 1450 metri sekundē, tas nenozīmē, ka jebkurā ūdenī un jebkuros apstākļos. Palielinoties temperatūrai un ūdens sāļumam, kā arī palielinoties dziļumam un līdz ar to hidrostatiskajam spiedienam, skaņas ātrums palielinās. Vai arī ņemsim tēraudu. Arī šeit skaņas ātrums ir atkarīgs gan no temperatūras, gan no tērauda kvalitatīvā sastāva: jo vairāk tajā ir oglekļa, jo tas ir cietāks, un skaņa tajā pārvietojas ātrāk.

Satiekoties ar šķērsli savā ceļā, skaņas viļņi no tā stingri atstarojas noteiktu noteikumu: atstarošanas leņķis ir vienāds ar krišanas leņķi. Skaņas viļņi, kas nāk no gaisa, gandrīz pilnībā tiks atspoguļoti uz augšu no ūdens virsmas, un skaņas viļņi, kas nāk no avota, kas atrodas ūdenī, tiks atspoguļoti no tā uz leju.

Skaņas viļņi, iekļūstot no vienas vides citā, novirzās no sākotnējā stāvokļa, t.i. lauzts. Rerakcijas leņķis var būt lielāks vai mazāks par krišanas leņķi. Tas ir atkarīgs no tā, kādā vidē skaņa iekļūst. Ja skaņas ātrums otrajā vidē ir lielāks nekā pirmajā, tad laušanas leņķis būs lielāks par krišanas leņķi un otrādi.

Gaisā skaņas viļņi izplatās diverģējoša sfēriska viļņa veidā, kas aizpilda arvien lielāku tilpumu, jo skaņas avotu radītās daļiņu vibrācijas tiek pārnestas uz gaisa masu. Tomēr, attālumam palielinoties, daļiņu vibrācijas vājinās. Ir zināms, ka, lai palielinātu pārraides diapazonu, skaņa ir jākoncentrē noteiktā virzienā. Kad vēlamies, lai mūs sadzird labāk, pieliekam plaukstas pie mutes vai lietojam megafonu. Šajā gadījumā skaņa tiks vājināta mazāk, un skaņas viļņi virzīsies tālāk.

Palielinoties sienas biezumam, skaņu lokācija pie zemām vidējām frekvencēm palielinās, bet “mānīgā” sakritības rezonanse, kas izraisa skaņu lokācijas nožņaugšanos, sāk izpausties zemākās frekvencēs un aptver plašāku apgabalu.