Физическата природа на звука
Звукът е спътник на човек през целия му живот, но малко хора се замислят какво представлява той. От физическа гледна точка звукът може да се определи като трептящо движение на частици в еластична среда, предизвикано от някакъв източник, накратко - еластични вълни. Скоростта на звука зависи от свойствата на средата, в която се разпространява: в газовете скоростта на звука се увеличава с повишаване на температурата и налягането, в течности, с повишаване на температурата, напротив, намалява (изключение прави водата, в която скоростта на звука достига максимум при 74 ° C и започва да намалява само с повишаване на тази температура). За въздуха тази зависимост изглежда така:
където tc е температурата на околната среда, °С.
Таблица 1. Скорост на звука в газове, при температура 0 °C и налягане 1 atm.
| Азот | 334 m/s |
| Кислород | 316 m/s |
| Въздух | 332 m/s |
| Хелий | 965 m/s |
| Водород | 1284 m/s |
| Метан | 430 m/s |
| Амоняк | 415 m/s |
Таблица 2. Скорост на звука в течности при 20 °C.
| вода | 1490 m/s |
| Бензол | 1324 m/s |
| Етанол | 1180 m/s |
| живак | 1453 m/s |
| Глицерол | 1923 m/s |
В твърдите тела скоростта на звука се определя от модула на еластичност на веществото и неговата плътност, докато тя се различава в надлъжна и напречна посока в неограничени изотропни твърди тела.
Таблица 3. Скорост на звука в твърди тела.
| Топен кварц | 5970 | 3762 |
| Бетон | 4200–5300 | — |
| Плексиглас | 2675 | 1110 |
| Стъклена чаша | 3760–4800 | 2380–2560 |
| Тефлон | 1340 | — |
| Полистирен | 2350 | 1120 |
| Стомана | 5740 | 3092 |
| злато | 3220 | 1200 |
| Мрамор | 3810 | — |
| Алуминий | 6400 | 3130 |
| Полиетилен | 2000 г | — |
| Сребро | 3650–3700 | 1600–1690 |
| Дъб | 4100 | — |
| Бор | 3600 | — |
Таблиците ясно показват, че скоростта на звука в газовете е много по-ниска, отколкото в твърдите вещества, поради което в приключенските филми често можете да видите как хората слагат уши на земята, за да определят наличието на преследване, а това явление се забелязва и в близост до железопътната линия, когато звукът на идващ влак се чува два пъти - първият път се предава по релсите, а вторият - по въздуха.
Процесът на осцилаторно движение на звукова вълна в еластична среда може да се опише с помощта на примера на вибрацията на частица въздух:
- въздушна частица, принудена да се премести от първоначалното си положение, поради въздействието на източник на звук, се влияе от еластични сили на въздуха, които се опитват да я върнат на първоначалното й място, но поради действието на инерционните сили, връщайки се, частицата не спира, а започва да се отдалечава от първоначалната позиция в обратна посока, където от своя страна върху нея също действат еластични сили и процесът се повтаря.
На фигурата (Фигура № 2) малки точки образно представляват въздушни молекули (има повече от тях в кубичен метър въздухмилиона). Налягането в областта на компресия е малко по-високо от атмосферното налягане, а в областта на разреждането, напротив, е по-ниско от атмосферното налягане. Посоката на малките стрелки показва, че средно молекулите се движат надясно от областта на високо налягане и наляво от областта на ниско налягане. Всяка от представените молекули първо изминава определено разстояние надясно, а след това същото разстояние наляво спрямо първоначалната си позиция, докато звуковата вълна се движи равномерно надясно.
Логично е да зададем въпроса - защо звуковата вълна се движи надясно? Отговорът може да бъде намерен чрез внимателно изследване на стрелките на предишната фигура: на мястото, където стрелките се сблъскват една с друга, се образува нов клъстер от молекули, който ще бъде разположен от дясната страна на първоначалната зона на компресия, когато се отдалечава от точката на сблъсък на стрелките, плътността на молекулите намалява и се образува нова област на разреждане, следователно постепенното движение на зоната с високо и ниско налягане води до движение на звуковата вълна към дясната страна.
Вълново движение от този вид се нарича хармонично или синусоидално трептене, което се описва, както следва:
Проста хармонична или синусоидална вълна е показана на фигурата (Фигура #4):
Дължината на вълната зависи от честотата и скоростта на звука:
Дължина на вълната (m) = Скорост на вълната (m/s) / Честота (Hz)
Съответно честотата се определя, както следва:
Честота (Hz) = Скорост на вълната (m/s) / Дължина на вълната (m)
От тези уравнения може да се види, че с увеличаванечестота - дължината на вълната намалява.
Таблица 4. Дължина на вълната спрямо честота на звука (при температура на въздуха 20°C)
| честота Hz | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 г | 4000 | 8000 | 16000 |
| Дължина на вълната, m | 10.9 | 5.44 | 2.74 | 1.37 | 0,69 | 0,34 | 0,17 | 0,084 | 0,043 | 0,021 |
Интензитетът на звука намалява с увеличаване на разстоянието от източника на звук. Ако звуковата вълна не среща препятствия по пътя си, тогава звукът от източника се разпространява във всички посоки. Фигурата (Фигура № 5) показва характера на изменението на интензитета на звука - силата на звука остава постоянна, но зоната на въздействие се увеличава, поради което интензитетът на звука намалява в една точка.
В зависимост от вида на източника на звук има няколко вида звукови вълни: плоски, сферични и цилиндрични.
Плоските вълни не променят формата и амплитудата си по време на разпространение, сферичните вълни не променят формата си (амплитудата намалява с 1/r), цилиндричните вълни променят както формата, така и амплитудата (намалява с 1/№r).