Акустические колебания и волны

ВВЕДЕНИЕ

 

Волна – это любое изменение (возмущение) состояния среды, распространяющееся с конечной скоростью и несущее энергию. Все волны можно разделить на два типа: упругие и электромагнитные. Упругие (другое название акустические) волны – это волны, связанные с колебаниями частиц при механической деформации упругой среды (жидкой, газообразной, твердой). При этом имеет место перенос энергии упругой деформации при отсутствии переноса вещества. Примером акустических волн являются звуковые волны, представляющие собой чередующиеся области повышенного и пониженного давления воздуха, расходящиеся от источника звука. Механические колебания в упругих средах вызывают распространение упругих волн, называемых акустическими колебаниями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Упругие волны

 

В акустической волне частицы  среды совершают колебания вокруг точки покоя. Волна, у которой  вектор колебательной скорости параллелен направлению распространения, называется продольной волной. Если невозмущенную  среду представить в виде регулярной структуры, то в случае продольной волны области сжатия и разрежения будут чередоваться вдоль направления распространения волны. Частицы среды колеблются в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Примером продольной волны можно считать звуковую волну, расходящуюся от акустической системы усилителя звуковых частот. Если частицы среды под действием волновой энергии совершают колебания в направлении, перпендикулярном распространению волны, такая волна называется поперечной или сдвиговой. Колебание струны можно рассматривать как стоячую поперечную волну. Акустическое поле можно рассматривать как совокупность упругих волн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  2. Распределение волн по частоте

 

Среди упругих волн самые  низкие частоты имеют инфразвуковые волны (рис.1), лежащие ниже границы слышимости их человеком (ниже 16-20 Гц). Инфразвук содержится в шуме атмосферы и моря, источником которого являются турбулентность атмосферы и ветер, грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы. Источником инфразвука являются вибрации различных узлов механизмов, двигателей и т.д. Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, в связи с чем он может распространяться на большие расстояния. Это позволяет определять места сильных взрывов, предсказывать цунами, исследовать свойства водной среды. Звуковые колебания – диапазон частот упругих волн, воспринимаемых ухом человека (от 20 Гц до 16-20 кГц). Источником звука могут быть любые явления, вызывающие местное изменение давления. Широко распространены источники звука в виде колеблющихся твердых тел, например диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн звукового диапазона, однако человеческим ухом они уже не воспринимаются. Диапазон их частот лежит от 16-20 кГц до 1 Гц. В связи с малой длиной волны распространение ультразвуковых волн существенно зависит от молекулярной структуры среды. Это позволяет, измеряя скорость распространения и затухание волн, судить о свойствах среды, определять наличие неоднородностей и дефектов. Основными источниками ультразвуковых волн являются электромеханические преобразователи (пьезоэлектрические, электродинамические, электростатические и т.п.). Источником гиперзвуковых колебаний (от 109 до 1012-1013 Гц) является тепловое колебание атомов или ионов, составляющих кристаллическую решетку твердого тела. Это колебание можно рассматривать как тепловой шум – совокупность упругих продольных и сдвиговых волн. Источниками гиперзвуковых колебаний могут быть пленочные пьезоэлектрические преобразователи, а также кристаллы, помещенные в объемный резонатор с электромагнитным колебанием сверхвысоких частот. В воздухе и жидкости гиперзвуковые колебания испытывают очень сильное затухание. Теорией акустических волн занимается линейная и нелинейная акустика (греческое  acustikos – слуховой). Прикладные области науки и техники акустических волн разнообразны – акустоэлектроника, электроакустика, гидроакустика, кристаллоакустика, атмосферная акустика, физиологическая акустика (все характеристики речи), архитектурная акустика, акустика в медицине, на производстве и т.д.   Распределение электромагнитных волн и колебаний по частоте связано с их природой и показано на рис.1.

 

Рис.1 – Распределение упругих волн по частоте

На низких частотах колебания напряжения и тока в электрических цепях можно рассматривать как одно из проявлений законов электродинамики (науки об электромагнитном поле). Основной особенностью при этом является то,  что  размеры  линий  много  меньше  длины волны. Напряжения и  токи на входе и выходе по сути синфазны, и, следовательно, волновые процессы, связанные с задержкой на прохождение линии, в них явно не проявляются. Однако даже на этих частотах законы электродинамики позволяют рассчитать емкость конденсатора, собственную и взаимную индуктивность катушек колебательных контуров, их добротность. Электромагнитные волны радиодиапазона – это колебания от достаточно низких частот (f=3.103 Гц) до крайне высоких (f=3.1011 Гц). Источником радиоволн являются токи в проводниках и электронных потоках (генераторы радиочастот). Диапазон частот радиоволн ограничен невозможностью их распространения на достаточно большие расстояния. Нижняя частота ограничена критической частотой сферического волновода, образованного земной поверхностью и нижним слоем ионосферы. На высоких частотах резко возрастает затухание за счет взаимодействия электромагнитных колебаний с атомами и молекулами атмосферы. Волны этого частотного диапазона широко используются в радиотехнике, электронике, в системах связи. До диапазона инфракрасных волн процессы излучения и поглощения электромагнитных волн описываются законами электродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие квантовую природу, а в диапазоне оптического и тем более рентгеновского и γ-излучения процессы могут быть описаны только на основе дискретных представлений. Анализом этих явлений занимается квантовая электродинамика.

Распространение акустических волн  в среде вызывает возникновение  деформаций сжатия и сдвига, которые  переносятся из одной точки в  другую; при этом имеет место перенос  энергии упругой деформации в  отсутствие потока вещества (исключая особые случаи, напр, акустич. течения). Акустические материалы - предназначаются для снижения шума и создания оптимальных условий слышимости в помещении; подразделяются на звукопоглощающие и звукоизоляционные. Звукопоглощающие материалы применяют для облицовки помещений и технических устройств, требующих снижения уровня шумов (напр., вентиляционные установки и др.), а также для улучшения акустических свойств зрительных залов, радиостудий и пр. Изготовляются на основе минер, ваты или стекловолокна (мягкие A.m.), асбестоцемента, штукатурных растворов с пористыми заполнителями и др. (жёсткие A.m.). Звукоизоляционные материалы (преим. рулонные и плиточные) используют в конструкциях межэтажных перекрытий, во внутренних стенах и перегородках (минераловатные и стекловолокнистые маты и плиты), а также как виброизоляционные прокладки (из эластичных газонаполн. пластмасс, литой или губчатой резины)

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения  волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие  деформации сдвига, обусловливающие  возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают  колебания перпендикулярно направлению  распространения волны. Скорость распространения  продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых  волн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Энергия и скорость  волн 

 

Движущаяся волна, подобно  любому движущемуся объекту, несёт энергию от одной точки пространства к другой (от источника к приёмнику). При этом перенос энергии происходит без переноса вещества среды, хотя сама среда вовлечена в волновой процесс передачи энергии. Величина энергии, переносимой волной, может меняться в широких пределах. Так, плотность потока мощности электромагнитного поля, создаваемого лазером, может составлять до  Вт/м1010 2 вблизи электрического пробоя воздуха. Мощность же звуковых волн человеческого голоса очень незначительна. Например, интенсивность звуковых волн на пороге слышимости их человеком на частоте f=1кГц составляет всего 10-12 Вт/м .  Волна распространяется от одной точки к другой за определённое время с конечной скоростью. Скорость акустических волн на несколько порядков меньше. Например, звуковые волны распространяются в сухом воздухе при температуре t=0 ºС со скоростью 331м/с.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

 

Распространяясь в пространстве, звуковые колебания создают акустическое поле. Расстояние между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны, т. е. длина волны – это путь, пройденный волной за время, равное периоду колебаний. Скорость распространения волны зависит от плотности среды, в которой она распространяется, расстояния от источника волны и ряда других факторов.

Ухо человека воспринимает и анализирует звуки в широком диапазоне. Высота звука определяется частотой колебаний: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Громкость возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность звуковых волн. Минимальные значения порогов лежат в диапазоне 1–5 кГц. Порог слуха у человека составляет 10 дБ на частоте 1000 Гц, на частоте 100 Гц порог слухового восприятия значительно выше, так как ухо чувствительно к звукам низких частот. Болевым порогом считают звук с уровнем 140 дБ, что соответствует звуковому давлению 200 Па и уровню интенсивности 100 Вт/м². Звуковые ощущения оцениваются по порогу дискомфорта.

Инфразвук является областью акустических колебаний с частотой ниже 16–20 Гц. В условиях производства инфразвук сочетается с низкочастотным шумом, в ряде случаев – с низкочастотной вибрацией.

Биологический эффект воздействия акустических колебаний  на организм человека зависит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемых действию колебаний, и выражается функциональным нарушением органов и систем организма  человека.

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Кайно Г. Акустические волны. – .: Мир, 1990.

2. Красильников А.В. Введение в акустику.– М. , 1992

3. Т 33 ТЕОРИЯ ВОЛНОВЫХ  ПРОЦЕССОВ: Акустические волны:  Учебной пособие /  И.П. Соловьянова, С.Н. Шабунин. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. 142 с.