Акустика

АкустикаАКУСТИКА, учение о звуковых явлениях. Звуковые явления представляют собою колебания, распространяющиеся волнами в упругой среде и воспринимаемые ухом. Звуковые волны в жидкой и газообразной среде м. б. только продольными, а в твердой - продольными и поперечными. Скорость распространения звуковых колебаний в различных средах различна:

Скорость распространения звуковых колебаний в различных средах

Скорость распространения звуковых колебаний в различных средах

Скорость звука в газе определяется теоретически по формуле Лапласа akustika f1 где р - упругость газа, δ - его плотность, а γ = cp/cv - отношение теплоемкостей газа. Она резко меняется с температурой. Так, в воздухе при

Скорость звука

В сухом газе изменение скорости звука с температурой не зависит от его упругости и выражается формулой V = V0(1 + αt)1/2, где V0 - скорость при 0°C и α - коэффициент расширения газа. Для очень сильных звуков (взрыв) скорость распространения звуковых волн зависит и от силы звука. Так, при взрыве была найдена скорость 13000 м/сек (Бекер, 1923 г.). На границе двух сред звуковые волны частью отражаются, частью преломляются; количество отраженной звуковой энергии тем больше, чем резче разница в акустической «жесткости» граничащих сред. «Жесткость» среды характеризуется произведением Vδ; для воды она = 140000, а для воздуха 40; поэтому поверхность воды хорошо отражает звук, и, следовательно, звук из воздуха в воду (и обратно) почти не проникает. При некоторых углах падений звуковые волны могут претерпеть полное внутреннее отражение, что может повлечь за собой образование зоны молчания. Встретив препятствия, звуковые волны у края его загибаются в сторону препятствия тем больше, чем больше длина звуковой волны, определяемой равенством λ = VT, где Т - период колебания. Это явление (дифракция звука) значительно уменьшает область звуковой тени. Звуковые волны способны интерферировать. Если интерферируют две встречные волны одного периода и равной амплитуды, то образуются стоячие волны, которые дают место узлам и пучностям. В узлах среда неподвижна, но давление сильно меняется (исчезновение звука); в пучностях среда совершает колебания удвоенной амплитуды, но давление остается неизменным. Стоячими волнами пользуются как методом для определения длины волны (пыльные фигуры Кундта), а, следовательно, и скорости звука. Количество звуковой энергии, протекающей в 1 сек. через 1 см2 поверхности, перпендикулярной к направлению потока, характеризует силу звука в данном месте среды; оно равно 1/2Vδa2 (где а - амплитуда колебания) или P2/(2Vδ), где Р - амплитуда давления. Если звуковые волны расходятся от звучащего тела по всем направлениям, то энергия изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния (при отсутствии поглощения звука средой). Высота тона звука характеризуется числом колебаний, совершаемых в 1 сек. (частота). Нормальное ухо способно воспринять лишь тоны, частоты которых заключаются в пределах от 16 до 20000; оно наиболее чувствительно к частотам 1500—3000. Ниже 16 и выше 20000 лежат так называемые «неслышимые звуки». Чаще всего звук состоит из сочетания различных по высоте и по силе тонов; эти добавочные тоны, или обертоны (верхние гармоники), происходят вследствие колебаний отдельных частей, на которые как бы распадается звучащее тело. Обертоны придают звуку особый оттенок, называемый тембром. Частоты обертонов кратны частоте основного тона и находятся с ней в соотношении 1:2:3:4:5 ... Произвести анализ сложного звука, т. е. определить его состав, можно, либо пользуясь воздушными резонаторами, из которых каждый усиливает лишь один определенный тон, либо фотографируя кривую соответствующего колебательного движения и подвергая ее гармоническому анализу.

В технике воспроизведения звуков и передачи их на расстояние в качестве звучащего тела почти во всех приборах применяется круглая упругая пластинка, мембрана, закрепленная по краям. К таким приборам относятся граммофон, фонограф, микрофон и телефон. Т. к. мембрана имеет собственные периоды колебаний, то она яснее всего передает звуки, соответствующие этим периодам, отчего искажается характер передаваемого звука. Для устранения этого недостатка в настоящее время применяют мембраны с очень коротким собственным периодом и с большим затуханием. КПД этих приборов вообще невысок; в лучших телефонах он достигает 10%. Т. к. звук под водой слышен очень далеко (до 150 км), то в последнее время стали во время туманов подавать звуковые сигналы под водой. Сильный звуковой передатчик питается под водой переменным током, подаваемым с берега по кабелю (подводный звуковой маяк, фиг. 1).

Подводный звуковой маяк

КПД такого прибора достигает 50%. На судах, по бортам, в подводной части, для приема этих сигналов устанавливаются гидрофоны (фиг. 2), представляющие некоторое изменение микрофонов; они соединены с телефонами, приложенными к ушам наблюдателя.

На судах, по бортам, в подводной части, для приема этих сигналов устанавливаются гидрофоны

Такое приспособление позволяет узнать с достаточной точностью направление, откуда идет звук. Этот же способ позволяет обнаружить приближение мины или подводной лодки. В военной технике стали употреблять звуковые приборы для определения положения орудий, для подслушивания приближения аэропланов и определения направления их полета. Эти приборы представляют рупоры, соединенные с наблюдателем и установленные друг от друга на значительном расстоянии. Для определения глубины моря (профиля дна) и высоты полета аэроплана пользуются явлением отражения звуков (эхо) от морского дна и от земной поверхности, причем в этих случаях употребляют «неслышимые звуки» большой частоты (от 20000 до 200000 колебаний в сек.). Излучателем и приемником служат кристаллы (пьезоэлектрические) кварца.

В строительной технике под акустикой разумеют акустические условия закрытого помещения. Для получения наилучших условий распределения звуков в помещении необходимо устранить излишнюю реверберацию, т. е. чрезмерную длительность звука вследствие многократного отражения от стен, и избежать собирания звуковых волн в отдельных местах. Если звук исчезает очень быстро после своего появления, - помещение кажется глухим; если звук длится очень долго после своего прекращения, - помещение кажется гулким, и отдельные звуки становятся неясными. Наивыгоднейшее время реверберации лежит от 1 сек. для малых зал и до 2—З сек. для больших. Необходимо, следовательно, подбирать материал стен и их форму т. о., чтобы звуковые волны по возможности рассеивались равномерно. Для исследования акустических условий строящегося помещения изготовляют модель в горизонтальном и вертикальном разрезе и помещают в ванну со стеклянным дном, через которое освещают внутренность сильным источником света. В месте, где предполагается источник звука, производят сильный толчок на поверхности воды и наблюдают отражение волны от стен. Этим обнаруживаются недостатки помещения в акустическом отношении.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 - 1927 г.