Фізична природа звуку
Звук є супутником людини протягом усього її життя, але мало хто замислюється, що він є. З фізичної точки зору звук можна визначити як коливальні рухи частинок в пружному середовищі, спричинені будь-яким джерелом, коротко - пружні хвилі. Швидкість звуку залежить від властивостей середовища, в якому він поширюється: в газах швидкість звуку зростає зі зростанням температури і тиску, в рідинах при зростанні температури навпаки знижується (виключенням є вода, в якій швидкість звуку досягає максимуму при 74 ° С і починає знижуватися тільки при збільшення даної температури). Для повітря така залежність виглядає так:
де tc – температура навколишнього середовища, °С.
Таблиця 1. Швидкість звуку в газах, при температурі 0 ° С та тиск 1 атм.
| Азот | 334 м/с |
| Кисень | 316 м/с |
| Повітря | 332 м/с |
| Гелій | 965 м/с |
| Водень | 1284 м/с |
| Метан | 430 м/с |
| Аміак | 415 м/с |
Таблиця 2. Швидкість звуку в рідинах за температури 20 °С.
| Вода | 1490 м/с |
| Бензол | 1324 м/с |
| Спирт етиловий | 1180 м/с |
| Ртуть | 1453 м/с |
| Гліцерин | 1923 м/с |
У твердих тілах швидкість звуку визначається модулем пружності речовини та її щільністю, причому у поздовжньому і поперечному напрямі в необмежених ізотропних твердих тілах вона відрізняється.
Таблиця 3. Швидкість звуку у твердому тілі.
| Плавлений кварц | 5970 | 3762 |
| Бетон | 4200–5300 | - |
| Плексиглас | 2675 | 1110 |
| Скло | 3760–4800 | 2380–2560 |
| Тефлон | 1340 | - |
| Полістирол | 2350 | 1120 |
| Сталь | 5740 | 3092 |
| Золото | 3220 | 1200 |
| Мармур | 3810 | - |
| Алюміній | 6400 | 3130 |
| Поліетилен | 2000 | - |
| Срібло | 3650–3700 | 1600–1690 |
| Дуб | 4100 | - |
| Сосна | 3600 | - |
З таблиць наочно видно, що швидкість звуку в газах значно нижча, ніж у твердих тілах, саме тому в пригодницьких фільмах часто можна побачити, як люди прикладають вухо до землі, щоб визначити наявність погоні за собою, також це явище помітне поряд із залізницею. коли звук поїзда, що приходить, чується двічі — вперше він передається рейками, а другий — повітрям.
Процес коливального руху звукової хвилі в пружному середовищі можна описати на прикладі коливання частки повітря:
— на частинку повітря, змушену зрушити зі своєї початкової позиції, через вплив джерела звуку, діють пружні сили повітря, які намагаються повернути її на своє початкове місце, але через дію сил інерції, повертаючись, частка не зупиняється, а починає віддалятися від початкової позиції у протилежний бік, де у свою чергу на неї також діють пружні сили та процес повторюється.
На малюнку (малюнок №2) маленькими точками образно представлені молекули повітря (у кубометрі повітря їх більшемільйона). Тиск у галузі компресії дещо перевищує атмосферний, а в області розрідження, навпаки, — нижчий за атмосферний. Напрямок малих стрілочок показує, що, в середньому, молекули рухаються праворуч із області високого тиску і ліворуч із області низького. Будь-яка з представлених молекул спочатку проходить певну відстань у праву сторону, а потім таку ж відстань у ліву, щодо своєї початкової позиції, тоді як звукова хвиля рухається рівномірно в праву сторону.
Логічно запитати — чому звукова хвиля переміщається праворуч? Відповідь можна знайти при уважному розгляді стрілочок на попередньому малюнку: у місці, де стрілочки стикаються з один одним утворюється нове скупчення молекул, яке буде праворуч від початкової області компресії, при віддаленні від місця зіткнення стрілочок щільність молекул знижується і утворюється нова область розрідження , отже поступове переміщення області високого та низького тиску призводить до руху звукової хвилі у праву сторону.
Хвильовий рух такого роду називається гармонійними або синусоїдальними коливаннями, яке описується наступним чином:
Проста гармонійна або синусоїдальна хвиля зображена на малюнку (Малюнок №4):
Довжина хвилі залежить від частоти та швидкості звуку:
Довжина хвилі (м) = Швидкість хвилі (м/с) / Частота (Гц)
Відповідно частота визначається наступним чином:
Частота (Гц) = Швидкість хвилі (м/с) / Довжина хвилі (м)
З цих рівнянь видно, що зі збільшеннямчастоти – довжина хвилі зменшується.
Таблиця 4. Довжина хвилі в залежності від частоти звуку (при температурі повітря 20 ° С)
| Частота, Гц | 31,5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16000 |
| Довжина хвилі, м | 10,9 | 5,44 | 2,74 | 1,37 | 0,69 | 0,34 | 0,17 | 0,084 | 0,043 | 0,021 |
Інтенсивність звуку знижується зі збільшенням відстані від джерела звуку. Якщо звукова хвиля своєму шляху немає перешкод, то звук із джерела поширюється у всіх напрямах. На малюнку (рисунок №5) зображено характер зміни інтенсивності звуку - сила звуку залишається постійною, але площа впливу збільшується, тому в окремо взятій точці інтенсивність звуку знижується.
Залежно від виду джерела звуку існує кілька видів звукових хвиль: плоскі, сферичні та циліндричні.
Плоскі хвилі при поширенні не змінюють форму і амплітуду, сферичні не змінюють форму (амплітуда зменшується як 1/r), циліндричні змінюють і форму, і амплітуду (зменшується як 1/№r).