Випромінювання звуку тілами, що коливаються.
Джерелом звукових хвиль може служити будь-яке тіло, що вагається: камертон, язичок дзвінка, струна, голосові зв'язки і так далі. Коливання, що здійснюються джерелом звуку, викликають рух частинок навколишнього середовища, що безпосередньо стикаються з джерелом. Через пружний зв'язок між частинками середовища ці коливання передаються дедалі далі джерела, тобто поширюється звукова хвиля.
Закони поширення звукових хвиль від цього джерела визначаються як параметрами самого джерела (формою, розмірами, амплітудою та спектральним складом його коливань), так і властивостями навколишнього середовища (швидкістю звуку в ній, її хвильовим опором, однорідністю тощо).
Якщо розміри джерела звуку малі порівняно з довжиною звукової хвилі, що випромінюється (Lіст« λ), то таке джерело можна вважатиточковим. У однорідному середовищі від нього поширюватимутьсясферичні хвилі. Якщо розміри джерела великі проти довжиною хвилі (Lіст» λ), то внаслідок процесів дифракції його випромінювання буде направленим. Швидкість звуку повітря приблизно дорівнює 340м/с. Максимальна довжина хвилі, що відповідає низькочастотній межі чутного звуку (fmin = 16 Гц), λmах = 22 м, а мінімальна довжина хвилі (при частоті 20 кГц) λmin = 0,017 м. Тому для отримання спрямованого звукового пучка на мовних частотах (300 - 2000 Гц) застосовують рупори з діаметром вихідного перерізу близько 1 м.
Крім спрямованості випромінювання до основних характеристик джерел звуку відносяться частотний спектр і потужність звуку, що випромінюється.
Розглянемо принцип дії найпростіших джерел звуку.
Коливання струни
Струна є тонкою, гнучкою, сильно натягнутою ниткою з рівномірнорозподіленою за довжиною масою. При збудженні струни, наприклад, ударом або щипком, вона здійснюватиме коливальний рух, при якому всі її ділянки зміщуються в поперечному напрямку.
Розглянемо струну довжиниL, кінці якої закріплені. Позначимо швидкість поширення згинальних хвиль у струніV. При збудженні коливань на струні встановиться хвиля стоячи. При цьому на кінцях будуть знаходитись вузли, а між ними – одна або кілька пучностей. Так як відстань між вузлами дорівнює λ/2, то на довжині струни має вкластися ціле число напівхвиль (L=mλ/2), тобто на струні можуть виникати тільки такі хвилі стоячі , у яких довжина хвилі =2L/m(m= 1, 2, 3 …). Використовуючи формулу зв'язку довжини хвилі з частотою коливань та швидкістю поширення хвилі λ =V/f, отримаємо формулу для визначення власних частот коливань струни:
Швидкість поширення поперечних коливань у струні визначається формулою:
(4.2)
деF, d, ρ –сила натягу, діаметр та щільність матеріалу струни відповідно. Підставляючи значення швидкості формулу (4.1), отримаємо вираз для власних частот коливань струни:
деm= 1, 2, 3 … (4.3)
Найменша власна частотаf1 (m= 1) називаєтьсяосновною частотою абоосновним тоном. Вищі частоти, кратніf1, називаютьсяобертонами абогармониками.
На малюнку 4.1 представлені стоячі хвилі, частоти яких відповідають основному тону (m= 1) – рис.4.1а, першому обертону (m= 2) – рис.4.1б, другому обертону (m= 3) - рис.4.1в.