Акустические волны

Колебания с частотами от 16 Гц до 20 кГц, распространяющиеся в упругих средах, вызывают специфическое ощущение звука. Волны, соответствующие таким колебаниям, называются звуковыми или акустическими волнами. В газах – это продольные волны, в твердых телах — и продольные, и поперечные. В силу физиологических особенностей человеческое ухо не способно воспринимать колебания с частотами ν < 16 Гц - инфразвук и с частотами ν > 20000 Гц - ультразвук.

Так как скорость распространения волн в упругих средах связана со свойствами среды, то для твердых тел

(5.44)

где Е - модуль Юнга, Н/м²;

р - плотность вещества, кг/м³.

В газовой среде сжатия и разряжения частиц среды вдоль направления распространения волны происходят очень быстро, изменение состояния газа можно считать адиабатическим, поэтому

(5.45)

где - показатель адиабаты, зависящий от свойств газа;

с_р - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг ∙ К);

с_v - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, Дж/(кг ∙ К);

μ - молярная масса газа, кг/моль;

Т - абсолютная температура, К;

R = 8, 31 Дж/(моль · К) — универсальная газовая постоянная.

Для различных газов скорость распространения звуковых волн при одинаковой температуре различна. В таблице 5.1 приведены значения скорости звука в различных газах при 0°С. Кроме того, наблюдения показывают, что на скорость звуковых волн влияют неоднородности газовой среды, степень ее влажности и другие факторы.

Таблица 5.1 Скорость звука в различных газах при t = 0^о С

Газ	, м/с
Воздух
Кислород
Водород
Углекислый газ

Как любые другие упругие волны, акустические волны переносят энергию колебаний. Величина средней энергии W (Дж ), переносимой волной в единицу времени t (с)через единичную площадку S (м²), называется интенсивностью или силой звука I (Вт/м²):

. (5.46)

Для каждой частоты звуковых колебаний в интервале от 16 Гц до 20000 Гц минимальная интенсивность является порогом слышимости, а максимальная - болевым порогом. На рисунке (5.10) представлены зависимости интенсивностей звука от частоты.

Характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука. Громкость звука с изменением интенсивности меняется по закону:

(5.47)

где L - уровень интенсивности звука, Б, дБ;

I - измеренное значение интенсивности звука при данной частоте, Вт/м².

- минимальное значение интенсивности на пороге слышимости для любой частоты.

В таблице 5. 2 приведены значения уровней интенсивности различных звуков, позволяющие сравнить их громкости.

Таблица 5.2 – Громкость различных звуков

Звук	Уровень громкости, дБ	Интенсивность звука,
Тихий шепот
Шаги
Громкая речь
Шум улицы
Оркестр

Особый класс явлений при распространении звуковых волн представляет собой ультразвук - колебания с частотой > 20 кГц, Ультразвуки широко применяются в медицине, в системах сигнализации, гидролокации, дефектоскопии, акустоэлектронике, позволяя получать новые сведения и результаты в научных исследованиях и технических разработках.