Звукові хвилі — властивості, характеристики і приклади

У загальному випадку фізика розглядає звукові хвилі як поширення збуджень тиску в пружних середовищах. Людське вухо вловлює цю аномалію, сприймаючи її як звук.

Звукові хвилі вивчає наука, що називається акустикою.

Звукова хвиля

Процес поширення пов’язаний з коливальним механічним рухом частинок. Досить якимось чином створити стрибок тиску, і частинки «штовхнуть» сусідні.

Рівняння звукової хвилі в газі (гармонійні коливання) буде виглядати так:

• p₀ – початковий тиск (Па);
• ω – кругова частота (Гц);
• k – хвильове число.

Формули зв’язку довжини звукової хвилі, швидкості, інші характеристики:

• v – швидкість хвилі (м/с);
• λ – довжина хвилі (м);
• T – період (с);
• f – частота (Гц).

Джерело звуку

Під джерелом звуку розуміють річ, що спровокувала хвилю. Наприклад, динамік або музичний інструмент.

У гучномовці для утворення шуму використовується рухома мембрана. У духових інструментах – рух повітря по внутрішніх ходах різної геометрії.

Зі струнних інструментів звук витягують за допомогою тертя смичка або за допомогою щипків, ударів. Людина утворює мову, вокал, за допомогою голосових зв’язок.

Швидкість звукової хвилі

Швидкість поширення акустичної хвилі є важливою фізичною характеристикою середовища або матеріалу, оскільки зі швидкістю звуку передаються будь-які збудження.

Величина залежить від пружних властивостей середовища. Наприклад, від:

• тиску;
• температури.

Для атмосферного повітря важлива вологість.

У загальному випадку визначається відношенням модуля всебічного стиснення і номінальної густини.

Для практичних цілей звук вимірюється дослідним шляхом. У рідинах звук поширюється швидше, ніж в газах.

Гучність

Гучність залежить від переміщуваної хвилею енергії. Гучність виміряють в Вт/м². Але інтенсивність звуку вимірюють в децибелах.

Існує маса додатків для комп’ютерів, смартфонів для вимірювання гучності. Фахівці озброюються спеціалізованими пристроями.

Висота і тембр звуку

Вважається, що людське вухо сприймає з різним успіхом частоти діапазону 20-20 000 Гц. Оптимальними для слуху є інтервал 1 000-5 000 Гц.

Висота звуку визначається частотою.

У музичних колонках, в залежності від частот, звук може розділятися на смуги (НЧ, СЧ, ВЧ). На кожен гучномовець надходить, відповідно, відфільтрований звук.

Звукові явища

Звук має яскраво виражені хвильові властивості:

• Інтерференція або додавання. Залежно від умов хвилі можуть взаємно посилюватися або послаблюватися. При проведенні великих концертних заходів враховуються можливі “деформації” звуку в деяких ділянках приміщення. Ефект пов’язаний з рясним відбиттям (рефракцією) хвиль від стін, стелі, підлоги. Особливо підступна поведінка лінійних масивів.
• Рота бійців зруйнує міст, йдучи по ньому “в ногу”. Конструкція не витримує резонансу.
• Дифракція. Огинання перешкоди, якщо довжина хвилі істотно більше.
• Заміряна частота джерела збільшується в процесі зближення з останнім (ефект Доплера).

Застосування звукових хвиль

Крім цінності спілкування один з одним, звук дає можливість насолоджуватися музикою і збагачувати своє уявлення про навколишній світ. Крім чутного спектру існують інфра- і ультразвук. Він знаходиться нижче і вище меж чутності відповідно.

УЗД (ультразвукове дослідження) дозволяє “побачити” нутрощі пацієнта без скальпеля і небезпечного рентгенівського апарату.

Ехолокатор поставляє морякам інформацію про глибини і рельєф дна. Офіцер-гідроакустик, таким чином, може виявити ворожий підводний човен. Характер відбиття ультразвуку допоможе виявити прихований дефект у важливій деталі конструкції деталі.

Слабкозгасаючий у середовищах інфразвук попередить про стихійне лихо. Спеціальні реєстраційні прилади виявляють і локалізують струсу ґрунту і скельних порід. Це важливо для вивчення та прогнозування землетрусів. Таким же чином виявляються заборонені випробування ядерної зброї, адже попереджений – значить озброєний.