В физике, звук является вибрацией, которая распространяется, как правило, механической волной от давления и смещения, через среду, такую как воздух или вода.
Звук распространяется из-за упругих связей между молекулами сред.
Особенности звука
Основные технические характеристики звука:
- шаг,
- объем звука,
- продолжительность звука,
- тембр.
Эти особенности тесно связаны с соответствующими параметрами акустической волны.
Свойства звука
Звуковая волна с помощью различных средств массовой информации движется с различной скоростью. В воздухе, волна, движется со скоростью около $300$ м/с, в воде приблизительная скорость $1500$ м/с. Звук определяется, как и другие волны, двумя физическими параметрами, частотой и длиной волны.
Нормальное человеческое ухо может слышать звуки на частоте от $16$ Гц до $20000$ Гц.
Таким образом, в зависимости от частоты звуковые волны подразделяются:
- инфразвук- ниже $16$ Гц,
- от $20$ Гц до $20$ кГц - границы, когда человек воспринимает звук,
- Ультразвук - выше $20$ кГц.
Рисунок 1. Подразделение звуковых волн
Скорость звука
Скорость звука зависит от среды, через которую проходят волны, и является фундаментальным свойством материала. Первые значительные усилия в направлении измерения скорости звука были сделаны Ньютоном. Он считал, что скорость звука в отношении конкретного вещества была равна корню квадратному из давления, действующего на него, деленое на плотность.
Позже это было опровергнуто, когда установили, что так неправильно записывать скорость.
Таким образом,
Где $\gamma {\rm -}$ адиабатическая сжимаемость среды.
Поскольку $K{\rm =}\gamma {\rm \cdot p}$ окончательно получим уравнение:
которое также известно как уравнение Ньютона-Лапласа.
Таким образом, скорость звука возрастает с увеличением жесткости материала, и уменьшается с его плотностью.
В диспергирующей среде, скорость звука является функцией частоты звука, определяемая через дисперсионное соотношение. Каждый частотный компонент распространяется со своей скоростью, называемой фазовой скоростью, в то время как энергия возмущения распространяется с помощью групповой скорости.
В атмосфере Земли, главным фактором, влияющим, на скорость звука является температура. Для данного идеального газа с постоянной теплоемкостью и составом, скорость звука зависит только от температуры.
Рисунок 2. Скорость звука в воде по отношению к температуре
Найти скорость $v$ распространения продольных упругих колебаний в следующих металлах:
- алюминии;
- меди;
- вольфраме.
Решение:
Скорость продольных колебаний в твердых телах:
\[v=\sqrt{\frac{E}{p}}\]Поэтому для алюминия
\[v=\sqrt{\frac{6,9\cdot {10}^{10}Па}{2600\ {кг}/{м^3}}}=5125{м}/{с}\]Для меди:
\[v=\sqrt{\frac{1,18\cdot {10}^{11}Па}{\ {8600\ кг}/{м^3}}}=3704\ {м}/{с}\]Для вольфрама
\[v=\sqrt{\frac{3,8\cdot {10}^{11}Па}{\ {19300\ кг}/{м^3}}}=4437\ {м}/{с}\]Ответ: $5125{м}/{с}$, $3704\ {м}/{с}$, $4437\ {м}/{с}$.
