Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
ГЛАВА XII. ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА§ 116. Затухание звукаТот факт, что звук распространяется с конечной скоростью, известен с незапамятных времен, например, по наблюдению эхо. Измерения скорости звука всегда были довольно точны. Еще в 1738 г. французская академия наук получила для скорости звука в воздухе при 0° С значение 337 м/сек, всего на 1,7% отличающееся от современных измерений (332,45 м/сек). Но другое фундаментальное свойство процесса распространения — затухание в результате поглощения звука (т. е. перехода звуковой энергии в тепловую) — привлекло внимание только в XIX веке, а экспериментальное обнаружение и измерение поглощения было выполнено только в нашем веке. Это объясняется тем, что при умеренных частотах поглощение звука в воздухе или в воде удивительно мало и поэтому полностью маскируется другими причинами затухания. Если бы не было расхождения в стороны, рассеяния на препятствиях и других причин затухания звуковых волн, помимо поглощения, то, например, звук мужского голоса (основная частота 100—150 гц) при распространении в атмосфере ослабел бы вдвое по амплитуде только после пробега примерно Конечно, такое малое поглощение совершенно незаметно на фоне затухания, вызванного другими причинами, всегда сопровождающими реальное распространение звука в свободной среде. Главная причина — расхождение звука во все стороны от источника. При удалении с расстояния в В свободной атмосфере есть и другие причины, изменяющие затухание звука при распространении. Так, при распространении над землей рассеяние звука вверх неровностями почвы увеличивает затухание. По этой причине звук затухает над землей сильнее, чем над зеркально-гладкой поверхностью воды. Далее, в § 57 мы видели, что в неоднородной среде звук уклоняется в сторону, где скорость звука меньше. Так как скорость звука в воздухе растет с температурой, то звук отклоняется в сторону более холодного воздуха. Поэтому, если, как обычно, температура воздуха убывает при поднятии над землей, звук отклоняется вверх и при наблюдении у земли затухание его окажется увеличенным. При «температурной аномалии» (повышении температуры с высотой) затухание уменьшится. Ветер также может увеличивать и уменьшать затухание звука, распространяющегося вдоль земли: скорость звука складывается со скоростью ветра, скорость же ветра растет при поднятии над землей, так как вблизи земли ветер тормозится трением. Поэтому при противном ветре (дующем от приемника к источнику звука) эффективная скорость звука уменьшается при поднятии и звук отклоняется вверх: затухание увеличивается. При попутном ветре эффективная скорость звука растет при поднятии над поверхностью земли и наблюдается уменьшенное затухание звука. В направлениях, перпендикулярных к ветру, он практически не влияет на затухание. Казалось бы, устранив расхождение звука в стороны, например, пустив звук по длинной трубе или наблюдая затухание звука с течением времени в закрытом помещении, стенки которого не дают звуку выходить наружу, можно было бы все-таки определить поглощение в среде. Однако в таких случаях поглощение в среде маскируется большим поглощением звуковой энергии в непосредственной близости от стенок трубы или помещения — в так называемом акустическом пограничном слое. В самом деле, сравним относительную роль поглощения звука в пограничном слое и во всем объеме помещения. Для определенности рассмотрим поглощение, вызываемое вязкостью среды. Перемещение участков среды как целого не вызывает вязкого поглощения: такое поглощение имеет место только при наличии градиентов скоростей частиц среды. Градиенты скорости вдали от стенок пропорциональны волновому числу пограничного слоя; градиент скорости в этом случае можно считать пропорциональным Силы вязкости, вызывающие поглощение, пропорциональны градиентам скорости, а их мощность, т. е. поглощенная в единицу времени энергия, пропорциональна еще скорости деформации частиц, которая в свою очередь также пропорциональна градиенту скорости. Таким образом, работа вязких сил, переводящая акустическую энергию в тепло и рассчитанная на единицу объема, пропорциональна в среде величине
Например, для воздуха при частоте 100 гц имеем: Примерно столько же, сколько вязкость, вносит в потери и теплопроводность, так что порядок отношения сохранится и при учете обоих механизмов. При повышении частоты это отношение увеличивается; в нашем примере вязкие потери в среде и у стенок сравнялись бы при частоте около Маскировка поглощения звука в воздухе затуханием, вызываемым другими причинами, до сих пор не позволяет измерить непосредственно поглощение в воздухе звука низких частот, например звука человеческого голоса. Непосредственное измерение поглощения удается только для звуков высокой частоты — ультразвуков, а поглощение на низкой частоте вычисляют по теоретическим формулам, проверенным на высоких частотах. Помимо того, что при высокой частоте поглощение звука в среде много больше, чем на низкой, на ультразвуковых частотах удается создавать слабо расходящиеся пучки, устраняя тем самым основную причину затухания, маскирующую поглощение. Отметим, кстати, различный ход затухания, вызываемый расхождением волн и поглощением звука. Затухание вследствие расхождения происходит по степенному закону (интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника). Затухание же вследствие поглощения происходит, как увидим ниже, по экспоненциальному закону: на данной длине пробега поглощается всегда одна и та же часть приходящей звуковой энергии. На каждый метр пробега звуковой волны поглощение добавляет одно и то же относительное затухание, а расхождение волн — все меньшее и меньшее относительное затухание. Поэтому вблизи источника звука преобладает затухание вследствие расхождения, а при распространении звука на большое расстояние в свободной среде (например, в подводном звуковом канале или в воздушном канале в атмосфере) роль поглощения в конце концов делается преобладающей. Оставляя в стороне затухание, вызываемое другими причинами, в этой главе мы будем рассматривать только поглощение звука в среде. Так как в идеальной жидкости звуковая волна не поглощается, то причину поглощения следует искать в добавочных силах, возникающих в реальных жидкостях. Для того чтобы не учитывать расхождения волн, ограничимся изучением поглощения в плоских звуковых волнах.
|
1 |
Оглавление
|