1.2.1 Основные понятия

Звук — это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах — газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Область физики, рассматривающая вопросы возникновения, распространения приема и обработки звуковых волн, называется акустикой. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука — лишь одна сторона акустики.

Акустика – одна из самых древних областей знания. Она возникла за несколько веков до н. э. как учение о звуке, т. е. об упругих волнах, воспринимаемых человеческим ухом (отсюда и происхождение названия). Начало становления акустики как физ. науки (XVII в.) связано с исследованиями системы, музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), с измерениями скорости распространения звука. До начала ХХ в. акустика развивалась как раздел механики. Создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие (метод Фурье) заложило основы анализа звука н синтеза сложного звука из простых составляющих. Весь этот классич. этап развития акустики подытожен к нач. 20 в. Рэлеем (Дж. У. Стретт, J. W. Strutt).

Новый этап развития акустики начался в 20-е гг. ХХ в. в связи с развитием радиотехники и радиовещания, которые вызвали необходимость разработки методов и средств преобразования электрической энергии в акустическую, и обратно.

Рассмотрим длинную трубу, наполненную воздухом. С левого конца в нее вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень (рис. 1). Если поршень резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется (рис. 1,а). Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к нему справа, и область сжатия, первоначально возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью (рис. 1,б). Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе.

Рисунок 1. Возникновение звуковой волны в трубе

Звуковая волна в газе характеризуется избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью. Для звуковых волн эти отклонения от равновесных значений всегда малы. Так, избыточное давление, связанное с волной, намного меньше статического давления газа. В противном случае мы имеем дело с другим явлением — ударной волной. В звуковой волне, соответствующей обычной речи, избыточное давление составляет лишь около одной миллионной атмосферного давления.

Важно то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной. Волна представляет собой лишь проходящее по воздуху временное возмущение, по прохождении которого воздух возвращается в равновесное состояние. Волновое движение, конечно, не является характерным только для звука: в форме волн распространяются свет и радиосигналы, и каждому знакомы волны на поверхности воды. Все типы волн математически описываются так называемым волновым уравнением.

Волна в трубе на рис. 1 называется звуковым импульсом. Очень важный тип волны возбуждается, когда поршень колеблется туда-сюда подобно грузу, подвешенному на пружине. Такие колебания называются простыми гармоническими или синусоидальными, а возбуждаемая в этом случае волна — гармонической.Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.