Распространение звука подчиняется основным
законом общим для акустических волн любого диапазона, называемых
обычно звуковыми волнами. К основным законам распространения относятся
законы отражения и преломления звука на границах различных сред, а также
дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и
неоднородностей в среде и неровностей на границах раздела сред. На
распространение звука оказывает влияние поглощение звука, то есть не
обратимого перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии, в
частности в тепло. Все перечисленные факторы влияют на дальность
распространения звука Важным фактором является также направленность из
лучения и скорость распространения звука, которая за висит от среды и ее
специфического состояния.
Известно, что световые лучи образуют тени непрозрачных предметов,
находящихся на их пути, звуки же не образуют таких теней, когда размеры
препятствий не очень велики. Звуковые волны как бы обходят препятствия.
Поэтому на концерте мы хорошо слышим все безисключения, инструменты,
несмотря на то что многие из них мы не видим, так как они закрыты
другими музы кантами.
Чем же объяснить, что звуку и свету, имеющим вол новую природу, присущи
такие, казалось бы, прямо противоположные свойства?
Характер распространения звуковых волн у препятствия существенно зависит
от соотношения между раз мерами препятствия и длиной волны. Если размеры
препятствия малы по сравнению с длиной волны или соизмеримы с ней, то
волны обтекают это препятствие, не давая тени. Следовательно, волны,
пройдя через отверстие, размеры которого малы по сравнению с длиной
волны, распространяются или как бы растекаются во все стороны. Если же
препятствие велико по сравнению длиной волны, то растекание не
происходит и за препятствием образуется тень. Слышимые звуки имеют дли
ну волны в пределах нескольких десятков сантиметров (один-два метра).
Поэтому окружающие нас предметы, размеры которых не превышают
одного-двух метров, не являются препятствием для звуковых волн, так как
он их обтекают, не создавая звуковой тени. Длина же световых волн
измеряется десятитысячными долями миллиметра, потому-то за всеми
предметами макромир образуются тени.
Как уже упоминалось, звуковые волны могут распространяться в воздухе,
газах, жидкостях и тверды телах. В безвоздушном пространстве звуковые
волны не возникают и соответственно не распространяются.
Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице
зависит от среды. Леонардо да Винчи еще в XV веке писал: "Если ты,
будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее
приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень удаленных от тебя".
Кстати говоря, о том, что звук в различной среде распространяется с
различной скоростью, было известно людям с давних пор. Охотники,
пастухи, воины, приложившись ухом к земле, получали, как бы мы сказали
сейчас, информацию о движении копытных животных или конницы.
Первые измерения скорости распространения звука в воздухе были проведены
в XVII веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили
пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. В момент выстрела
на наблюдательном пункте по вспышке засекли время. Когда услышали звук,
тоже засекли время. Зная расстояние между наблюдательным пунктом и
пушкой и время прохождения сигнала, легко вычислили скорость
распространения звука. Она оказалась равной 330 метрам в секунду.
Скорость распространения звука в воде впервые была измерена в 1827 году
на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13
847 метров. На первой лодке под днищем подвесили колокол, а со второй
опустили в воду простейший гидрофон-приемник. На первой лодке
одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в
момент вспышки запустил секундомер и стал ждать прихода звукового
сигнала. Выяснилось, что в воде звук распространяется в четыре с лишним
раза быстрее, чем в воздухе, то есть со скоростью 1450 метров в секунду.
Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке -50, в воздухе
- 340, в воде - 1500, а в стали 5800 метров в секунду (цифры
приблизительные), если бы мы, находясь в Москве, могли крикнуть так
громко, чтобы звук долетел до Ленинграда, то нас услыхали бы там только
через полчаса, а если бы звук на же расстояние распространялся в стали,
то он был бы принят через две минуты. Этот пример из числа гипотических.
А вот вполне реальный. Человек, сидящий в концертном зале Московской
консерватории в послед нем ряду, слышит звуки музыки на 0,02-0,03 секунд
позже, чем житель Дальнего Востока, слушающий это же концерт дома у
радиоприемника. И все потому, что скорость распространения радиоволн в
эфире равна 3" тысячам километров в секунду.
На скорость распространения звука оказывают влияние состояния одной и
той же среды. Когда мы говорим что в воде звук распространяется со
скоростью 1500 метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой
воде| и при любых условиях. С повышением температуры и солености, а
также с увеличением глубины, а следовательно, и гидростатического
давления скорость звук возрастает. Или возьмем сталь. Здесь тоже
скорость звука зависит как от температуры, так и от качественного
состава стали: чем больше в ней углерода, то ест чем она тверже, тем и
быстрее распространяется в не"" звуковая волна.
Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего
первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления
может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой
среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде
больше, чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения, и
наоборот.
Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по
строго определенному правилу - угол отражения равен углу падения. Если
акустические сопротивления двух сред значительно отличаются друг от
друга, большая часть энергии падающей волны переходит в энергию
отраженной волны, а меньшая часть энергии проникает через поверхность
раздела. Чем больше разница акустических сопротивлений двух сред, тем
больше разница энергий отраженной и преломленной волн. Так, например,
акустическое сопротивлений воды почти в пять тысяч раз больше
акустического со противления воздуха, поэтому звук практически из воды в
воздух, и наоборот, не проникает, а только отражается в виде эха. Кому
приходилось нырять в воду, то хорошо знает, что под водой почти не
слышно разноголосого шума, царящего на пляже, но зато хорошо
прослушиваются звуки от источников, находящихся в воде!
Когда звук отражается от нескольких поверхностей находящихся на разных
расстояниях, возникает много кратное эхо. Причем если время между
отдельными отражениями меньше десятой доли секунды, вместо отдельных эхо
появится непрерывное длительное звучание, называемое реверберацией.
Явление реверберации возможно даже в среде, которая на первый взгляд
представляется однородной, - скажем, в море, где на пузырьках воздуха,
твердых частицах, ряби на поверхности и т. д. может происходить
рассеяние акустических волн.
При распространении звуковых волн может возникать явление интерференции
(сложение) звука. Оно возникает, если в упругой среде имеются два или
несколько источников акустических волн, излучающих колебания одинаковой
частоты или колебания, частоты которых относятся как целые числа. При
интерференции звука происходит усиление или ослабление колебаний. Если в
некоторую точку среды придут два колебания одинаковой частоты, амплитуды
и фазы, то отклонения частиц среды в этой точке от положения равновесия
увеличатся в два раза. Если же в некоторую точку придут два колебания
одинаковой частоты, но противоположные по фазе, то колебания взаимно
уничтожатся и отклонения частиц среды в этой точке от положения
равновесия не будет совсем. И наконец, если в некоторую точку среды
придут два колебания одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на
произвольную величину, то частицы среды будут отклоняться от положения
равновесия на некоторую результирующую величину.
Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая
заполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные
источником звука, передаются все большей массе среды. С увеличением
расстояния колебания частиц среды ослабевают. Для сферической волны
энергия излучения расходуется на приведение в колебательное движение
частиц среды, расположенных на сферической поверхности. Чем дальше волна
уходит от источника, то есть чем шире становится среда, тем больше
частиц среды вступает во взаимодействие и тем меньше энергии приходится
на их долю - волна затухает. Амплитуда колебаний частиц среды
уменьшается и соответственно уменьшается звуковое давление. Сферическая
волновая поверхность увеличивается Пропорционально квадрату радиуса,
следовательно, интенсивность сферической волны убывает обратно
пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, основной причиной
уменьшения интенсивности, и звукового давления является расширение
фронта волны.
Как же избежать затухания волны и увеличить дальность передачи звукового
сигнала? Для этого необходи-1 мо звук сконцентрировать в заданном
направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы
прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук
будет ослабляться меньше, а звуковые волны распространяться дальше.
Ослабление звука связано и с тем, что звуковая волна постепенно теряет
энергию из-за поглощения ее средой. Степень поглощения опять-таки
определяется свойствами среды. В более вязкой среде - в вате, каучуке и
т. д.- поглощение наибольшее. Однако оно во многом зависит и от частоты
звука. Чем выше частота, тем поглощение больше. Звук частотой 10 000
герц поглощается в 100 раз сильнее, чем звук частотой 1000 герц.
Пояснить это можно следующим примером. Орудийный выстрел вблизи кажется
нам оглушающие резким, издали - более мягким, глухим. Дело в том, что
звук, от выстрела пушки содержит в себе как низкие, так и высокие
частоты, а звуки высоких частот поглощаются в воздухе сильнее, чем звуки
низких частот. Находясь далеко от стреляющей пушки, мы слышим звуки
более низких частот, а звуки высоких не доходят до нас. Еще более
наглядный пример, подтверждающий это явление, звучание удаляющегося
оркестра. Сначала пропадаю высокие звуки флейт и кларнетов, затем
средние - корнетов и альтов, и, наконец, когда оркестр будет уже сов'
сем далеко, слышен только большой барабан.
Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция,
то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше
искривляете звуковой луч и соответственно тем меньше дальность
распространения звука. Звуковые поля, создаваемые ди фракцией исходной
волны на препятствиях, помещенные в среду, на неоднородностях самой
среды, а также на не ровностях и неоднородностях границ среды,
называются рассеянными полями. И наоборот, рассеяние звука - это
возникновение дополнительных звуковых полей в результате дифракции звука
на препятствиях, находящихся в среде, на неоднородностях среды, а также
на неровны и неоднородных границах среды. Следовательно, дифракция звука
и рассеяние звука - явления взаимосвязанные.
Поскольку вода является упругой средой, звуки в ней распространяются
довольно хорошо. В зависимости от мощности источника звука дальность
распространения звука в море равна десяткам или сотням километров. Но
бывают случаи, когда звук распространяется на расстояние до нескольких
тысяч километров по так называемому подводному звуковому каналу, который
возникает чаще всего в океане. Это область глубин, где скорость звука
вначале уменьшается, а достигнув минимума, начинает возрастать.
Физически это обусловливается большой зависимостью скорости
распространения звука в морской воде от ее температуры, солености и
гидростатического давления.
С глубиной скорость звука уменьшается, но лишь до тех пор, пока
понижается температура воды. Достигнув определенного уровня, скорость
начинает возрастать из-за повышения гидростатического давления. Верхние
и нижние границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями
звука. Слой воды, в котором скорость минимальна, является центральной
зоной звукового канала, то есть его осью. Сверхдальнее прохождение звука
в канале объясняется тем, что звуковые лучи почти полностью отражаются
от верхней и нижней границ звукового канала, не выходят за его пределы,
а концентрируются и распространяются вдоль оси звукового канала. "Чтобы
лучше понять это,- говорит академик Л. М. Бреховских,- вспомните, как
ведет себя уставший путник. Он предпочитает держаться теневой, более
прохладной стороны, нести на своих плечах как можно меньше груза и
двигаться с минимальной скоростью. Ведь только при этом он сможет пройти
максимальное расстояние. Звуковой луч в морской воде подобен этому
путнику. Выйдя из источника, он уходит вверх от оси звукового канала.
Чем выше, тем теплее, и луч заворачивает вниз, "в холодок", и
углубляется до тех пор, пока не начинает "ощущать" тяжесть повышающегося
гидростатического Давления".
Концентрируясь в канале, звуковые волны способны распространяться на
сверхдальние расстояния с очень незначительным затуханием. Свойство
сверхдальнего Распространения звука в море находит практическое
применение на флоте и в авиации. Американские ученые проделали в
Атлантическом океане эксперимент, подтверждающий влияние среды на
дальность распространения звука. На глубине 500 метров были взорваны
заряды тринитротолуола массой полтора килограмма каждый. Спустя
некоторое время взрыв был зафиксирован на удалении от места эксперимента
4500 километров. Такой взрыв в воздухе слышен всего на расстоянии
четырех километров, а в лесу - не более 20СГ метров. Рекорд
распространения звука был зафиксирован американскими специалистами,
когда взрыв примерно 20 килограммов тротила, произведенный у Бермудских
островов, был прослушан у берегов Австралии. А это ни много ни мало - 22
тысячи километров.
Сверхдальнее распространение звука в подводном звуковом канале
американские специалисты использовали для создания спасательной системы
"Софар". С кораблей и самолетов, терпящих бедствие, сбрасывают не
большие бомбочки массой от 0,5 до 2,5 килограмма, которые взрываются на
глубине залегания оси звукового канала. Береговые гидроакустические
посты принимают звуковой сигнал и с высокой точностью определяют место
взрыва, а следовательно, и место катастрофы.
Всю самую
необходимую информацию по ЕГЭ 2016 вы найдёте здесь
hellper.ru. Только самые свежие демки, а также много полезной и
нужной информации для подготовки к ЕГЭ!
В зарубежной (американской) печати как-то сообщалось, что при проведении
исследований в области подводной связи были обнаружены волны,
распространяющиеся без затухания. Их назвали гидроническими. На
распространение этих волн не оказывают никакого влияния концентрация
соли в воде, температурные колебания и давление. Приводились в этих
сообщениях такие интересные подробности и детали. Скумбрия, весящая
менее килограмма, имеющая ничтожно малую мощность своего излучения,
может передать сигнал на сотни мет-1 ров. Причем этот сигнал способен
распространяться и в воздухе. Сигналы от передатчика мощностью 0,1
ватта, находившегося на глубине 28 метров, принимались уже в воздухе на
специальную антенну. Под водой "гидроническая связь" поддерживалась
водолазами на расстоянии до 50 километров.
По утверждению авторов публикаций о гидронических волнах, эти волны
распространяются со скоростью, близкой к скорости света, то есть в сотни
и тысячи раз быстрее, нежели ультразвуковые.
Что это - реальность или же еще одна сенсация вроде пресловутых НЛО?
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.