Волны и фаза

Влияние температуры

Частота и длина волны

Частота и длина волны тесно связаны друг с другом. Скорость звука в воздухе можно в первом приближении, достаточном для технических вычислений, считать постоянной величиной. Быстро колеблющийся объект (колебания верхних частот) создает звуко­вые волны короткой длины, а предмет, колеблющийся сравни­тельно медленно, создает волны большей длины (дело в том, что сто колебаний в секунду — достаточно медленное изменение, что­бы назвать такую частоту низкой).

Для эффективного излучения колебаний низких частот нужны объекты довольно больших размеров. Ток, резонатор рояля вполне подходит для этих целей, однако он неспособен выполнять свою задачу с такой же эффективностью, как большие трубы низкого регистра органа.

Температура среды влияет на скорость звука в ней: звуковые волны распространяются в воздухе быстрее по мере роста температуры. Струны скрипки можно настроить перед игрой, а вот настроить столб воздуха в большинстве духовых инструментов нельзя. По­этому если температура воздуха поднялась, а длина волны оста­лась прежней, излучаемая частота тоже возрастает. Флейта, например, изменяет свое звучание на полутон, когда температура воздуха увеличивается всего на 8 с. Оркестрантам несколько раз приходится подстраивать свои инструменты по тону, задаваемому гобоем: перед началом выступления, а затем, когда температура воздуха повысится и инструменты нагреются.

Скорость частицы определяет быстроту колебательных переме­щений отдельных частиц воздуха. Она пропорциональна величине воздушного давления: максимальное значение одной величины совпадает с максимумом другой.

Градиент давления — скорость, с которой изменяется давление вдоль направления движений волны в зависимости от удаления от источника. Там, где давление максимально, скорость его изме­нения равна нулю, а в тех точках волны, где избыточное (т. е. соб­ственно звуковое) давление равно нулю или давление воздуха равно нормальному атмосферному, скорость его изменения макси­мальна. Форма волны градиента давления похожа на волну давления, однако первая отстает от второй на четверть длины волны.

Соотношение волновых процессов: 1 — колебательное изменение давления в воздушной среде; 2 — смещение частиц воздуха; 3— градиент давления: 4 — скорость движения частиц воздуха. Обратите внимание на то, что: а) давление прямо пропорционально скорости дви­жения воздушных частиц; б) градиент давления пропорционален смещению частиц; в) колебательное изменение градиента давления отстает на четверть длины волны от изменения давления. Градиент давления на 90˚ отстает по фазе от давления.

Фаза — состояние, в котором находится колебательный процесс в каждый данный момент времени. Точки 5, 6 и 7 синфазны относительно друг друга.

Сложение (суперпозиция) звуковых волн. Звуковое давление в любой точке представляет собой алгебраическую сумму давлений от всех звуковых колебаний, проходящих через нее в любой произвольный момент времени.

Другими словами, давления, величины которых выше нормального атмосферного, складываются, а те, что ниже атмосферного — вычитаются. При этом направление движения волны никак не влияет на результат сложения. При сложении, например, простых синусоидальных волн А и Б получим сложную (несинусоидальную) волну В. В точке 8 колебания вычитаются: максимум давления для Б совпадаете максимумом разрежения (то есть минимальным давлением) для А. В точке 9 разрежения для А и для Б максимальны, поэтому они складываются и дают минимум давления.

Смещение частицы — максимальное расстояние, на которое частица воздуха отклоняется от положения равновесия. Смещение прямо пропорционально градиенту давления.

Принцип работы некоторых микрофонов раньше характеризо­вали иногда как «постоянство скорости», других микрофонов — как «постоянство амплитуды». Эта вводящая в заблуждение терми­нология означала лишь то, что выходное напряжение микрофона равняется определенной константе, умноженной соответственно на скорость движения мембраны или на амплитуду (т. е. смещение). Гораздо больше смысла в используемых сейчас терминах «прием­ник давления» и «приемник градиента давления», поскольку имен­но эти характеристики действия микрофона отражают важное различие, существующее между ними.

Дата добавления: 2015-06-25