Акустика

Акустика, учение о звуковых явлениях. Звуковые явления представляют собою колебания, распространяющиеся волнами в упругой среде и воспринимаемые ухом. Звуковые волны в жидкой и газообразной среде м. б. только продольными, а в твердой—продольными и поперечными. Скорость распространения звуковых колебаний в различных средах различна:

в воздухе	при	0°.	V=331,5*	м!сп
» водороде	»	О³.,	1 280	»
» воде	»	8 1.	1435**	>>
» морской воде	»	15’.	1 493	»

* Млодзеевский, 1913 г.

*·* Колладон и Штурм, 1826 г. в дереве..V=3 000—4 000 м/ск

» пробке.. 480 »

» стали.. 5100 »

» стекле.. 5600 »

Скорость звука в газе определяется теоре тически по формуле Лапласа V =у^/Г-у-7. где р — упругость газа, δ— его плотность,

а 7=--отношение теплоемкостей газа.

Она резко меняется с f°. Так, в воздухе при

— 40° .. V - 305,37 м/ск.

— 20° .. 318,24 »

0° .. 331,5 »

+ 15° .. 3 39,3* »

+ 40° .. 354,04 »

+ 100° .. 386,5** »

В сухом газе изменение скорости звука с t° не зависит от его упругости и выражается ф-лой V=F₀(l + αί)¹/“, где F₀— скорость при 0° и «— коэфф. расширения газа. Для очень сильных звуков () скорость распространения звуковых волн зависит и от силы звука. Так, при е была найдена скорость 13 000 м/ск (Бекер, 1923 г.). На границе двух сред звуковые волны частью отражаются, частью преломляются; количество отраженной звуковой энергии тем больше, чем резче разница в акустической «жесткости» граничащих сред. «Жесткость» среды характеризуется произведением Fd; для воды онα= 140 000, а для воздуха 40; поэтому поверхность воды хорошо отражает звук, и, следовательно, звук из воздуха в воду (и обратно) почти не проникает. При нек-рых углах падений звуковые волны могут претерпеть полное внутреннее отражение, что может повлечь за собой образование зоны молчания. Встретив препятствия, звуковые волны у края его загибаются в сторону препятствия тем больше, чем больше длина звуковой волны, определяемой равенством λ=FT, где Т — период колебания. Это явление (диффракция звука) значительно уменьшает область звуковой тени. Звуковые волны способны интерферировать. Если интерферируют две встречные волны одного периода и равной амплитуды, то образуются стоячие волны, которые дают место узлам и пучностям. В узлах среда неподвижна, но давление сильно меняется (исчезновение звука); в пучностях среда совершает колебания удвоенной амплитуды, но давление остается неизменным. Стоячими волнами пользуются как методом для определения длины волны (пыльные фигуры Кундта), а следовательно, и скорости звука. Количество звуковой энергии, протекающей в 1 ск. через 1 см² поверхности, перпендикулярной к направлению потока, характеризует силу звука в данном месте среды;

оно равно у У δα² (где а — амплитуда ко-

лебания) или, где Р — амплитуда давления. Если звуковые волны расходятся от звучащего тела по всем направлениям, то энергия изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния (при отсутствии поглощения звука средой). Высота тона звука характеризуется числом колебаний,

* Бургиньон, 1913 г.

** Стевенс, 1902 г. совершаемых в 1 ск. (частота). Нормальное ухо способно воспринять лишь тоны, частоты которых заключаются в пределах от 16 до 20 000; оно наиболее чувствительно к частотам 1 500—3 000. Ниже 16 и выше 20 000 лежат так называемым «неслышимые звуки». Чаще всего звук состоит из сочетания различных по высоте и по силе тонов; эти добавочные тоны, или обертоны (верхние гармоники), происходят вследствие колебаний отдельных частей, на которые как бы распадается звучащее тело. Обертоны придают звуку особый оттенок, называемый т е м б р о м.Частоты обертонов кратны частоте основного тона и находятся с ней в соотношении 1:2:3:4:5. Произвести анализ сложного звука, то есть определить его состав, можно, либо пользуясь воздушными резонаторами, из которых каждый усиливает лишь один определенный тон, либо фотографируя кривую соответствующего колебательного движения и подвергая ее гармоническому анализу (смотрите).

В технике воспроизведения звуков и передачи их на расстояние в качестве звучащего тела почти во всех приборах применяется круглая упругая пластинка, мембрана, закрепленная по краям. К таким приборам относятся граммофон, фонограф, микрофон и телефон.

Т. к. мембрана имеет собственные периоды колебаний, то она яснее всего передает звуки, соответствующие этим периодам, почему искажается характер передаваемого звука. Для устранения этого недостатка в настоящее время применяют мембраны с очень коротким собственным периодом и с большим затуханием. Кпд этих приборов вообще невысок; в лучших телефонах он достигает 10%. Т. к. звук под водой слышен очень далеко (до 150 км), то в последнее время стали во время туманов подавать звуковые сигналы под водой. Сильный звуковой передатчик питается под водой переменным током, подаваемым с берега по кабелю (подводный звуковой маяк, фигура 1). Кпд такого прибора достигает 50%. На судах, по бортам, в подводной ча-Фигура 2. сти, для приема этих сигналов устанавливаются гидрофоны (фигура 2), представляющие некоторое изменение микрофонов; они соединены с телефонами, приложенными к ушам наблюдателя. Такое приспособление позволяет узнать с достаточной точностью направление, откуда идет звук.

Этот же способ позволяет обнаружить приближение мины или подводной лодки. В военной технике стали употреблять звуковые приборы для определения положения орудий, для подслушивания приближения аэропланов и определения направления их полета. Эти приборы представляют рупоры, соединенные с наблюдателем и установленные друг от друга на значительном расстоянии. Для определения глубины моря (профиля дна) и высоты полета аэроплана пользуются явлением отражения звуков (эхо) от морского дна и от земной поверхности, причем в этих случаях употребляют «неслышимые звуки» большой частоты (от 20 000 до 200 000 колебаний в ск.). Излучателем и приемником служат кристаллы (пьезоэлектрические) кварца (смотрите Ультразвуковые колебания).

В строительной технике под акустикой разумеют акустические условия закрытого помещения. Для получения наилучших условий распределения звуков в помещении необходимо устранить излишнюю реверберацию, то есть чрезмерную длительность звука вследствие многократного отражения от стен, и избежать собирания звуковых волн в отдельных местах. Если звук исчезает очень быстро после своего появления,—помещение кажется глухим; если звук длится очень долго после своего прекращения,—помещение кажется гулким, и отдельные звуки становятся неясными. Наивыгоднейшее время реверберации лежит от 1 ск. для малых зал и до2—Зек. для больших. Необходимо, следовательно, подбирать материал стен и их форму т. о., чтобы звуковые волны по возможности рассеивались равномерно. Для исследования акустических условий строящегося помещения изготовляют модель в горизонтальном и вертикальном разрезе и помещают в ванну со стеклянным дном, через к-рое освещают внутренность сильным источником света. В месте, где предполагается источник звука, производят сильный толчок на поверхности воды и наблюдают отражение волны от стен. Этим обнаруживаются недостатки помещения в акустическом отношении.

Лит.: Тиндаль А., Звук, ГИЗ, 1922;×в о л ь~ сон О. Д., Курс физики, т. 2, ГИЗ, Берлин, 1923; А г а н и н, Атмосферная акустика, 1915; Брег, Мир звуков, М., 1926; Лившиц С. Я., Курс архитектурной акустики, Москва, 1927; Ray 1 e i g h, Theory ol Sound, 1894. И. Эльцин.