Линейные характеристикиЗвуковое давление. Положим, что давление среды в отсутствие звуковых колебаний равно , это давление называют статическим. При прохождении звуковой волны давление в каждой точке среды будет непрерывно изменяться: в моменты сгущения частиц оно больше статического, а в моменты разрежения – меньше. Разность между мгновенным давлением и статическим в той же точке среды, т. е. переменная составляющая давления (часто звуковое давление называют избыточным давлением среды, такое название ассоциируется с положительным приращением давления), называется звуковым давлением . Звуковое давление – величина знакопеременная. Давление – сила, действующая на единицу площади, т. е. . Поэтому за единицу давления в системе СИ принимают ньютон на квадратный метр (паскаль) . В системах связи и вещания имеют дело с звуковыми давлениями, по амплитуде, не превышающими 100 Па, т. е., по крайней мере, в 1000 раз меньше, чем нормальное атмосферное давление. Скорость колебаний. Если давления неодинаковы в соседних точках среды, то ее частицы стремятся сместиться в сторону минимального давления. При знакопеременной разности давлений возникает колебательное движение частиц среды около своего статического положения. Скорость колебаний этих частиц , где – смещение частиц. Скорость колебаний обычно измеряют в метрах или сантиметрах в секунду. Не следует путать эту скорость со скоростью звука. Скорость звука – постоянная величина для данной среды и метеорологических условий, а скорость колебаний – переменная, причем если частица среды
Рисунок 1.2 – Вывод уравнения движения
Определим связь между звуковым давлением и скоростью колебаний. Возьмем элементарный объем, заключенный между фронтами волн, находящимися на расстоянии друг от друга, с боковыми поверхностями, расположенными вдоль звуковых лучей (рис. 1.2). Как видно из рисунка, среда в этом объеме находится под действием разности давлений и , следовательно, испытываемая ею сила , где – площадь, выделенная на поверхности фронта волны. С другой стороны, по второму закону Ньютона сила инерции , где – масса среды, заключенной в этом объеме; – средняя плотность среды. Так как в вещании и связи имеют дело с изменением плотности среды не более чем на 0,1%, в дальнейшем индекс у опускаем. Приравнивая обе силы, получаем . Так как и зависят как от координат, так и от времени, то, переходя к производным, имеем
. (1.5)
Это уравнение называется уравнением движения среды. Деформация идеальной (невязкой) газообразной среды, появляющаяся при распространении в ней звуковой волны, является адиабатической, так как звуковые процессы происходят быстро, без теплообмена. Поэтому эти процессы подчиняются закону Бойля-Мариотта с поправкой Пуассона. Рисунок 1.3 – Вывод уравнения непрерывности
, где – показатель адиабаты для воздуха . Выделяем элементарный объём (рис. 1.3) как и в предыдущем случаи. В статистическом состоянии в нем находится определенное количество частиц среды. При звуковых колебаниях занимаемый ими объём непрерывно изменяется. Положим, что в некоторый момент частицы среды слева будут смещены на величину , а справа – на величину , тогда, при условии непрерывности среды этот объем Разделим обе части выражения на и в правой части заменим на . При пренебрежении членами второго порядка малости получим . Заметим, что последний член в этом выражении обусловлен расхождением (дивергенцией) франта волны. При звуковых колебаниях полное давление газообразной среды , где – статическое давление; – звуковое давление. Следовательно, . Подставив и в уравнение за кона Пуассона, получим . Как указывалось ранее , поэтому или Переходя к производным, находим
. (1.6)
Это уравнение называют уравнением состояния среды. Если это уравнение продифференцировать дважды по и переставить порядок дифференцирования, то получим . Подставляя в него производную из уравнения движения (1.5), получим уравнение для звукового давления . Заменяя в нем
, (1.7) получим
. (1.8)
Это уравнение называют волновым уравнением Вебстера. Общее волновое уравнение имеет вид
. (1.9)
Если в первую составляющую решения вместо подставить , то для неизменности аргумента следует вместо подставить . Следовательно, первая составляющая представляет собой волну, распространяющуюся в сторону положительных значений , вторая – в обратном направлении. Из тех же данных следует, что – скорость распространения волны, так как . Таким образом, скорость звука , т. е. определяется статическим давлением среды и ее плотностью [2]. Акустическое сопротивление. Разность давлений является причиной движения частиц среды, а разность потенциалов – причиной движения электрических зарядов. Скорость колебаний частиц среды аналогична скорости движения зарядов – силе тока. Аналогично электрическому сопротивлению введено понятие волнового акустического сопротивления. Удельным волновым акустическим сопротивлением называют отношение звукового давления к скорости колебаний. Удельным оно называется потому, что представляет собой сопротивление для единицы площади фронта волны. Для краткости его часто называют акустическим сопротивлением
. (1.10)
Акустическое сопротивление определяется прежде всего свойствами среды. В ряде случаев оно зависит от частоты колебаний и от формы фронта волны. В общем виде оно комплексное:
, (1.11)
где и – активная и реактивная составляющие акустического сопротивления. Наличие реактивной составляющей свидетельствует о том, что между звуковым давлением и скоростью колебаний есть сдвиг фаз. Этот сдвиг определяется из соотношения
. (1.12)
|