 |
|
Основні характеристики звукових хвиль
Поняття хвилі – це одне з найбільших загальних понять фізики. Людина стикається з хвилями з незапам'ятних часів.
Сучасна фізика сповнена хвиль: хвилі землетрусів, які вивчаються сейсмологами; хвилювання і брижі в океанах, озерах і ставках; хвилі звуку, що поширюються у повітрі; хвилі механічних коливань в натягнутих струнах або в кристалах кварцу, що використовуються для стабілізації частоти радіопередавача; електромагнітні хвилі, які утворюють світ і які випромінюють радіопередавачі, а радіоприймачі приймають.
Найважливіші властивості хвиль ми можемо вивчити на простих, знайомих нам прикладах. Після цього можна буде сформулювати деякі загальні положення, які будуть справедливі для будь-яких хвиль, де б ми з ними не зустрілися.
Одна їх властивість відразу ж очевидна. Подібно будь-якому об’єкту, що рухається рухомі хвилі несуть енергію від однієї точки до іншої.
Електромагнітні хвилі світла і тепла, що приходять на Землю від Сонця, мають потужність близько одного кіловата на квадратний метр. Сонячні батареї можуть перетворити приблизно одну десяту падаючої на них сонячної енергії в електричну енергію, за допомогою сонячних батарей енергія сонячних променів живить супутники зв'язку та інші космічні апарати. На зеленіючих полях енергія електромагнітних хвиль Сонця перетворюється в хімічну енергію рослин. При спалюванні дерева або вугілля ми звільняємо цю енергію і користуємося нею. Телецентр випромінює електромагнітні хвилі, потужність яких становить десятки тисяч ват. Кожен з багатьох телевізорів вловлює дуже малу частку цієї енергії, що передається. Морські хвилі б'ються об берег з величезною силою; при штормі пересуваються камені вагою у тонни. Потужність же звукових хвиль людського голосу вельми незначна. У всіх цих випадках хвилі переносять енергію від однієї точки до іншої, хоча величина перенесеної енергії у всіх випадках різна.
Подібно речовині, що рухається, хвилі володіють імпульсом. При поглинанні або відображенні хвиль тілом вони штовхають його. Імпульс хвиль зазвичай не так помітний, як їх енергія.
Для поширення хвилі від однієї точки до іншої потрібен певний час. Це означає, що хвилі мають кінцеву швидкість. Світлові хвилі рухаються дуже швидко, зі швидкістю 300 000 кілометрів на секунду. Звукові хвилі, що приходять до нас через повітря, рухаються більш повільно - зі швидкістю близько 1240 кілометрів на годину, або 344 метра в секунду. У воді і в твердих тілах звук розповсюджується з більшою швидкістю.
Енергія, імпульс і швидкість – найважливіші характеристики хвиль. Ще одна, воістину дивовижна властивість, виявляється у багатьох видів хвиль, - це лінійність.
Якщо кинути в ставок два камінчики, то кола від них не впливають один на одного. Одна група хвиль без змін проходить через іншу. Картина хвиль, що взаємоперетинаються може здатися складною, але вони дійсно являють собою незалежні групи кіл,що розширюються. Коли двоє розмовляють між собою, то звукові хвилі їх голосів не відскакують одна від одної, одна проходить крізь іншу. Промені слабкого світла зірок не відчувають впливу яскравого сонячного сяйва, яке вони перетинають на шляху до нас в нічному небі.
Хвилі, які не впливають на проходження інших хвиль, називаються лінійними хвилями, бо сукупність таких хвиль являє собою просту суму цих хвиль, взятих незалежно. Якщо дві лінійні хвилі з гребенями висотою Н1 і Н2 сходяться, то найбільша висота буде просто Н1 + Н2 - Лінійне співвідношення. Лінійна хвиля заввишки 2Н - це те ж саме, що дві лінійні хвилі висотою Н кожна, існує в тому ж місці і в той же час. Швидкість лінійних хвиль не залежить від їх висоти або напруженості, бо хвиля великої амплітуди може розглядатися просто як сума хвиль малої амплітуди.
Строго лінійних хвиль мало. Багато хвиль (звукові, наприклад) настільки близькі до лінійних при звичайних їх інтенсивності, що ми отримаємо майже зовсім точний результат, оперуючи з ними так, ніби вони лінійні.