Garso sklidimas ir girdimumas vandenyje. Garso greitis vandenyje Garso sklidimas vandenyje

Žinome, kad garsas sklinda oru. Štai kodėl mes galime išgirsti. Vakuume negali egzistuoti jokie garsai. Bet jei garsas sklinda per orą, dėl jo dalelių sąveikos, ar jo neperduos ir kitos medžiagos? valio.

Garso sklidimas ir greitis įvairiose laikmenose

Garsas neperduodamas tik oru. Turbūt visi žino, kad prikišusi ausį prie sienos girdisi pokalbiai gretimame kambaryje. Šiuo atveju garsas perduodamas siena. Garsai keliauja vandenyje ir kitose laikmenose. Be to, skirtingose ​​aplinkose garso sklidimas vyksta skirtingai. Garso greitis skiriasi priklausomai nuo medžiagos.

Įdomu tai, kad garso greitis vandenyje yra beveik keturis kartus didesnis nei ore. Tai reiškia, kad žuvys girdi „greičiau“ nei mes. Metaluose ir stikle garsas sklinda dar greičiau. Taip yra todėl, kad garsas yra terpės vibracija, o garso bangos greičiau sklinda geriau laidžioje terpėje.

Vandens tankis ir laidumas yra didesnis nei oro, bet mažesnis nei metalo. Atitinkamai, garsas perduodamas skirtingai. Pereinant iš vienos terpės į kitą, keičiasi garso greitis.

Garso bangos ilgis taip pat keičiasi jai pereinant iš vienos terpės į kitą. Tik jo dažnis išlieka toks pat. Bet kaip tik todėl galime atskirti, kas kalba, net per sienas.

Kadangi garsas yra vibracija, visi vibracijų ir bangų dėsniai ir formulės yra gerai pritaikomos garso virpesiams. Skaičiuojant garso greitį ore, reikia atsižvelgti ir į tai, kad šis greitis priklauso nuo oro temperatūros. Kylant temperatūrai, didėja garso sklidimo greitis. Normaliomis sąlygomis garso greitis ore yra 340 344 m/s.

Garso bangos

Garso bangos, kaip žinoma iš fizikos, sklinda tampriose terpėse. Štai kodėl garsus gerai perduoda žemė. Pridėjus ausį prie žemės, iš tolo girdisi žingsnių garsai, kanopos kanopos ir pan.

Vaikystėje turbūt visiems buvo smagu prikišti ausį prie bėgių. Traukinio ratų garsas bėgiais perduodamas kelis kilometrus. Atvirkštiniam garso sugerties efektui sukurti naudojamos minkštos ir porėtos medžiagos.

Pavyzdžiui, siekiant apsaugoti patalpą nuo pašalinių garsų arba, atvirkščiai, kad garsai iš patalpos nepatektų į lauką, patalpa apdorojama ir izoliuojama nuo garso. Sienos, grindys ir lubos padengtos specialiomis medžiagomis putų polimerų pagrindu. Tokiuose apmušaluose visi garsai labai greitai išnyksta.

Hidroakustika (iš graikų kalbos Hydor- vanduo, akustika- klausos) - mokslas apie reiškinius, vykstančius vandens aplinkoje ir susijusius su akustinių bangų sklidimu, sklidimu ir priėmimu. Tai apima hidroakustinių prietaisų, skirtų naudoti vandens aplinkoje, kūrimo ir kūrimo klausimus.

Vystymosi istorija

Hidroakustika yra sparčiai besivystantis mokslas, kuris neabejotinai turi didelę ateitį. Prieš jo atsiradimą buvo nueitas ilgas teorinės ir taikomosios akustikos vystymosi kelias. Pirmąją informaciją apie žmogaus susidomėjimą garso sklidimu vandenyje randame garsaus Renesanso mokslininko Leonardo da Vinci užrašuose:

Pirmuosius atstumo matavimus per garsą atliko rusų tyrinėtojas akademikas Ya. D. Zacharovas. 1804 m. birželio 30 d. jis moksliniais tikslais skrido oro balionu ir šiame skrydžio metu naudojo garso atspindį nuo žemės paviršiaus skrydžio aukščiui nustatyti. Būdamas kamuolio krepšyje jis garsiai šaukė į žemyn nukreiptą garsiakalbį. Po 10 sekundžių pasigirdo aiškiai girdimas aidas. Iš to Zacharovas padarė išvadą, kad rutulio aukštis virš žemės buvo maždaug 5 x 334 = 1670 m. Šis metodas buvo radijo ir sonaro pagrindas.

Kartu su teorinių klausimų plėtra Rusijoje buvo atliekami praktiniai garso sklidimo jūroje reiškinių tyrimai. Admirolas S. O. Makarovas 1881–1882 m pasiūlė naudoti prietaisą, vadinamą fluktometru, perduodantį informaciją apie srovių greitį po vandeniu. Taip buvo pradėta kurti nauja mokslo ir technologijų šaka – hidroakustinė telemetrija.

Baltijos gamyklos 1907 m. modelio hidrofoninės stoties schema: 1 - vandens siurblys; 2 - vamzdynas; 3 - slėgio reguliatorius; 4 - elektromagnetinis hidraulinis vožtuvas (telegrafo vožtuvas); 5 - telegrafo raktas; 6 - hidraulinės membranos emiteris; 7 - laivo bortas; 8 - vandens bakas; 9 - sandarus mikrofonas

1890-aisiais. Baltijos laivų statykloje kapitono 2-ojo laipsnio M.N.Beklemiševo iniciatyva pradėti hidroakustinių ryšių prietaisų kūrimo darbai. Pirmieji hidroakustinio skleidėjo, skirto povandeniniam ryšiui, bandymai buvo atlikti XIX amžiaus pabaigoje. Sankt Peterburgo Galernaya uosto eksperimentiniame baseine. Jo skleidžiamos vibracijos buvo aiškiai girdimos už 7 mylių ant plūduriuojančio Nevskio švyturio. Dėl tyrimų 1905 m. sukūrė pirmąjį hidroakustinį ryšio įrenginį, kuriame perdavimo įrenginio vaidmenį atliko speciali povandeninė sirena, valdoma telegrafo klavišu, o signalo imtuvas buvo anglinis mikrofonas, pritvirtintas iš vidaus prie laivo korpuso. Signalai buvo įrašyti Morzės aparatu ir ausimi. Vėliau sirena buvo pakeista membraninio tipo skleidėju. Įrenginio, vadinamo hidrofonine stotimi, efektyvumas gerokai padidėjo. Naujosios stoties bandymai jūroje įvyko 1908 m. kovą. prie Juodosios jūros, kur patikimo signalo priėmimo diapazonas viršijo 10 km.

Pirmosios serijinės garso ir povandeninio ryšio stotys, suprojektuotos Baltijos laivų gamyklos 1909-1910 m. įrengti povandeniniuose laivuose "Karpis", "Gudžonas", "Sterletas", « Skumbrė"Ir" Ešeriai“. Įrengiant stotis povandeniniuose laivuose, siekiant sumažinti trukdžius, imtuvas buvo patalpintas specialiame gaubte, velkamas už laivagalio ant kabelio lyno. Britai tokį sprendimą priėmė tik Pirmojo pasaulinio karo metais. Tada ši idėja buvo pamiršta ir tik šeštojo dešimtmečio pabaigoje vėl pradėta naudoti įvairiose šalyse kuriant triukšmui atsparias sonarų laivų stotis.

Hidroakustikos plėtros postūmis buvo Pirmasis pasaulinis karas. Karo metu Antantės šalys patyrė didelių nuostolių savo prekybiniuose ir kariniuose laivynuose dėl vokiečių povandeninių laivų veiksmų. Reikėjo ieškoti priemonių su jais kovoti. Netrukus jie buvo rasti. Povandeninis laivas, esantis povandeninėje padėtyje, gali būti girdimas pagal sraigtų ir veikimo mechanizmų keliamą triukšmą. Triukšmingus objektus aptinkantis ir jų vietą nustatantis prietaisas buvo vadinamas triukšmo krypties ieškikliu. Prancūzų fizikas P. Langevinas 1915 metais pasiūlė naudoti jautrų imtuvą iš Rošelio druskos pirmajai triukšmo krypties nustatymo stočiai.

Hidroakustikos pagrindai

Akustinių bangų sklidimo vandenyje ypatybės

Aido įvykio komponentai.

Išsamūs ir fundamentalūs akustinių bangų sklidimo vandenyje tyrimai pradėti Antrojo pasaulinio karo metais, kuriuos padiktavo būtinybė spręsti praktines karinių jūrų pajėgų ir pirmiausia povandeninių laivų problemas. Eksperimentinis ir teorinis darbas buvo tęsiamas pokario metais ir apibendrintas daugelyje monografijų. Šių darbų metu buvo nustatyti ir išaiškinti kai kurie akustinių bangų sklidimo vandenyje ypatumai: sugertis, slopinimas, atspindys ir lūžis.

Akustinių bangų energijos absorbciją jūros vandenyje sukelia du procesai: vidinė terpės trintis ir joje ištirpusių druskų disociacija. Pirmasis procesas akustinės bangos energiją paverčia šiluma, o antrasis, virsdamas chemine energija, pašalina molekules iš pusiausvyros būsenos, kurios suyra į jonus. Šio tipo sugertis smarkiai padidėja didėjant akustinės vibracijos dažniui. Vandenyje esančios suspenduotos dalelės, mikroorganizmai ir temperatūros anomalijos taip pat lemia vandens akustinės bangos susilpnėjimą. Paprastai šie nuostoliai yra nedideli ir įskaičiuojami į bendrą absorbciją, tačiau kartais, pavyzdžiui, išsibarsčius iš laivo, šie nuostoliai gali siekti iki 90%. Temperatūros anomalijų buvimas lemia tai, kad akustinė banga patenka į akustinio šešėlio zonas, kur ji gali patirti daugybę atspindžių.

Dėl sąsajų tarp vandens - oro ir vandens - dugno atsispindi akustinė banga, o jei pirmuoju atveju akustinė banga visiškai atsispindi, tada antruoju atveju atspindžio koeficientas priklauso nuo dugno medžiagos: purvinas dugnas blogai atspindi, smėlėtas ir akmenuotas – gerai. Mažame gylyje dėl daugkartinių akustinės bangos atspindžių tarp dugno ir paviršiaus atsiranda povandeninis garso kanalas, kuriame akustinė banga gali sklisti dideliais atstumais. Garso greičio keitimas skirtinguose gyliuose sukelia garso "spindulių" lenkimą - lūžį.

Garso refrakcija (garso pluošto kelio kreivumas)

Garso lūžis vandenyje: a - vasarą; b - žiemą; kairėje yra greičio pokytis su gyliu. Garso sklidimo greitis kinta priklausomai nuo gylio, o pokyčiai priklauso nuo metų ir paros laiko, rezervuaro gylio ir daugelio kitų priežasčių. Garso spinduliai, kylantys iš šaltinio tam tikru kampu į horizontą, yra lenkiami, o lenkimo kryptis priklauso nuo garso greičių pasiskirstymo terpėje: vasarą, kai viršutiniai sluoksniai yra šiltesni už apatinius, spinduliai lenkiasi žemyn. ir dažniausiai atsispindi iš apačios, prarasdami didelę savo energijos dalį. žiemą, kai apatiniai vandens sluoksniai palaiko savo temperatūrą, o viršutiniai sluoksniai vėsta, spinduliai lenkia aukštyn ir pakartotinai atsispindi nuo vandens paviršiaus, o energijos prarandama žymiai mažiau. Todėl žiemą garso sklidimo diapazonas yra didesnis nei vasarą. Vertikalus garso greičio pasiskirstymas (VSD) ir greičio gradientas turi lemiamos įtakos garso sklidimui jūrinėje aplinkoje. Garso greičio pasiskirstymas įvairiose Pasaulio vandenyno vietose yra skirtingas ir laikui bėgant kinta. Yra keletas tipiškų VRSD atvejų:

Garso sklaida ir sugertis dėl terpės nehomogeniškumo.

Garso sklidimas povandeniniame garse. kanalas: a - garso greičio pokytis su gyliu; b - spindulio kelias garso kanale. Aukšto dažnio garsų sklidimui, kai bangos ilgiai yra labai maži, įtakos turi maži nehomogeniškumas, paprastai esantis natūraliuose vandens telkiniuose: dujų burbuliukai, mikroorganizmai ir kt. Šie nehomogeniškumas veikia dvejopai: sugeria ir išsklaido garso energiją. bangos. Dėl to, didėjant garso virpesių dažniui, mažėja jų sklidimo diapazonas. Šis poveikis ypač pastebimas paviršiniame vandens sluoksnyje, kur daugiausia nehomogeniškumo. Garso sklaida dėl nehomogeniškumo, taip pat nelygūs vandens ir dugno paviršiai sukelia povandeninio aidėjimo reiškinį, kuris lydi garso impulso siuntimą: garso bangos, atsispindinčios nuo nehomogeniškumo rinkinio ir susiliejančios, sukelia garso impulso pailgėjimas, kuris tęsiasi jam pasibaigus. Povandeninių garsų sklidimo diapazono ribas riboja ir natūralus jūros triukšmas, kurio kilmė yra dvejopa: dalis triukšmo kyla dėl bangų poveikio vandens paviršiui, banglenčių jūroje, riedančių akmenukų triukšmas ir pan.; kita dalis siejama su jūrų fauna (hidrobiontų skleidžiami garsai: žuvys ir kiti jūros gyvūnai). Biohidroakustika nagrinėja šį labai rimtą aspektą.

Garso bangų sklidimo diapazonas

Garso bangų sklidimo diapazonas yra sudėtinga spinduliavimo dažnio funkcija, kuri yra vienareikšmiškai susijusi su akustinio signalo bangos ilgiu. Kaip žinoma, aukšto dažnio akustiniai signalai greitai susilpnėja dėl stiprios vandens aplinkos sugerties. Priešingai, žemo dažnio signalai gali sklisti dideliais atstumais vandens aplinkoje. Taigi 50 Hz dažnio akustinis signalas gali sklisti vandenyne tūkstančių kilometrų atstumu, o 100 kHz dažnio signalas, būdingas šoniniam skenavimui, sklidimo diapazonas yra tik 1-2 km. . Apytiksliai šiuolaikinių sonarų su skirtingais akustinių signalų dažniais (bangos ilgiais) diapazonai pateikti lentelėje:

Naudojimo sritys.

Hidroakustika buvo plačiai pritaikyta praktiškai, nes dar nesukurta efektyvi elektromagnetinių bangų perdavimo po vandeniu sistema dideliu atstumu, todėl garsas yra vienintelė įmanoma komunikacijos priemonė po vandeniu. Šiems tikslams naudojami garso dažniai nuo 300 iki 10 000 Hz ir ultragarsas nuo 10 000 Hz ir didesnis. Elektrodinaminiai ir pjezoelektriniai emiteriai ir hidrofonai naudojami kaip skleidėjai ir imtuvai garso srityje, o pjezoelektriniai ir magnetostrikciniai - ultragarso srityje.

Svarbiausi hidroakustikos pritaikymai:

• Spręsti karines problemas;
• Jūrų navigacija;
• Garsus bendravimas;
• Žvejybos tyrinėjimai;
• Okeanologiniai tyrimai;
• Pasaulio vandenyno dugno išteklių plėtros veiklos sritys;
• Akustikos naudojimas baseine (namuose arba sinchroninio plaukimo mokymo centre)
• Jūros gyvūnų mokymas.

Pastabos

Literatūra ir informacijos šaltiniai

LITERATŪRA:

• V.V. Šuleikinas Jūros fizika. - Maskva: „Mokslas“, 1968. - 1090 p.
• I.A. rumunų Hidroakustikos pagrindai. - Maskva: „Laivų statyba“, 1979 - 105 p.
• Yu.A. Koryakinas Hidroakustinės sistemos. - Sankt Peterburgas: „Sankt Peterburgo mokslas ir Rusijos jūrų galia“, 2002. - 416 p.

>>Fizika: garsas įvairiose aplinkose

Kad garsas sklistų, reikalinga elastinga terpė. Vakuume garso bangos negali sklisti, nes ten nėra ko vibruoti. Tai galima patikrinti paprasta patirtimi. Jei elektrinį varpą pastatysime po stikliniu varpeliu, tada iš po varpelio išsiurbiant orą pastebėsime, kad skambesys vis silpnės, kol visiškai sustos.

Garsas dujose. Yra žinoma, kad perkūnijos metu pirmiausia išvystame žaibo blyksnį ir tik po kurio laiko išgirstame griaustinio griaustinį (52 pav.). Šis delsimas atsiranda dėl to, kad garso greitis ore yra daug mažesnis nei šviesos greitis, sklindantis iš žaibo.

Pirmą kartą garso greitį ore 1636 metais išmatavo prancūzų mokslininkas M. Mersenne'as. Esant 20 °C temperatūrai jis lygus 343 m/s, t.y. 1235 km/val. Atkreipkite dėmesį, kad būtent iki šios vertės sumažėja kulkos, paleistos iš Kalašnikovo kulkosvaidžio (PK), greitis 800 m atstumu. Pradinis kulkos greitis – 825 m/s, o tai gerokai viršija garso greitį ore. Todėl žmogui, išgirdančiam šūvio garsą ar kulkos švilpimą, nereikia jaudintis: ši kulka jį jau pralenkė. Kulka pranoksta šūvio garsą ir pasiekia auką prieš garsui pasigirdus.

Garso greitis priklauso nuo terpės temperatūros: kylant oro temperatūrai jis didėja, o mažėjant – mažėja. Esant 0 °C, garso greitis ore yra 331 m/s.

Garsas sklinda skirtingu greičiu skirtingose ​​dujose. Kuo didesnė dujų molekulių masė, tuo mažesnis garso greitis joje. Taigi, esant 0 °C temperatūrai, garso greitis vandenilyje yra 1284 m/s, helio - 965 m/s, o deguonyje - 316 m/s.

Garsas skysčiuose. Garso greitis skysčiuose paprastai yra didesnis nei garso greitis dujose. Pirmą kartą garso greitį vandenyje 1826 metais išmatavo J. Colladon ir J. Sturm. Savo eksperimentus jie atliko Ženevos ežere Šveicarijoje (53 pav.). Viename laive jie padegė paraką ir tuo pačiu trenkė į vandenį nuleistą varpą. Šio varpo garsas, naudojant specialų ragelį, taip pat nuleistą į vandenį, buvo užfiksuotas kitoje valtyje, kuri buvo 14 km atstumu nuo pirmosios. Remiantis laiko intervalu nuo šviesos blyksnio iki garso signalo atvykimo, buvo nustatytas garso greitis vandenyje. Esant 8 °C temperatūrai paaiškėjo, kad maždaug 1440 m/s.

Ties dviejų skirtingų terpių riba dalis garso bangos atsispindi, o dalis keliauja toliau. Garsui pereinant iš oro į vandenį, 99,9% garso energijos atsispindi atgal, tačiau slėgis garso bangoje, perduodamoje į vandenį, yra beveik 2 kartus didesnis. Žuvies klausos sistema reaguoja būtent į tai. Todėl, pavyzdžiui, riksmai ir triukšmas virš vandens paviršiaus yra tikras būdas atbaidyti jūros gyvybę. Po vandeniu atsidūręs žmogus nuo šių riksmų neapkurts: panardinus į vandenį jo ausyse liks oro „kamštukai“, išgelbėsiantys nuo garso perkrovos.

Kai garsas pereina iš vandens į orą, 99,9% energijos vėl atsispindi. Bet jei perėjus iš oro į vandenį garso slėgis padidėjo, dabar, atvirkščiai, jis smarkiai sumažėja. Būtent dėl ​​šios priežasties, pavyzdžiui, garsas, atsirandantis po vandeniu, kai vienas akmuo atsitrenkia į kitą, žmogaus nepasiekia ore.

Toks garso elgesys ties vandens ir oro riba suteikė mūsų protėviams pagrindą laikyti povandeninį pasaulį „tylos pasauliu“. Iš čia ir posakis: „Nutilęs kaip žuvis“. Tačiau Leonardo da Vinci taip pat pasiūlė klausytis povandeninių garsų priglaudus ausį prie į vandenį nuleisto irklo. Naudodami šį metodą galite įsitikinti, kad žuvys iš tikrųjų yra gana kalbios.

Garsas kietose medžiagose. Garso greitis kietose medžiagose yra didesnis nei skysčiuose ir dujose. Jei pridėsite ausį prie bėgelio, atsitrenkę į kitą bėgelio galą išgirsite du garsus. Vienas iš jų jūsų ausį pasieks geležinkeliu, kitas – oru.

Žemė turi gerą garso laidumą. Todėl senais laikais apgulties metu tvirtovės sienose būdavo statomi „klausytojai“, kurie pagal žemės sklindantį garsą galėdavo nustatyti, ar priešas kapsto sienas, ar ne. Priglaudę ausis prie žemės, jie taip pat stebėjo priešo kavalerijos artėjimą.

Kietosios medžiagos gerai praleidžia garsą. Dėl to klausą praradę žmonės kartais gali šokti pagal muziką, kuri klausos nervus pasiekia ne per orą ir išorinę ausį, o per grindis ir kaulus.

1. Kodėl per perkūniją pirmiausia matome žaibą ir tik tada išgirstame griaustinį? 2. Nuo ko priklauso garso greitis dujose? 3. Kodėl ant upės kranto stovintis žmogus negirdi po vandeniu sklindančių garsų? 4. Kodėl "klausytojai", senovėje stebėję priešo kasimo darbus, dažnai buvo akli žmonės?

Eksperimentinė užduotis . Padėkite rankinį laikrodį ant vieno lentos galo (arba ilgos medinės liniuotės), o ausį uždėkite ant kito galo. Ką tu girdi? Paaiškinkite reiškinį.

S.V. Gromovas, N.A. Rodina, fizika 8 kl

Pateikė skaitytojai iš interneto svetainių

Fizikos planavimas, fizikos pamokų planai, mokyklos programa, 8 klasės fizikos vadovėliai ir knygos, 8 klasės fizikos kursai ir užduotys

Pamokos turinys pamokų užrašai remiančios kadrinės pamokos pristatymo pagreitinimo metodus interaktyvios technologijos Praktika užduotys ir pratimai savikontrolės seminarai, mokymai, atvejai, užduotys namų darbai diskusija klausimai retoriniai mokinių klausimai Iliustracijos garso, vaizdo klipai ir multimedija nuotraukos, paveikslėliai, grafika, lentelės, diagramos, humoras, anekdotai, anekdotai, komiksai, palyginimai, posakiai, kryžiažodžiai, citatos Priedai tezės straipsniai gudrybės smalsiems lopšiai vadovėliai pagrindinis ir papildomas terminų žodynas kita Vadovėlių ir pamokų tobulinimasklaidų taisymas vadovėlyje vadovėlio fragmento atnaujinimas, naujovių elementai pamokoje, pasenusių žinių keitimas naujomis Tik mokytojams tobulos pamokos kalendorinis metų planas, metodinės rekomendacijos, diskusijų programa Integruotos pamokos

Pagrindiniai garso sklidimo dėsniai apima jo atspindžio ir lūžio prie įvairių terpių ribų dėsnius, taip pat garso difrakciją ir sklaidą esant kliūtims ir nehomogeniškumui terpėje ir sąsajose tarp terpių.

Garso sklidimo diapazoną įtakoja garso sugerties faktorius, tai yra negrįžtamas garso bangos energijos perėjimas į kitų rūšių energiją, ypač šilumą. Svarbus veiksnys yra ir spinduliavimo kryptis bei garso sklidimo greitis, kuris priklauso nuo terpės ir specifinės jos būsenos.

Iš garso šaltinio akustinės bangos sklinda visomis kryptimis. Jei garso banga praeina per palyginti nedidelę skylę, tada ji sklinda į visas puses, o ne sklinda nukreiptu spinduliu. Pavyzdžiui, gatvės garsai, prasiskverbiantys pro atvirą langą į patalpą, girdimi visose vietose, o ne tik priešais langą.

Garso bangų sklidimo šalia kliūties pobūdis priklauso nuo kliūties dydžio ir bangos ilgio ryšio. Jei kliūties dydis yra mažas, palyginti su bangos ilgiu, tai banga teka aplink šią kliūtį, sklinda į visas puses.

Garso bangos, prasiskverbiančios iš vienos terpės į kitą, nukrypsta nuo pradinės krypties, tai yra, jos lūžta. Lūžio kampas gali būti didesnis arba mažesnis už kritimo kampą. Tai priklauso nuo to, į kurią terpę garsas prasiskverbia. Jei garso greitis antroje terpėje yra didesnis, tada lūžio kampas bus didesnis už kritimo kampą ir atvirkščiai.

Savo kelyje sutikus kliūtį, garso bangos nuo jos atsispindi pagal griežtai apibrėžtą taisyklę – atspindžio kampas lygus kritimo kampui – su tuo susijusi aido sąvoka. Jei garsas atsispindi nuo kelių paviršių skirtingais atstumais, atsiranda keli aidai.

Garsas sklinda besiskiriančios sferinės bangos forma, kuri užpildo vis didesnį tūrį. Didėjant atstumui, terpės dalelių virpesiai susilpnėja ir garsas išsisklaido. Yra žinoma, kad norint padidinti perdavimo diapazoną, garsas turi būti sutelktas tam tikra kryptimi. Kai norime, pavyzdžiui, būti išgirsti, dedame delnus prie burnos arba naudojame megafoną.

Difrakcija, tai yra garso spindulių lenkimas, turi didelę įtaką garso sklidimo diapazonui. Kuo terpė heterogeniškesnė, tuo labiau išlinksta garso pluoštas ir atitinkamai trumpesnis garso sklidimo diapazonas.

Garso sklidimas

Garso bangos gali sklisti oru, dujomis, skysčiais ir kietomis medžiagomis. Bangos nekyla beorėje erdvėje. Tai lengva patikrinti iš paprastos patirties. Jei po sandariu dangteliu, iš kurio buvo pašalintas oras, padėtas elektrinis varpelis, negirdėsime jokio garso. Bet kai tik dangtelis prisipildo oro, pasigirsta garsas.

Virpesių judesių sklidimo iš dalelės į dalelę greitis priklauso nuo terpės. Senovėje kariai prikišdavo ausis į žemę ir taip aptikdavo priešo kavaleriją daug anksčiau, nei tai pasirodė akyse. O žymus mokslininkas Leonardo da Vinci XV amžiuje rašė: „Jei, būdamas jūroje, vamzdžio angą įleisi į vandenį, o kitą jos galą prikiši prie ausies, labai išgirsi laivų triukšmą. toli nuo tavęs“.

Pirmą kartą garso greitį ore XVII amžiuje išmatavo Milano mokslų akademija. Ant vienos kalvelės buvo įrengtas pabūklas, o kitoje – apžvalgos postas. Laikas buvo fiksuojamas tiek šūvio momentu (blykste), tiek garso gavimo momentu. Pagal atstumą tarp stebėjimo taško ir ginklo bei signalo atsiradimo laiką, garso sklidimo greitį apskaičiuoti nebebuvo sunku. Paaiškėjo, kad jis lygus 330 metrų per sekundę.

Garso greitis vandenyje pirmą kartą buvo išmatuotas 1827 metais Ženevos ežere. Abu laivai buvo išdėstyti 13 847 metrų atstumu vienas nuo kito. Ant pirmojo po dugnu buvo pakabintas varpelis, o antrajame į vandenį nuleistas paprastas hidrofonas (ragas). Pirmojoje valtyje tuo pačiu metu, kai buvo trenktas varpas, buvo padegtas parakas, antroje blyksnio momentu stebėtojas paleido chronometrą ir ėmė laukti, kol ateis garso signalas iš varpo. Paaiškėjo, kad garsas vandenyje sklinda daugiau nei 4 kartus greičiau nei ore, t.y. 1450 metrų per sekundę greičiu.

Garso greitis

Kuo didesnis terpės elastingumas, tuo didesnis greitis: gumoje 50, ore 330, vandenyje 1450, o pliene - 5000 metrų per sekundę. Jei mes, būdami Maskvoje, galėtume taip garsiai šaukti, kad garsas pasiektų Sankt Peterburgą, tai ten mus išgirstume tik po pusvalandžio, o jei garsas plienu sklistų per tą patį atstumą, tai būtų priimtas. per dvi minutes.

Garso sklidimo greičiui įtakos turi tos pačios terpės būsena. Kai sakome, kad garsas vandenyje sklinda 1450 metrų per sekundę greičiu, tai nereiškia, kad bet kokiame vandenyje ir bet kokiomis sąlygomis. Didėjant vandens temperatūrai ir druskingumui, taip pat didėjant gyliui, taigi ir hidrostatiniam slėgiui, garso greitis didėja. Arba paimkime plieną. Čia irgi garso greitis priklauso ir nuo temperatūros, ir nuo kokybinės plieno sudėties: kuo jame daugiau anglies, tuo jis kietesnis, tuo greičiau jame sklinda garsas.

Kai jie savo kelyje susiduria su kliūtimi, garso bangos nuo jos atsispindi pagal griežtai apibrėžtą taisyklę: atspindžio kampas lygus kritimo kampui. Garso bangos, sklindančios iš oro, beveik visiškai atsispindės aukštyn nuo vandens paviršiaus, o garso bangos, sklindančios iš vandenyje esančio šaltinio, atsispindės nuo vandens žemyn.

Garso bangos, skverbdamosi iš vienos terpės į kitą, nukrypsta nuo pradinės padėties, t.y. lūžo. Lūžio kampas gali būti didesnis arba mažesnis už kritimo kampą. Tai priklauso nuo to, į kokią terpę prasiskverbia garsas. Jei garso greitis antroje terpėje yra didesnis nei pirmojoje, tada lūžio kampas bus didesnis už kritimo kampą ir atvirkščiai.

Ore garso bangos sklinda besiskiriančios sferinės bangos pavidalu, kuri užpildo vis didesnį tūrį, nes garso šaltinių sukeliami dalelių virpesiai perduodami oro masei. Tačiau didėjant atstumui, dalelių vibracijos silpnėja. Yra žinoma, kad norint padidinti perdavimo diapazoną, garsas turi būti sutelktas tam tikra kryptimi. Kai norime būti geriau išgirsti, dedame delnus prie burnos arba naudojame megafoną. Tokiu atveju garsas bus silpnesnis, o garso bangos keliaus toliau.

Didėjant sienelės storiui, garso lokacija žemuose vidutiniuose dažniuose didėja, tačiau „klastingas“ sutapimo rezonansas, sukeliantis garso lokacijos smaugimą, ima reikštis esant žemesniems dažniams ir apima platesnę sritį.

Jei garso banga savo kelyje nesusiduria su kliūtimis, ji sklinda tolygiai visomis kryptimis. Tačiau ne kiekviena kliūtis jai tampa kliūtimi.

Susidūręs su kliūtimi savo kelyje, garsas gali lenktis aplink ją, atsispindėti, lūžti ar sugerti.

Garso difrakcija

Mes galime kalbėtis su žmogumi, stovinčiu už pastato kampo, už medžio ar už tvoros, nors jo nematome. Mes tai girdime, nes garsas gali pasilenkti aplink šiuos objektus ir prasiskverbti į už jų esančią sritį.

Bangos gebėjimas lenktis aplink kliūtį vadinamas difrakcija .

Difrakcija atsiranda tada, kai garso bangos ilgis viršija kliūties dydį. Žemo dažnio garso bangos yra gana ilgos. Pvz., 100 Hz dažniu jis lygus 3,37 m.Mažėjant dažniui ilgis tampa dar didesnis. Todėl garso banga lengvai lenkiasi aplink objektus, panašius į ją. Parko medžiai mums visiškai netrukdo girdėti garsą, nes jų kamienų skersmenys yra daug mažesni nei garso bangos ilgis.

Dėl difrakcijos garso bangos prasiskverbia pro kliūties plyšius ir skyles ir sklinda už jų.

Garso bangos kelyje pastatykime plokščią ekraną su skylute.

Tuo atveju, kai garso bangos ilgis ƛ daug didesnis nei skylės skersmuo D , arba šios reikšmės yra maždaug vienodos, tada už skylės garsas pasieks visus taškus srityje, kuri yra už ekrano (garso šešėlio sritis). Išeinančios bangos priekis atrodys kaip pusrutulis.

Jeigu ƛ yra tik šiek tiek mažesnis už plyšio skersmenį, tada pagrindinė bangos dalis sklinda tiesiai, o nedidelė dalis šiek tiek nukrypsta į šonus. Ir tuo atveju, kai ƛ mažiau D , visa banga eis į priekį.

Garso atspindys

Jei garso banga patenka į sąsają tarp dviejų laikmenų, galimi skirtingi tolesnio jos sklidimo variantai. Garsas gali atsispindėti iš sąsajos, gali pereiti į kitą terpę nekeisdamas krypties arba gali lūžti, tai yra judėti, keičiant kryptį.

Tarkime, kad garso bangos kelyje atsiranda kliūtis, kurios dydis yra daug didesnis už bangos ilgį, pavyzdžiui, plynas skardis. Kaip elgsis garsas? Kadangi jis negali apeiti šios kliūties, tai atsispindės nuo jos. Už kliūties yra akustinė šešėlių zona .

Nuo kliūties atsispindėjęs garsas vadinamas aidas .

Garso bangos atspindžio pobūdis gali būti skirtingas. Tai priklauso nuo atspindinčio paviršiaus formos.

Atspindys vadinamas garso bangos krypties pasikeitimas dviejų skirtingų terpių sąsajoje. Atsispindėjusi banga grįžta į terpę, iš kurios kilo.

Jei paviršius plokščias, garsas nuo jo atsispindi taip pat, kaip šviesos spindulys atsispindi veidrodyje.

Nuo įgaubto paviršiaus atsispindintys garso spinduliai sufokusuojami viename taške.

Išgaubtas paviršius išsklaido garsą.

Dispersijos efektą suteikia išgaubtos kolonos, dideli bagetai, sietynai ir kt.

Garsas nepereina iš vienos terpės į kitą, o atsispindi nuo jos, jei terpės tankis labai skiriasi. Taigi vandenyje pasirodęs garsas į orą neperduoda. Atsispindi nuo sąsajos, jis lieka vandenyje. Ant upės kranto stovintis žmogus šio garso neišgirs. Tai paaiškinama dideliu vandens ir oro bangų varžų skirtumu. Akustikoje bangos varža yra lygi terpės tankio ir garso greičio joje sandaugai. Kadangi dujų atsparumas bangoms yra žymiai mažesnis nei skysčių ir kietųjų medžiagų bangos pasipriešinimas, garso bangai atsitrenkus į oro ir vandens ribą, ji atsispindi.

Žuvys vandenyje negirdi garso, atsirandančio virš vandens paviršiaus, tačiau gali aiškiai atskirti garsą, kurio šaltinis – vandenyje vibruojantis kūnas.

Garso lūžis

Garso sklidimo krypties keitimas vadinamas refrakcija . Šis reiškinys atsiranda, kai garsas keliauja iš vienos terpės į kitą, o jo sklidimo greitis šiose aplinkose yra skirtingas.

Kritimo kampo sinuso ir atspindžio kampo sinuso santykis lygus garso sklidimo terpėje greičių santykiui.

Kur i - kritimo kampas,

r - atspindžio kampas,

prieš 1 – garso sklidimo greitis pirmoje terpėje,

v 2 – garso sklidimo antroje terpėje greitis,

n - lūžio rodiklis.

Garso lūžis vadinamas refrakcija .

Jeigu garso banga krenta ne statmenai paviršiui, o kitu nei 90° kampu, tai lūžusi banga nukryps nuo krintančios bangos krypties.

Garso lūžis gali būti stebimas ne tik sąsajoje tarp laikmenų. Garso bangos gali keisti savo kryptį nevienalytėje terpėje – atmosferoje, vandenyne.

Atmosferoje refrakciją sukelia oro temperatūros pokyčiai, oro masių judėjimo greitis ir kryptis. O vandenyne tai atsiranda dėl vandens savybių nevienalytiškumo – skirtingo hidrostatinio slėgio skirtinguose gyliuose, skirtingos temperatūros ir skirtingo druskingumo.

Garso sugertis

Kai garso banga susiduria su paviršiumi, dalis jos energijos sugeriama. O kiek energijos gali sugerti terpė, galima nustatyti žinant garso sugerties koeficientą. Šis koeficientas parodo, kiek garso virpesių energijos sugeria 1 m2 kliūties. Jo reikšmė yra nuo 0 iki 1.

Garso sugerties matavimo vienetas vadinamas sabin . Jis gavo savo pavadinimą iš amerikiečių fiziko Wallace'as Clementas Sabinas, architektūrinės akustikos įkūrėjas. 1 sabin – tai energija, kurią sugeria 1 m 2 paviršiaus, kurio sugerties koeficientas yra 1. Tai yra, toks paviršius turi sugerti absoliučiai visą garso bangos energiją.

Aidėjimas

Wallace'as Sabinas

Medžiagų savybė sugerti garsą plačiai naudojama architektūroje. Studijuodamas Fogg muziejui priklausančios paskaitų salės akustiką Wallace'as Clementas Sabinas padarė išvadą, kad yra ryšys tarp salės dydžio, akustinių sąlygų, garsą sugeriančių medžiagų tipo ir ploto bei aidėjimo laikas .

Aidėjimas vadiname garso bangos atspindžio nuo kliūčių procesą ir laipsnišką jos slopinimą išjungus garso šaltinį. Uždaroje erdvėje garsas gali pakartotinai atsispindėti nuo sienų ir objektų. Dėl to kyla įvairūs aido signalai, kurių kiekvienas skamba tarsi atskirai. Šis efektas vadinamas atgarsio efektas .

Svarbiausia kambario savybė yra aidėjimo laikas , kurią Sabinas įvedė ir apskaičiavo.

Kur V - patalpos tūris,

A – bendra garso sugertis.

Kur a i – medžiagos garso sugerties koeficientas,

S i - kiekvieno paviršiaus plotas.

Jei aidėjimo laikas ilgas, garsai tarsi „klaidžioja“ po salę. Jie persidengia vienas su kitu, užgožia pagrindinį garso šaltinį, o salė pradeda klesti. Su trumpu aidėjimo laiku sienos greitai sugeria garsus ir tampa nuobodu. Todėl kiekvienas kambarys turi turėti savo tikslų skaičiavimą.

Remdamasis savo skaičiavimais, Sabinas sutvarkė garsą sugeriančias medžiagas taip, kad būtų sumažintas „aido efektas“. O Bostono simfoninė salė, kurios kūrimo metu jis buvo akustikos konsultantas, iki šiol laikoma viena geriausių salių pasaulyje.