Механічні хвилі - студопедія

Ще одним видом руху є хвилі. Відмінною особливістю цього руху, що робить його унікальним, є те, що в хвилі поширюються не самі частинки речовини, а зміни в їх стані (обурення).

Середа називається пружною, якщо між її частками існують взаємодії, що перешкоджають будь-якої деформації цього середовища.

Якщо яке-небудь тіло робить коливання в пружною середовищі, то воно впливає на частки середовища, прилеглі до тіла, і змушує їх здійснювати вимушені коливання. Середовищі поблизу тіла, що коливається деформується, і в ній виникають пружні сили. Ці сили діють на все більш віддалені від тіла частинки середовища, виводячи їх з положення рівноваги. Поступово всі частинки середовища залучаються до коливальний рух.

Хвилями називаються всякі обурення стану речовини чи поля, що поширюються в просторі з плином часу.

Пружними хвилями називаються механічні обурення (деформації), які поширюються в пружної середовищі. Тіла, що викликають ці обурення в середовищі, називаються джерелами хвиль. Пружні хвилі називаються звуковими чи акустичними, якщо відповідні їм механічні деформації середовища мають малі амплітуди.

Відмінність пружних хвиль в середовищі від будь-якого іншого упорядкованого руху її частинок полягає в тому, що поширення хвиль не пов'язане з перенесенням речовини середовища з одного місця в інше на великі відстані.

Хвильовий поверхнею (фронтом хвилі) називається сукупність точок середовища, тих, хто вагається в однакових фазах. На хвильової поверхні фази коливань різних точок в даний момент часу мають одне і те ж значення.

Променем називається лінія, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямком поширення хвилі. У однорідноїізотропної середовищі промінь є прямою, перпендикулярної до фронту хвилі, і збігається з напрямком переносу енергії хвилі.

У плоскій волневолновимі поверхнями є площині, перпендикулярні до напрямку поширення хвилі. Променями є паралельні прямі, що збігаються з напрямком швидкості поширення хвилі. Такі хвилі можуть бути отримані на поверхні води за допомогою коливань плоского стрижня.

Хвиля називається поперечної. якщо частки середовища коливаються в напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення хвилі.

Хвиля називається поздовжньої. якщо коливання частинок середовища відбуваються в напрямку поширення хвилі.

У газах і рідинах, які не володіють пружністю форми, поширення поперечних хвиль неможливо. У твердих тілах можливе поширення як поздовжніх, так і поперечних хвиль, пов'язаних з наявністю пружності форми.

Кожна хвиля поширюється з певною швидкістю. Подскоростью хвилі розуміють швидкість поширення обурення.

Швидкість хвилі визначається властивостями середовища, в якій ця хвиля поширюється. У твердих тілах швидкість поздовжніх хвиль більше швидкості поперечних. Ця обставина враховується для визначення місця розташування вогнищ землетрусу.

Землетруси є джерелами так званих сейсмічних хвиль. поширюються в земній корі у вигляді як поздовжніх, так і поперечних хвиль. Першими на реєструючу станцію приходять поздовжні хвилі, потім поперечні.

Однією з найважливіших характеристик будь-якої хвилі є довжина хвилі.

Довжиною хвилі називається відстань, на яке поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду коливання в її джерелі. Вона дорівнює відстані між сусідніми гребенями або западинами в поперечної хвилі і між сусідніми згущеннями або розрядження в поздовжньої хвилі.

Довжина хвилі позначається грецькою буквою # 955; (Ламбда). Одиницею вимірювання є метр. Оскільки швидкість хвилі - величина постійна (для даної середовища), то пройдене хвилею відстань дорівнює добутку швидкості на час її поширення. Таким чином, довжина хвилі

Довжина хвилі збігається з відстанню між двома найближчими гребенями (або западинами) хвилі і залежить як від властивостей середовища (через швидкість v). так і від властивостей джерела хвилі (через період його коливання Т).

Зв'язок швидкості хвилі з її частотою:

тут - частота коливань.

При переході хвилі з одного середовища в іншу змінюються швидкість і довжина хвилі, а циклічна частота, період і частота при цьому не змінюються.

Якщо частинки середовища здійснюють гармонійні коливання, то в цьому середовищі поширюється гармонійна хвиля. Рівняння що біжить гармонійної хвилі

Тут х - зміщення частинок середовища, А - амплітуда їх коливань, # 969; - циклічна частота коливань частинок, t - час коливань частинок, що дорівнює часу поширення хвильового процесу в середовищі, k - хвильове число, у - координата фронту хвилі, # 945; 0 - початкова фаза коливань частинок, # 945; - фаза коливань.

циклічну частоту # 969; і хвильове число k можна визначити так:

Звукові хвилі з частотами від 16 до 2 * 10 4 Гц впливають на органи слуху людини, викликають слухові відчуття і називаються чутними звуками. Звукові хвилі з частотами менше 16 Гц називаються інфразвуками, а з частотами понад 2 * 10 4 Гц - ультразвуками.

Сприйняття звуку органами слуху залежить від того, які частоти входять до складу звукової хвилі.

Шумами називаються звуки, що утворюють набір частот, безперервно заповнюють деякий інтервал.

Музичні звуки мають лінійчатим спектром частот; їм відповідають періодичні або майже періодичні коливання.

Кожна синусоїдальна звукова хвиля називається тоном.

Висота тону залежить від частоти: чим більше частота, тим вище тон.

Гучність звуку залежить від інтенсивності звуку, тобто визначається амплітудою коливань в звукової хвилі. Найбільшою чутливістю органи слуху мають до звуків з частотами від 700 до 6000 Гц.

Порогом чутності називається найменша інтенсивність звукової хвилі, яка може бути сприйнята органами слуху. Стандартний поріг чутності приймається рівним 10 -12 Вт / м 2 при частоті 0 = l кГц.

Як і будь-яка хвиля, звукова хвиля характеризується швидкістю поширення коливань у ній. З довжиною хвилі # 955 ;, і частотою коливань # 965; швидкість v пов'язана формулою:

Швидкість звуку різна в різних середовищах (речовинах).