Параметри, що характеризують звукове поле

Під звуковимполем розуміють ту обмежену область простору, в ко-торою поширюється гідроакустична посилка. Звуковий поле може сущест-вова в будь-який пружною середовищі і є коливання її часток, метушні-кається в результаті впливу зовнішніх факторів, що обурюють. Отлічітель-ної особливістю зазначеного процесу від будь-якого іншого упорядкованого руху-ня частинок середовища є те, що при малих збуреннях поширення хвиль не пов'язане з перенесенням самого речовини. Іншими словами, коливання кожної частини-ці відбувається щодо того положення, яке вона займала до впливу обурення.

Ідеальну пружну середу, в якій поширюється звукове поле, можна представити у вигляді сукупності абсолютно жорстких її елементів, пов'язаних між собою пружними зв'язками (рис.2.2). Поточний стан хитається годину-тіци цього середовища характеризується її зміщенням U щодо рівноважного положення, коливальної швидкістю v і частотою коливань. Коливальна швидкість визначається першої похідної за часом від зсуву частки і є важливою характеристикою даного процесу. Як правило, обидва параметри є гармонійними функціями часу.

Частка 1 (рис. 1.1), змістилася на вели-чину U від свого рівноважного положення, че-
рез пружні зв'язку впливає на навколишні її частки, змушуючи їх також сме-тися. В результаті, обурення, привнесене ззовні, починає поширюватися в рас
розглядати середовищі. Якщо закон зміни зсуву частки 1 визначається рівністю U U sint, де Um - амплітуда коливання частки, а - частота коливань, то закон руху інших i - их частинок може бути представлений у вигляді:

Ui Umi sin (t i), (2.1)

де Umi - амплітуда коливання i - ой частки, i - фазовий зсув цих коливань. У міру віддалення від джерела збудження середовища (частки 1) значення амплітуд коливань Umi через розсіювання енергії будуть спадати, а фазові зрушення i в силу обмеженості швидкості поширення збудження - збільшуватися. Таким об-разом, під звуковим полем можна розуміти також сукупність тих, хто вагається частинок середовища.

Якщо в звуковому полі, виділити частки, що мають однакову фазу коливань, ми отримаємо криву або поверхню, яку називають фронтом хвилі. Фронт хвилі постійно віддаляється від джерела обурення з певною швидкістю, яка називається швидкістю поширення фронту хвилі, швидкістю поширення хвилі або просто швидкістю звуку в даному середовищі. Вектор вказано-ної швидкості перпендикулярний поверхні фронту хвилі в даній точці і визначає напрямок звукового променя, уздовж якого поширюється хвиля. Ця швидкість істотно залежить від властивостей середовища і її поточного стану. У разі поширення звукової хвилі в морі швидкість звуку залежить від темпера-тури води, її щільності, солоності і ряду інших чинників. Так, при збільшенні температури на 1 0С, швидкість звуку збільшується приблизно на 3,6 м / с, а при збільшенні глибини на 10 м вона підвищується приблизно на 0,2 м / с. В середньому в морських ус-ловиях швидкість звуку може змінюватися в межах 1440 - 1585 м / с. Якщо середовище ани-зотропная, тобто має різні властивості в різних напрямках від центру обурення, то швидкість поширення звукової хвилі буде також різною, за-висить від цих властивостей.

У загальному випадку, швидкість поширення звукової хвилі в рідині або газі визначається наступним виразом:

де К - модуль об'ємної пружності середовища, 0 - щільність невозмущенной середовища, її статична щільність. Модуль об'ємної пружності чисельно дорівнює напрузі, яке виникає в середовищі при її одиничної відносної деформації.

Пружна хвиля називається поздовжньою, якщо коливання розглянутих частинок відбуваються в напрямку поширення хвилі. Хвиля називається поперечної, якщо частинки коливаються в площинах, перпендикулярних до напрямку поширенням странения хвилі.

Поперечні хвилі можуть виникати тільки в такому середовищі, яка володіє уп-ругостью форми, тобто здатна чинити опір деформації зсуву. Цією властивістю володіють лише тверді тіла. Поздовжні хвилі пов'язані з об'ємною деформацією середовища, тому вони можуть поширюватися як в твердих тілах, так і в рідких і газоподібних середовищах. Винятком з цього правила є поверхневі віл-ни, що утворюються на вільної поверхні рідини або на поверхнях поділу-ла змішуються середовищ з різними фізичними характеристиками. У цьому слу-чаї частки рідини одночасно здійснюють поздовжні і поперечні колеба-ня, описуючи еліптичні або більш складні траєкторії. Особливі властивості по-поверхневих хвиль пояснюються тим, що в їх освіті та поширенні визна-рами роль відіграють сили тяжіння і поверхневого натягу.

В процесі коливань в обуреної середовищі виникають зони підвищеного і по-ніженіе по відношенню до рівноважного стану тиску і щільності. Тиску-ня р р1 р0, де р1 - миттєве його значення в звуковому полі, а р0 - стати-чеський тиск середовища при відсутності порушення, називається звуковим і чис-повільно одно силі, з якою хвиля діє на одиничну площадку, встановлений-ву перпендикулярно напрямку її поширення. Звуковий тиск являє-ся однією з найважливіших характеристик стану середовища.

Для оцінки зміни щільності середовища використовують відносну величину, яка називається ущільненням , яка визначається наступним рівністю:

де 1 - миттєве значення щільності середовища в цікавій для нас точці, а 0 - її статична щільність.

Всі названі вище параметри можуть бути визначені, якщо відома Незнач-раю скалярная функція, звана потенціалом швидкості коливань. Відповідно до теореми Гельмгольца цей потенціал повністю характеризує аку-стические хвилі в рідких і газоподібних середовищах і пов'язаний з коливальної скоро-стю v наступним рівністю:

Поздовжня звукова хвиля називається плоскою, якщо її потенціал і інші, свя-занние з ним величини, що характеризують звукове поле, залежать тільки від часу і однієї їх декартових координат, наприклад, х (рис.2.3).

Якщо згадані величини залежать тільки від часу і відстані r від Незнач-рій точки про простору, званої центром хвилі, поздовжня звукова хвиля називається сферичною. У першому випадку фронт хвилі буде являти собою

z Плоска хвиля z Сферична хвиля

Мал. 2.3 Фронт хвилі

лінію або площину, в другому - дугу або ділянку сферичної поверхні.

В пружних середовищах при розгляді процесів в звукових полях можна ис-користувати принцип суперпозиції. Так, якщо в середовищі поширюється система

хвиль, які визначаються потенціалами 1 ... n, то потенціал буде дорівнює сумі зазначених потенціалів:

Однак при розгляді процесів в потужних звукових полях слід враховувати можливість прояву нелінійних ефектів, які можуть зробити неприпустимий-мим використання принципу суперпозиції. Крім того, при високих рівнях

обурює середу впливу можуть бути радикально порушені пружні свій-ства середовища. Так, в рідкому середовищі можуть виникнути розриви, заповнені повітрям, змінитися її хімічна структура і т.д. На представленій раніше (рис. 2.2) моді-ли це буде еквівалентно розриву пружних зв'язків між частинками середовища. У цьому випадку енергія, що витрачається на створення коливань, практично не буде переда-тися іншим верствам, що унеможливить вирішення тієї чи іншої практиче-ської завдання. Описане явище отримало назву кавітаціі.1

З енергетичної точки зору звукове поле може характеризуватися пото-ком звукової енергії або звуковий потужністю Р, які визначаються кількістю-ством звуковий енергії W, що проходить через поверхню, перпендикулярну на-правлінню поширення хвилі, в одиницю часу:

Звукова потужність, віднесена до площі s розглянутої поверхні, визна-ляет інтенсивність звукової хвилі:

В останньому виразі прийнято, що енергія розподілена рівномірно на май-ке s.