Поширення звукових хвиль

47 і не залежить від його інтенсивності - гучні і тихі звуки "подорожують" з однаковою швидкістю (але гучні далі, так як інтенсивність звуку обернено пропорційна квадрату відстані від джерела). Згущення або розрідження повітря, що виникло біля джерела звуку, з плином часу поширюється в просторі. Якщо джерело звуку  тіло, що коливається, звукова хвиля за час, що дорівнює періоду коливань тіла Т, встигає пройти відстань, що дорівнює добутку швидкості звуку на тривалість періоду. Ця відстань називається довжиною звукової хвилі (див. Рис. 10) і позначається грецькою буквою "лямбда" ( = з * Т). Оскільки Т = 1 / f (див. Вище § 52), то цю формулу можна записати в вигляді  = с / f. тобто довжина хвилі прямо пропорційна швидкості поширення хвиль в даному середовищі (с) і обернено пропорційна частоті коливань (f).

Малюнок 10. Довжина звукової хвилі (КОК П1).

Простий (чистий) тон гармоніческое коливання

§ 54. Мовні звуки представляють собою комплексні коливання, тобто Найскладніші поєднання простих або чистих тонів і / або шумів.

Простий тон - це періодичне коливання, яке має тільки одну частоту коливання. Інакше просте періодичне коливання називається гармонійним.

Звуків такого роду в природі не існує, хоча є звуки дуже близькі чистому тону. До них відноситься, наприклад, звук, видаваний камертоном. Якщо вдарити по стеблу камертона, то його ніжки починають зміщуватися з нейтрального положення, потім повертаються в початкове положення під впливом сили еластичності, потім, внаслідок інерції, продовжують рух через точку спокою, потім назад і т.д. (Див. Рис. 1.2, 1.3; 3.2, 3.8). Сили інерції і еластичності противонаправленность і діють в будь-який момент руху, при цьому то одна сильніше, то інша.

Малюнок 11. Схематичне зображення зміщення вусів камертона за півтора коливальних циклу. Положення 1 - стан спокою; становище 2 - зміщення всередину під дією зовнішньої сили, дія сили еластичності; становище 3 - повернення в стан спокою, дія сили еластичності зменшується, а сили інерції збільшується; становище 4 - зміщення назовні, дія сили еластичності збільшується, а сили інерції зменшується; становище 5 - повернення в стан спокою, дія сили еластичності зменшується, а сили інерції збільшується (кінець першого коливального циклу); становище 6 - зміщення всередину, дія сили еластичності збільшується, а сили інерції зменшується; становище 7 - повернення в стан спокою, дія сили еластичності зменшується, а сили інерції збільшується.

Малюнок 12. Схематичне зображення змін повітряного тиску, викликаних вібрацією камертона (1.2 або КОК П3)

Рух камертона викликає рух оточуючих його молекул повітря, яке можна порівняти з коливанням звичайних гойдалок (див. Рис. 13). Рухаються молекули викликають рух сусідніх молекул (як би "підштовхують" їх  см. Рис. 14), в результаті утворюються послідовні згущення і розрідження повітря - звукові хвилі. Звукові хвилі поширюються концентричними колами, як хвилі від каменя, кинутого у воду: стиснення і розрідження повітряного середовища чергуються (див. Рис. 15). Ці чергування тиску в часі (в одній і тій же точці) можуть бути представлені у вигляді графіка (осцилограми) 48. на якому час відкладається по горизонтальній осі, а тиск - по вертикальній (див. Рис. 16). Графіком простого періодичного (гармонійного) коливання є синусоїда.

Малюнок 13. Поширення звукових хвиль.

Кожна лінія показує положення 13 частинок повітря в момент часу, кілька більш пізній, ніж лінія зверху від запропонованої. Нерухомі частки зображені рисками, а рухомі - стрілочками (чим жирніше стрілка, тим вище швидкість руху) (1.3)

Малюнок 14. Схематичне зображення десяти часток повітря в 14 різних моментів часу. Джерело звуку знаходиться зліва, звукові хвилі поширюються зліва направо, час змінюється зверху вниз. Зауважте, що хоча звукові хвилі (що відбиваються у вигляді зближення трьох частинок) зміщуються зліва направо, самі частинки майже не змінюють свого положення. (3.8)

Малюнок 15. Звукові хвилі, що поширюються від джерела звуку. (В ідеалі зони згущення і розрідження повітря повинні оточувати джерело звуку у вигляді сфер, що неможливо показати на двомірному малюнку). (3.9)

Малюнок 16. Осцилограма. Зверху звук зображений у вигляді рухів частинок повітря, викликаних джерелом звуку з частотою коливань 350 Гц. На діаграмі внизу видно, що піки повітряного тиску розташовані в метрі один від одного, тобто на простір в 350 метрів (яке звук проходить за одну секунду - див. § 53) припадає 350 піків. (8.1)

Внаслідок дії сили тертя точки найбільшого зміщення частинок повітря все більше наближаються до точки спокою: амплітуда коливання зменшується, відбувається загасання коливання (damping - см. Рис. 17 і Б10), однак частота коливань (кількість повних циклів в одиницю часу) залишається постійною.

Малюнок 17. Осцилограма затухаючого коливання (2.2).

Гармонійні коливання можуть відрізнятися за частотою, амплітудою і фазі (див. Рис. Б10 в Додатку Б або КОК П4).

Одна і та ж середовище може передавати безліч звуків одночасно. При цьому коливання (наприклад, при наявності декількох джерел) можуть взаємодіяти один з одним. Якщо їх частота збігається, то амплітуда просто підсумовується (і це як і раніше простий тон) 49 (див. Рис. 18а).

Малюнок 18. Результати взаємодії двох гармонік (сигнал 1 і сигнал 2), які збігаються за частотою, але розрізняються по амплітуді (а) або фазі (b, c). У всіх випадках вихідна частота залишається незмінною; змінюється амплітуда (а) або фаза (b). Результатом накладення двох гармонік, що знаходяться в протифазі, є відсутність сигналу (с). (3.11)