Акустические Волны

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ (звуковые волны), возмущения упругой материальной среды (газообразной, жидкой или твёрдой), распространяющиеся в пространстве. Возмущениями являются локальные отклонения плотности и давления в среде от равновесных значений, смещения частиц среды от положения равновесия. Эти изменения состояния среды, передающиеся от одних частиц вещества к другим, характеризуют звуковое поле. В акустических волнах осуществляется перенос энергии и количества движения без переноса самого вещества.

В газообразных и жидких средах, обладающих объёмной упругостью, могут распространяться только продольные акустические волны, в которых смещения частиц совпадают по направлению с распространением волны. Звуковое давление при этом является скалярной величиной. В неограниченных твёрдых средах, обладающих, помимо объёмной, также и сдвиговой упругостью, наряду с продольными могут распространяться и поперечные (сдвиговые) акустические волны; в них направления смещений частиц и распространения волны взаимно перпендикулярны. Аналогом звукового давления в твёрдых средах является тензор механического напряжения. При наличии границ в твёрдых телах возникают и другие типы акустических волн (смотри Упругие волны).

В соответствии с видом зависимости характеристик звукового поля от времени акустические волны могут иметь разную форму. Особое значение имеют гармонические акустические волны, в которых характеристики звукового поля изменяются во времени и в пространстве по синусоидальному закону (смотри Волны). Акустические волны любой формы можно представить в виде суммы (в предельном случае - интеграла) гармонических волн разных частот. В результате разложения волны на простые гармонические составляющие (смотри Звука анализ) получается спектр звука.

Диапазон частот акустических волн снизу практически не ограничен - в природе встречаются акустические волны с частотой, равной сотым и тысячным долям герца. Верхняя граница диапазона акустических волн обусловлена физической природой их взаимодействия с веществом: в газах длина волны должна быть больше длины свободного пробега молекул, а в жидкостях и твёрдых телах больше межмолекулярного или межатомного расстояния. На этом основании за верхнюю частотную границу в газах принята величина 10⁹ Гц, в жидкостях 10¹⁰-10¹¹ Гц, в твёрдых телах 10¹²—10¹³ Гц. В общем диапазоне акустические волны выделяют область собственно звука, воспринимаемого человеком на слух; условные границы этой области 16 Гц - 20 кГц (термин «звук» применяют часто к акустическим волнам во всём частотном диапазоне). Ниже лежит область инфразвука, выше - ультразвука (2·10⁴ Гц - 10⁹ Гц) и гиперзвука (10⁹ Гц - 10¹³ Гц). Гиперзвуковые волны в кристаллах иногда рассматривают с позиций квантовой теории, сопоставляя им фононы.

Распространение акустических волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. При определённых условиях наблюдается дисперсия звука - зависимость скорости акустических волн от частоты. По мере распространения происходит постепенное затухание звука, т. е. уменьшение интенсивности акустических волн. Оно обусловлено в значительной степени поглощением звука, связанным с необратимым переходом энергии акустической волны в теплоту. Распространение акустических волн рассматривается методами волновой акустики либо геометрической акустики. При большой интенсивности акустических волн наблюдаются искажение их формы и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная акустика).

Звуковые волны слышимого диапазона служат средством общения людей, а также самых разных представителей животного мира. Акустические волны используются для получения информации о свойствах и строении разных сред и о различных объектах. С их помощью изучаются естественные среды - атмосфера, земная кора, Мировой океан, выясняются особенности строения вещества на микроскопическом уровне. В практической деятельности человека акустические волны служат для обнаружения дефектов в изделиях, используются как один из методов медицинской диагностики, применяются для воздействия на вещество с целью изменения его свойств.

Лит.: Красильников В. А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. 3-е изд. М., 1960; Исакович М. А. Общая акустика. М., 1973; Скучик Е. Основы акустики: В 2 т. М., 1976.             И. П. Голямина.