Звуковые волны и акустические свойства среды

В твердом теле могут распространяться два типа волн – продольные и поперечные. Схематично перемещение атомов тела при этом показано на рис 3.1

 Рис 3.1 Упругие волны в твердом теле: а) – продольная волна, б) –поперечная волна

Продольные волны называют волнами сжатия – разряжения, а поперечные – волнами сдвига.

 В продольных волнах направление смещений частиц среды ( А на рис3.1) совпадает с направлением распространения волны, а поперечные волны распространяются в плоскости, перпендикулярной смещениям частиц Скорость распространения продольных волн сl выше, чем поперечных сt. В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны. Скорость звука в разных средах разная – в металлах она значительно выше чем в воздухе и равна нескольким километрам в секунду. На границах сред звуковые волны, как и свет, испытывают отражение и преломление. Распространение упругих волн в твердом теле определяется параметрами среды, из которых основными являются : плотность, упругость и структура. Скорость звука некоторых твердых тел представлена в таблице 3.1

- Скорость звука прямо пропорциональна модулю упругости и обратно пропорциональна плотности тела.

От структуры тела в значительной степени зависит затухание

Затухание – это ослабление амплитуды А звуковой волны по мере ее продвижения в твердом теле:

Рис 3.2 Затухание звуковой волны в твердых телах с различным коэффициентом затухания (δ2 > δ1 )

 где А₀ – амплитуда волны на поверхности тела;  Х – расстояние от поверхности;  δ – коэффициент затухания

 Коэффициент затухания состоит из двух компонент – коэффициента поглощения δп и коэффициента рассеяния δр :

δ = δп + δр

Поглощение – это явление перехода звуковой энергии в тепловую вследствие несовершенной упругости тела и наличия теплопроводности.

Рассеяние – уход звуковой энергии из направления волны, при этом энергия остается в звуковой форме.

Рассеяние связано с акустическими неоднородностями среды (структурными неоднородностями). Такой структурной неоднородностью является, например, зерно металла, потому что зерно – кристалл, ориентированный случайным образом в пространстве и когда волна переходит из одного зерна в другое – ее скорость меняется, происходит преломление и отражение звуковой волны.