Эффект Доплера.

Наблюдая за проходящим мимо поездом или движущимся автомобилем, мы замечаем, что высота тона подаваемого ими звукового сигнала постоянно изменяется. Это и есть одно из проявлений эффекта Доплера, состоящего в изменении частоты звука при относительном движении источника и приемника. Рассмотрим это явление несколько подробнее.

Пусть источник И (рис. 5.19а) излучает монохроматическую (т.е. гармоническую) акустическую волну частоты Тогда длина этой волны, распространяющейся в воздухе со скоростью с, будет равна:

(5.37)

Рис. 5.19.

Если теперь источник будет двигаться со скоростью в направлении распространения волны, то волна будет "отрываться" от источника со скоростью и её длина уменьшится (рис. 5.19б):

(5.38)

Достигнув неподвижного приемника П, эта волна будет воздействовать на него с частотой

(5.39)

которая будет больше исходной частоты При движении источника в противоположном направлении эта частота уменьшится. Именно это изменение частоты тона сигнала мы фиксируем при приближении и последующем удалении поезда или автомобиля.

Изменение частоты будет также и при движении приемника П, однако физическая причина этого изменения состоит в том, что волна с длиной будет поступать в приемник со скоростью (если приемник движется навстречу волне). Следовательно, частота воздействия на приемник будет равна

(5.40)

и превысит исходную частоту.

В силу различия физических причин, приводящих к изменению частоты при движении источника и приемника, разнятся и формулы (5.39) и (5.40). Однако при как нетрудно убедиться, с точностью до членов порядка формула (5.39) может быть записана в виде (5.40).

При одновременном движении навстречу друг другу источника со скоростью и приемника со скоростью обе формулы можно объединить в одну

(5.41)

При удалении источника или приемника в формуле (5.41) следует изменить знак при соответствующей скорости.

При скоростях формируются ударные волны, и формулы, описывающие изменение частоты, становятся несправедливыми.

Бинауральный эффект.

Этот эффект представляет собой психофизиологическое явление, заключающееся в слитном восприятии звуков, принимаемых правым и левым ухом. Он дает возможность определить направление на источник звука и играет существенную роль в музыкальной акустике (стереофония).

Рисунок 5.20 иллюстрирует этот эффект. Если волна падает под углом к линии, соединяющей оба уха (пунктиром изображен контур радиуса имитирующий голову человека), то волна достигнет левого уха позднее правого, а время задержки составит величину

(5.42)

где – криволинейный путь, проходимый звуковой волной при огибании ею головы человека за счет дифракции (см. ниже).

Рис. 5.20.

Кроме того, поскольку голова частично экранирует звук, то амплитуда волны, достигающей левого уха, несколько уменьшается. Совместное действие этих двух факторов дает человеку возможность определить направление на источник звука. Если период колебаний звуковой волны сравним со временем задержки:

(5.43)

то волны, падающие под углом, вызывают колебания барабанных перепонок левого и правого уха со сдвигом фаз по которому человек и определяет направление прихода волны.

Если положить то для волн с периодом условие (5.43) не выполняется, и определить направление по сдвигу фазы становится затруднительно. Однако остается возможность сравнить амплитуды волн, достигающих обоих ушей, и тем самым определить угол