Глава 1. Звук — от зарождения к восприятию

Геометрическая акустика

Геометрический раздел основан на следующем предположении: звук распро­страняется в виде звуковых лучей, представляющих собой линии, вдоль кото­рых движется звуковая энергия. Уравнения геометрической акустики по своей форме близки к уравнениям геометрической оптики, хорошо знакомым чита­телям еще из курса школьной физики. Для звуковых лучей справедливы те же законы отражения и преломления, что и для световых волн. Формулы линей­ной геометрии являются приближенными и тем точнее отражают реальность, чем меньше длина исследуемой звуковой волны. Если считать, что размеры помещений или препятствий на пути звука сравнимы или много больше дли­ны волны звука, то возникает необходимость в учете таких явлений, как ди­фракция волн, которые линейная теория уже не описывает. В таких случаях приходится усложнять задачу и учитывать нелинейные члены уравнений.

В соответствии с геометрической теорией, звук распространяется в виде волн, подразделяемых на несколько типов. Каждому типу свойственны осо­бые условия возникновения и распространения. К простейшим типам можно отнести плоские и сферические волны. Реальный процесс состоит из суммы различных волн, но рассматривать удобнее каждое слагаемое в отдельности.

Плоская волна

Плоскую волну могут создавать колебания плоской поверхности (рис. 1.1). Все лучи плоской волны перпендикулярны плоскости излучения и парал­лельны друг другу. При этом частицы среды распространения начинают

разряжение частиц у среды

¹

сгущение

- частиц

среды

\ЛЛ/

20

Рис. 1.1. Плоская волна

Глава 1. Звук — от зарождения к восприятию

двигаться в одном направлении вдоль условного «коридора». Для идеальной плоской волны поперечное сечение «коридора» с расстоянием не изменяется. По этой причине энергия звука по мере движения уменьшается незначитель­но и только за счет молекулярных затуханий в вязкой среде. В природе абсо­лютно плоские волны встречаются крайне редко. Так, например, звуковую волну в трубе можно считать лишь приблизительно плоской, как и сфериче­скую волну на большом расстоянии от источника.

Сферическая волна

Сферическую волну можно описать как движение волн от пульсирующей сферы (рис. 1.2). Источник, возбуждающий сферическую волну условно счи­тается точечным. В данном случае звуковые лучи расходятся во все стороны в направлениях, параллельных радиусам. По этой причине у сферической вол­ны энергия звука, приходящаяся на единицу площади, по мере удаления от источника уменьшается. Изменение интенсивности обратно пропорциональ­но расстоянию, а убывание звукового давления обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.

Пульсирующий шар

Разряжение частиц среды

■

Сгущение частиц среды Рис. 1.2. Сферическая волна

Волновые характеристики реальных излучателей звука

Реальные источники звука излучают волны разных типов. В так называемой «ближней зоне» звуковые волны не успевают перемешиваться между собой. Поэтому характер звучания в непосредственной близости, например, от му­зыкального инструмента в значительной мере зависит от выбора точки про­слушивания. С ростом расстояния от источника звука данный эффект смяг­чается и сходит на нет.

21