Механічні хвилі і їх види. Довжина хвилі. Звук. Звуковий резонанс. Ультразвук і його застосування на залізничному транспорті.

Тема. Механічні хвилі і їх види. Довжина хвилі. Звук. Звуковий резонанс. Ультразвук і його застосування на залізничному транспорті.

План

1.Поняття коливань у пружному середовищі. Види хвиль.

Коливання тіла в пружному середовищі спричинює вимушені коливання частинок речовини, що прилягають до нього. Сили пружності поступово виводять з положень рівноваги віддаленні частинки речовини, і вони також починають коливатися. Таким чином коливальний рух поширюється в середовищі з пев­ною швидкістю.

Будь-який збурений стан речовини, або поля, що поширюється в просторі з часом, називають хвилею.

Фізичні причини хвильових рухів можуть бути різними, але всі види хвильових явищ кількісно опису­ються однаковими або майже однаковими законами. У газах, рідинах |твердих тілах механічні хвилі, ви­никають внаслідок дії сил пружності. Тіло, що збуд­жує хвилі, називають джерелом хвиль. Під час поши­рення хвиль речовина не переноситься, а тільки пере­міщується коливальний стан речовини. При цьому окремі частинки речовини зміщуються з положень рівноваги лише на відносно невеликі відстані, і кожна з них у середньому залишається на тому самому місці.

        Види хвиль.

         Поперечні й поздовжні хвилі. Хвилю називають поперечною, якщо  частинки середовища    коливаються  в напрямі, перпендикулярному до напряму  поширення Поперечна хвиля поширюється в середовищі, в якому зміна форми приводить до появи сил пружності, наприклад, поперечна хвиля виникає в гумовому шнурі надали коливального руху в напрямі, перпендикулярному  до лінії  цього    шнура.   

Хвилю називають поздовжньою, якщо коливання частинок середовища відбувається вздовж напряму поширення хвилі. Поздовжні хвилі поширюються в середовищі, в якому зміна об'єму приводить до виникнення пружних сил. Наприклад, у довгій м'якій пружині великого діаметра, якщо на один її кінець вздовж осі пружини діє зовнішня періодична сила, виникають поздовжні хвилі.

У газax й об'ємі рідин внаслідок того, що зміна їх форми не приводить до появи сил пружності, поширення поперечних   хвиль  неможливе.  Хвилі,   що  утворюються поверхні  рідини   (поверхневі   хвилі),     мають  дуже складну природу. Вони виникають у результаті дії сил тяжіння  і  сили  поверхневого  натягу.  Частинки  рідини на поверхні рухаються по колу, тому хвильове явище на поверхні рідини подібне до поперечних хвиль. Частин­ки рідини, що знаходяться в шарі, заглибленому трохи далі від поверхні, рухаються по еліпсах, ексцентриситет t яких з глибиною   збільшується.   На   певній   глибині   в рідині   можуть  поширюватися   тільки   поздовжні   хвилі.   

        2.Величини, що характеризують хвилі.

Довжиною хвилі   називають відстань між найближчим вздовж напряму поширення  хвилі  точками,  що  коливаються  в однакових фазах.   Фронт   хвилі  зміщується   від  джерела   хвиль  з деякою швидкістю v. Відстань, на яку поширюється коливання за один період, дорівнює довжині хвилі. Отже,

Швидкість поширення хвиль залежить від пружності середовища  і  має  різні  значення  для  різних речовин. У твердих тілах швидкість поздовжніх хвиль більша від швидкості   поперечних   хвиль.   За   часом   прибуття   повздовжньої та  поперечної хвиль  можна  визначити  відстань до джерела, в якому раптово виникають ці хвилі. Так на сейсмічних станціях визначають відстань до центра землетрусу,    спостерігаючи ' запізнення    поперечної хвилі, що збуджується під час землетрусу одночасно з поздовжньою.

         Рівняння хвилі.

         Геометричне місце точок середовища, що коливають­ся в однаковій фазі, називають хвильовою поверхнею, або фронтом хвилі.

Принцип Гюйгенса:

• Кожна точка хвильової поверхні є джерелом вторинних хвиль
• Поверхня дотична до всіх цих вторинних хвиль, теж є хвильвою поверхнею водин із наступних моментів часу

Залежно від форми хвильової по­верхні хвилі бувають плоскими й сферичними. Лінію, перпендикулярну до хвильової поверхні, називають променем. Якщо хвилі сферичні, промені напрямлені вздовж радіусів сфери. В однорідному середовищі про­мінь є прямою лінією, що збігається з напрямом пере­несення енергії хвилі. Якщо джерело хвиль коливається гармонічно, тобто

то рівняння плоскої хвилі, що поши­рюється з бігом часу t вздовж напряму осі OY, має вигляд:

де υ — швидкість поширення хвиль.

  Енергія хвилі. Джерело хвиль у процесі коливань витрачає енергію. Поширення хвиль приводить до того, що, (енергія коливального руху передається іншим часткам середовища. У хвильовому процесі енергія передається без  перенесення  речовини.  Величину,  що  вимірюється енергією, яка  переноситься    хвилею за одиницю  часу крізь одиницю площі    поверхні,    перпендикулярної до напряму поширення хвилі, називають інтенсивністю хви­лі.  Інтенсивність хвилі  прямо пропорційна  квадрату її амплітуди. Оскільки частина механічної енергії при поширенні хвиль розсіюється, то зі збільшенням відстані од дже­рела амплітуда коливань поступово зменшується. Вона зменшується і тоді, коли поширюється сферична хвиля. Це відбувається внаслідок того, що площа поверхні фронту хвилі пропорційна квадрату відстані г від дже­рела.

Властивості хвиль

• Відбивання
• Інтерференція
• Дифракція

Інтерференція – це накладання когерентних хвиль, в результаті чого спостерігається підсилення або послаблення результуючої

  Когерентні хвилі  - це хвилі які мають однакову частоту і незмінну різницю фаз.

3.Природа звуку, звукові хвилі. Характеристика звуку. Звуковий резонанс

Звукові хвилі. Хвилі, що поширюються в пружному  середовищі і амплітуда яких не дуже велика, називають звуковими   або  акустичними.   Поширення звуку в повітрі — це теж приклад повздовжніх хвиль.  Вухо людини  сприймає звукові коливання з частотою від 16 до 20000 Гц (чут­ні звуки). Звукові хвилі з частотою меншою за 16 Гц, називають інфразвуковими, а з частотою, більшою за 20 000 Гц,— ультразвуковими. Розділ фізики, що вивчає звукові явища, називають акустикою.

Звичайно звукові хвилі досягають вуха через повітря, але звук добре по­ширюється також у воді та твердих тілах. У вакуумі звукові хвилі поширюватися не можуть. Добрими звукоізоляторами є пористі панелі, повсть, корок тощо, якими користуються для захисту приміщень від сторонніх звуків. Джерелом звуку може бути будь-яке тіло, що коливається даному інтервалі частот, наприклад: струна, стовп повітря в трубі, металева пластинка, дзвінок, голосові зв'язки людини і т.

          Швидкість звуку. Швидкість поширення звуку в різних середовищах залежить від їхніх пружних властивостей. Швидкість звуку в повітрі досить велика (при вона дорівнює 331 м/с), у газах — приблизно дорівнює середній швидкості теплового руху молекул, тобто  абсолютній    температурі. Так, наприклад, у повітрі швидкість звуку

У газі v тим більша, чим менша маса молекул газу. Наприклад, при 0°С швидкість    звуку у вуглекислому газі 258 м/с, а у водні 1270 м/с. У воді швид­кість звуку приблизно у 4,25 раза більша, ніж у повітрі. У Твердих тілах швидкість звуку  ще більша. Наприклад при 15°С у сталі  4980 м/с.

            Характеристики звуку.

Гучність і висота звуку. Звук від тіла, яке гармонічно коливається, називають музикальним тоном. Myзикальні  тони мають різну гучність і висоту. Гучність звуку  залежить від енергії, що переноситься звуковою хвилею тобто визначається інтенсивністю хвилі. Потік що поширюється звуковою хвилею, звичайно  малий.

Людина чує звуки, інтенсивність яких 10-⁶—10⁶          

Чутливість людини до звуків має таку особливість: якщо інтенсивність звукових коливань зростає в геометрич­ній прогресії, то гучність — в арифметичній і пропорцій­на логарифму інтенсивності звукових коливань. З метою порівняння інтенсивності звуку, що має різну гучність, використовують одиницю рівня гучності звуку, бел (Б). Висота звуку тим більша чим більша частота, коливань. Більшість  звуків  складається  з  багатьох  тонів, і шум  відрізняється  від  музикального.  тону    тим_, що складається з безладної суміші коливань різної частоти і гучності. Під час пострілів, вибухів, електричного розряду виникають звукові удари. На фронті такої звукової хвилі спостерігається різка зміна тиску, а також густи­ни і температури газу. Швидкість поширення звуковою удару може бути значно більшою, ніж швидкість звуку в даному середовищі. Ударні хвилі виникають також тоді, коли в атмосфері переміщується тверде тіло (на­приклад, літак) зі швидкістю, більшою за швидкість поширення звуку в повітрі. Якщо швидкості дуже ве­ликі, близькі до 10 км/с, значне збільшення темпера­тури на фронті звукового удару призводить до плавлен­ня, і навіть до переходу в газоподібний стан тіла, що рухається. Падіння метеоритів зі швидкістю кілька десятків кілометрів за секунду спричинюється до гою, що вже на висоті 150—200 км, навіть у дуже розрідже­ній атмосфері, більшість з них повністю випаро­вується.

Явище резонансу в акустиці.

Якщо частота звукових хвиль близька до частоти вільних коливань коливаль­ної системи, спостерігається акустичний резонанс. Яви­ще акустичного резонансу виникає в порожнистих тілах з отвором (трубах, колбах, деках), а також у струнах, мембранах). Його використовують для підсилення зву­ку. Призначені для цього пристрої називають акустичними резонаторами.

4. Ультразвук, інфразвук і їх властивості

Ультразвукові хвилі. Коливання, частота яких біль­ша за 2∙10⁴ Гц (ультразвукові коливання), людина не сприймає. Ультразвук широко застосовують у техніці. Ультразвукові коливання відіграють велику роль у житті багатьох тварин. Випромінюючи й уловлюючи ультразвукові хвилі, кажани, кити, дельфіни та деякі комахи добре орієнтуються в темряві, в каламутній воді_. Ультразвукові хвилі повільно затухають у рідинах, тому ультразвук застосовують у гідролокаторах (ехолотах),якими вимірюють глибину моря, виявляють косяки риб, підводні човни тощо. Ультразвук дає змогу виявити дефекти у металевих виробах.

Інфразвук, Коливання земної кори під час земле-частоту, меншу за 16 Гц. Поздовжні хвилі частотою коливань, нижчою від 16 Гц, називають інфразвуком. Коли у морі штормить, виникають й інфра­звукові хвилі, які поширюються на сотні кілометрів. Риби та морські тварини дуже чутливі до цих низькочастотних коливань і завдяки цьому заздалегідь відчувають наближення шторм.