Самозатухание  акустических волн.

Сенин Ю.П.

Показано:

- Звуком является распространение в звуконосной среде волнообразно изменяющихся неравновесных состояний структурных элементов этой среды.

- Рассмотрена зависимость степени затухания звука от длины волны.

              Ключевые слова: звук, волна, затухание звука, осциллятор, длина волны,

             скорость звука, частота, теплота, амплитуда.  

   Проведём мысленный эксперимент.

Осциллятор звука находится в газовой среде и совершает  гармонические колебания  вдоль прямой нормальной плоскости осциллятора. На этой  прямой расположен приёмник звука.   Параметры колебаний осциллятора:  A – амплитуда колебаний. f – частота колебаний. T – период колебаний.

     Возможны три состояния движения осциллятора.

1. Осциллятор покоится.

В этом случае молекулы воздуха (или любого газа), вследствие тепловых движений ударяются в плоскость осциллятора и отражаются от него. При этом скорость движения отражённых молекул при отражении не изменяется по модулю.

2. Осциллятор движется по направлению от  приёмника.

В этом случае отражённые молекулы теряют часть тепловой скорости, равную скорости осциллятора в момент отражения. Следовательно, в полупериод звуковой волны, соответствующий этому движению, отражённые молекулы движутся в сторону приёмника со скоростью меньше, чем  скорость звука в данной среде.

3. Осциллятор движется по направлению к  приёмнику.

В этом случае отражённые молекулы приобретают дополнительную скорость, равную скорости движения осциллятора в момент отражения. В этот полупериод отражённые молекулы движутся в направлении приёмника со скоростью, которая больше скорости звука.

Из этого следует:

  - Молекулы в звуковой волне не совершают колебательных движений, так как скорость звука много больше скорости осциллятора. Поэтому передача импульса движения структурными элементами звуковой волны происходит в одном направлении.

   - Колебательные движения осциллятора  модулируют тепловые движения отражённых осциллятором молекул. Вследствие модуляции возникает частично организованное движение структурных элементов газовой среды, как волна изменения  скорости передачи импульса движения.

- В одной полуволне скорости структурных элементов среды меньше скорости звука, а в другой полуволне – больше скорости звука.

- Следовательно, осциллятор создаёт в среде неравновесные состояния структурных элементов этой среды.

- Эти неравновесные состояния, по мере движения волны, смещаются  к центру волны. Такое смещение происходит при расположении полуволны с большей скоростью за полуволной с меньшей скоростью.

- Вследствие этого смещения длина звуковой волны будет уменьшаться вплоть до полного исчезновения.

Определим расстояние проходимое волной от момента возникновения до момента исчезновения.

Для этого воспользуемся соответствием параметров звуковой волны с параметрами колебательного движения осциллятора. Однозначное соответствие существует для частоты и, следовательно, для периода, а также для амплитуды колебаний  осциллятора, которой соответствует экстремальная  величина изменения скорости звука.

Имеем:

1.  L = C * t = C * l / 2v = C * l / 8A / T = C * l /8A * f  =  l ² / 8A

Где: L – расстояние проходимое волной до полного гашения.

C –  скорость звука.

t – время  демодуляции.

                l – длина волны.

v– средняя скорость демодуляции.

 T – период колебаний осциллятора.

f – частота колебаний осциллятора.

A – амплитуда колебаний осциллятора.

Пояснения к выводу формул.

- Время демодуляции характеризует длительность  процесса перехода неравновесных состояний структурных элементов среды в равновесное состояние.

- Средняя скорость демодуляции отражает быстроту исчезновения неравновесных состояний. Эта скорость равна средней скорости колебательных движений осциллятора.

Выводы.

- Звуковая волна это: распространяющиеся в среде неравновесные состояния структурных элементов звуконосной среды.

- Для газовой среды неравновесным состоянием будет отклонение скоростей тепловых движений структурных элементов этой среды от средней скорости  теплового движения этих элементов, то есть, от скорости звука в этой среде

- Можно утверждать, что звук есть частично преобразованное тепловое движение структурных элементов звуконосной среды. При этом тепловое равновесие среды, как целого, не нарушается, так как неравновесные состояния локальны, разнесены в пространстве, равны по модулю и противоположны по знаку.

- Тепловая природа звука предполагает, что помимо рассмотренной зависимости гашения звука от длины волны существует тепловая диссипация   звука.

- Тепловые движения называют как хаотические, но правильнее их называть всенаправленными. Именно всенаправленность  тепловых движений является механизмом диссипации неравновесных состояний. Это тот волшебник, который всегда стремится вернуть термодинамическую систему в равновесное состояние.

- Физическая величина, называемая состоянием, является фундаментальной и содержит в себе и скорость, и импульс и энергию, и т.д.

О частице и волне.

Частицей в физике нужно считать единичное структурное образование атомных, или меньших размеров.

Волной нужно считать неравновесные состояния множества структурных элементов какой либо среды,  изменяющееся по определённому закону и транслируемые средой.

Как мы слышим звуки.

- При отсутствии звуковой волны на барабанную перепонку с каждой стороны падают и отражаются от неё множество молекул окружающего воздуха. Такое воздействие воспринимается перепонкой как давление. Когда давление на каждую из сторон перепонки одинокое, она остаётся в покое и мы ничего не слышим.

- Звуковая полуволна, неравновесное состояние структурных элементов  которой больше равновесного, динамическим воздействием своих структурных элементов прогибает перепонку внутрь уха.

- Давление структурных элементов полуволны с неравновесным состоянием меньшим равновесного будет меньше равновесного давления и, следовательно, перепонка прогнётся в другую сторону.

- Эти движения барабанной перепонки передаются органами внутреннего уха к нервным окончаниям и мы слышим звук.

15.04.14. – 20.01.17.