энергия звуковой волны и сила звука

Молекулы воздуха все время находятся в тепловом движении. Если в воздухе распространяется звуковая волна, то каждый слой, перпендикулярный к направлению распространения этой волны, подвергается попеременно сжатию и разрежению. Частицы воздуха, помимо теплового движения, приобретают дополнительное колебательное движение. Это движение происходит в направлении распространения звуковой волны, поэтому звуковую волну называют продольной. Звуковые волны несут с собой энергию, которую сообщает им источник звука.

Чтобы уяснить процесс распространения энергии, движущейся со скоростью звуковой волны, нужно обратить внимание на особенность колебания многих частиц, между которыми существуют силы взаимодействия.

Однако прежде обратимся к простейшему случаю: рассмотрим колебание математического маятника. В крайних положениях скорость движения маятника равна нулю; наибольшего значения она достигает в тот момент, когда маятник проходит положение равновесия. Это означает, что в крайних положениях кинетическая энергия обращается в нуль, а в положении равновесия она достигает наибольшего значения.

Кинетическая энергия маятника расходуются на изменение его положения относительно поверхности Земли, т.е. на увеличение потенциальной энергии. Общий запас энергии остается неизменным, если, разумеется, устранено трение.

Когда происходит колебание упругой среды, например воздуха, где много частиц, наблюдается иная картина.

В слое, где происходит сжатие воздуха (вследствие чего увеличивается давление), возрастает не только кинетическая энергия частичек воздуха, о чем свидетельствует повышение температуры, но и их потенциальная энергия.

Не означает ли это, что в данном случае нарушается закон сохранения энергии?

Нет! Такого явления природа не знает.Просто в тот момент времени, когда в одном слое воздуха кинетическая и потенциальная энергия частичек возрастает, в близлежащем слое оба вида энергии соответственно убывают.

Таким образом, энергия, которую сообщает частичкам излучатель, передается от слоя к слою по направлению распространения волны. Этот процесс перетекания энергии от источника в окружающую среду длится в течении всего времени колебания тела.

Русский ученый Н.А. Умов вычислил величину кинетической энергии, протекающей за одну секунду через один квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Эту величину называют потоком энергии. Величина потока энергии служит мерой интенсивности звука, или, как говорят, мерой силы звука. Измеряется она в ваттах на кв. см.

Сила звука пропорциональна квадрату звукового давления, т.е. квадрату величины давления, избыточного над атмосферным, которое образуется вследствие сжатия слоя.

Поток энергии звуковой волны человеческого голоса очень мал.Представим себе, что одновременно говорят сто тысяч человек.Энергия звуковых волн их голосов, если превратить ее в электрическую, настолько мала, что ею с трудом можно было бы зажечь лампочку карманного электрического фонарика. Мощность одновременного разговора всех людей на земном шаре едва ли больше мощности автомобиля "москвич".

Мы знаем, что звук распространяется во все стороны, поэтому величина потока энергии по мере удаления от источника проходит через поверхность шара все увеличивающегося радиуса. Энергия, протекающая через единицу поверхности, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния данной точки от источника.

Таким образом, с увеличением расстояния от источника звука величина потока энергии становится все меньше, а звук - все слабее. Это обстоятельство заставило человека создать устройства,которые позволяют направлять поток звуковой энергии в одном определенном направлении.

Если, например, мы хотим кого-либо окликнуть на большом от нас расстоянии, мы обычно подносим ко рту ладони, направляя тем самым весь поток звуковой энергии в нужную нам сторону.

По этому же принципу устроен рупор. Рупор создает направленную звуковую волну, поток энергии которой не рассеивается в окружающем пространстве, а концентрируется в одном пучке. Кроме того, рупор увеличивает звучащую поверхность, а чем она больше, тем больше энергии отдает окружающей среде звучащее тело.Это свойство используется и в музыкальных инструментах ( дека рояля, корпус скрипки, раструбы у духовых инструментов).

Рупор, как описывают историки походов греческого полководца Александра Македонского, помогал ему командовать войсками во время сражений.В грохоту боя было трудно разобрать слова команды, но, если отдавать ее через рупор, она становилась хорошо слышимой на больших расстояниях.