Молекулы (Китайгородский, Ландау) - страница 96
Рис. 6.13
Направляя звук не вниз, а вперед или в стороны, можно при его помощи определить, нет ли около корабля опасных подводных скал или глубоко погруженных в воду айсбергов. Все частицы воздуха, окружающего звучащее тело, находятся в состоянии колебания. Как мы выяснили в книге 1, колеблющаяся по закону синуса материальная точка обладает определенной и неизменной полной энергией.
Когда колеблющаяся точка проходит положение равновесия, скорость ее максимальна. Так как смещенные точки в это мгновение равняется нулю, то вся энергия сводится к кинетической:
Следовательно, полная энергия пропорциональна квадрату амплитудного значения скорости колебания.
Это верно и для частиц воздуха, колеблющихся в звуковой волне. Однако частица воздуха - это нечто неопределенное. Поэтому энергию звука относят к единице объема. Эту величину можно назвать плотностью звуковой энергии.
Так как масса единицы объема есть плотность ρ, то плотность звуковой энергии
Мы говорили выше еще об одной важной физической величине, совершающей колебания по закону синуса с той же частотой, что и скорость. Это - звуковое или избыточное давление. Так как эти величины пропорциональны, то можно сказать, что плотность энергии пропорциональна квадрату амплитудного значения звукового давления.
Амплитуда скорости звукового колебания при громком разговоре равняется 0,02 >см/>с. 1 см>3 воздуха весит около 0,001 г. Таким образом, плотность энергии равняется
1/2 *10-3 * (0,02)2 эрг/см3 = 2*10-7 эрг/см3.
Пусть колеблется источник звука. Он изучает звуковую энергию в окружающий воздух. Энергия как бы "течет" от звучащего тела. Через каждую площадку, расположенную перпендикулярно к линии распространения звука, за секунду протекает определенное количество энергии. Эта величина называется потоком энергии, прошедшим через площадку. Если, кроме того, взята площадка в 1 см>2, то протекшее количество энергии называют интенсивностью звуковой волны.
Нетрудно видеть, что интенсивность звука I равна произведению плотности энергии w на скорость звука с. Представим цилиндрик высотой 1 см и площадью основания 1 см>2, образующие которого параллельны направленно распространения звука. Содержащаяся внутри такого цилиндра энергия w будет полностью покидать его через время >1/>с. Таким образом, через единицу площади за единицу времени пройдет энергия >w/>(>1>/c), т. е. wc. Энергия как бы сама движется со скоростью звука.
При громком разговоре интенсивность звука вблизи собеседников будет примерно равна (мы воспользуемся числом, полученным выше)
2*10-7*3*104 = 0,006 эрг/(см2*с).