Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Среди нескольких видов потерь энергии у струны есть, если можно так выразиться, полезные потери. Во всяком случае, эти потери, а точнее говоря, затраты энергии, полезны для настоящей струны, колебания которой дают звук.

Вы тронули гитарную струну. Она пришла в движение, увлекла за собой окружающий воздух, и во все стороны от колеблющейся струны пошли звуковые волны. В самых общих чертах процесс образования и распространения звуковых волн выглядит так.

Двигаясь, струна сжимает воздух впереди себя, создает повышенное давление. Разумеется, область с повышенным давлением не может оставаться изолированной. Давление передается соседним участкам, и от струны катится своеобразный вал сжатого воздуха.

Но струна не просто движется — она совершает колебания. Это значит, что через некоторое время струна пойдет в обратную сторону, и там, где только что происходило сжатие воздуха, начнется его разрежение. Пониженное давление также передается соседним участкам, и вслед за валом сжатия следует вал разрежения. Затем струна вновь меняет направление, и за разреженной областью появляется область сжатия, за ней опять разрежение и т. д., до тех пор пока струна колеблется. Бегущие одна за другой области сжатия и разрежения — это как раз и есть звуковые волны.

Звуковые волны чем-то напоминают волны на поверхности воды. Гребень морской волны можно сравнить с областью сжатого воздуха, впадину — с областью разрежения. В обоих случаях само вещество — воздух либо вода — не переносится вместе с волной, а лишь совершает колебание: поднимается — опускается, либо сжимается — разрежается.

У морских волн колебания происходят перпендикулярно направлению движения самой волны — волна движется горизонтально, а вода колеблется вверх-вниз. Такие волны называют поперечными. У звуковой волны колебания направлены вдоль линии распространения, проще говоря — вперед-назад. Поэтому звуковые волны называют продольными. Кстати, продольные волны могут распространяться в воде так же, как и в любой другой жидкости или твердом теле. При этом происходит ничтожное, измеряемое микронами и миллионными долями микрона, смещение вещества вперед-назад.

Вернемся к «учебной» струне, график колебаний которой приведен на рис. 1. Поместим на некотором расстоянии от струны манометр, который будет измерять давление воздуха, и будем записывать все результаты измерений (рис. 4).

Рис. 4. График изменения звукового давления как бы повторяет график колебаний струны. Запаздывание звука зависит от расстояния до звучащего тела (струна) и может быть подсчитано, исходя из того, что скорость звука в воздухе при 0° примерно равна 330 м/сек.

Мы вводим такой прибор, конечно, условно: для нас это как бы мысленный эксперимент. Но такие измерения все же можно сделать с помощью электронных приборов.

Отрегулируем манометр так, чтобы он показывал лишь отклонение давления воздуха от обычной величины. Это значит, что при нормальном атмосферном давлении прибор покажет нуль. Под действием звуковых волн стрелка манометра будет отклоняться то в одну, то в другую сторону, показывая то сжатие (+), то разрежение (—). График изменения звукового давления (часто его называют графиком звуковых колебаний) в точности повторяет график изменения скорости струны. Здесь, правда, нужно сделать оговорку. Все графики, приведенные на рис. 1 (отклонения, скорости, энергии), очень похожи, и поэтому график звука можно зачислить в «родственники» к любому из них. И все же мы будем считать, что звуковое давление следует за изменением скорости: чем быстрее движется струна, тем большее давление она создает.

Сравнивая графики колебаний струны и звуковых колебаний, сразу же введем уже знакомые нам основные характеристики, или, как принято говорить, параметры звука: период, частоту, фазу, мгновенное значение и амплитуду. Разумеется, все эти параметры теперь относятся к звуковым колебаниям, то есть к изменению давления воздуха. Что касается периода, частоты и фазы, то с этими параметрами дело обстоит довольно просто — они, как и прежде, измеряются в секундах, герцах, градусах. А вот амплитуда и мгновенные значения должны быть выражены в единицах давления.

Как известно, давление говорит о той силе, которая действует на определенную поверхность. Поэтому единица давления представляет собой единицу силы, или, что то же самое, единицу веса, отнесенную к единице площади. В новой международной системе единиц СИ давление измеряют в ньютонах на квадратный метр, или, сокращенно, н/м². Ньютон (н) в системе СИ — это величина силы (веса), которая примерно равна 92 г. Таким образом, если на стандартный лист фанеры площадью около 2 м² мы выльем стакан воды (вес около 200 г) и равномерно распределим эту воду по листу, то каждый его участок будет испытывать давление около 1 н/м².

Единицей звукового давления н/м² стали широко пользоваться сравнительно недавно, и в литературе прежних лет вы встретите другую единицу — бар (дин/см²), который в 10 раз меньше 1 н/м², то есть 1 н/м² = 10 бар; 1 бар = 0,1 н/м².

Если вы захотите сказать, насколько сильный звук действует в какой-либо точке пространства, то наверняка назовете величину звукового давления в этой точке. Но какую величину надо назвать? Мгновенное значение ни о чем не скажет, так как оно непрерывно меняется. Называть амплитуду тоже не совсем правильно — ведь амплитудное давление бывает сравнительно редко, всего два раза за период, а все остальное время звуковое давление значительно меньше.

Когда говорят о звуковом давлении, то обычно имеют в виду его так называемую эффективную величину. Она учитывает тот эффект, который производит звуковая волна в среднем за весь период, и поэтому эффективная величина всегда меньше амплитуды. Так, в частности, для звуковых колебаний, график которых показан на рис. 4, эффективное звуковое давление меньше амплитудного на 30 %. В дальнейшем, когда мы будем говорить о звуковом давлении, то всегда будем иметь в виду эффективное, или действующее, значение.

Если поместить на пути звуковой волны легкую пластинку, например листок бумаги, то волна заставит эту пластинку двигаться, совершать колебания. Как мы увидим дальше, такие вынужденные колебания тонких пластинок-мембран лежат в основе работы многих музыкальных инструментов, микрофонов, человеческого уха.

О способности звуковой волны выполнять работу, например раскачивать листок бумаги, можно судить по звуковому давлению. Однако чаще работоспособность волны характеризуют так называемой интенсивностью или силой звука. Величина эта показывает, какая звуковая мощность приходится на единицу поверхности, на которую падает волна звука.

В системе СИ единицей силы звука служит ватт на квадратный метр — вт/м². Раньше пользовались другой единицей: мощность относили к площади в квадратный сантиметр — 1 вт/см² = 10000 вт/м²; 1 вт/м² = 0,0001 вт/см².

Если бы марсианину, прилетевшему на Землю, сказали, что у нас единицей длины служит метр, а единицей времени — секунда, то он наверняка попросил бы, чтобы ему пояснили, много это или мало. Так и вы, по-видимому, тоже хотите знать, как выглядят и «чего стоят» применительно к звуковым волнам единицы н/м² и вт/м². В дальнейшем мы часто будем встречаться с этими единицами, а пока для их характеристики приведем лишь три примера.

Шорох листьев на расстоянии 1 м создает звуковое давление около 0,0001 н/м² (это в 10 тысяч раз меньше, чем давление стакана воды, распределенной по листу фанеры) и силу звука около 0,00000000001 (10^-11) вт/м². На шумной улице звук, конечно, намного громче. Звуковое давление здесь достигает 0,2 н/м², а сила звука 0,0001 вт/м². Наконец, мощный реактивный двигатель на расстоянии 5 м создает звуковое давление 20 н/м² и силу звука около 1 вт/м².