ЭлементыЭлементы большой науки
Жизнь в науке. Дневники
Главная / Дневники / Людмила / Запись

ИЗ КНИГИ Р.ТЭЙЛОРА "ШУМ": "КОГДА ЗВУКОВАЯ...

sta124
01.06.2006
21:28
Из книги Р.Тэйлора "Шум": "Когда звуковая волна достигает конца трубы, она внезапно встречает бесконечный объем воздуха в неограниченном наружном пространстве. Ничтожный объем воздуха, который волна переместит из узкой трубы в наружное пространство, не в состоянии повысить давление снаружи и поэтому волна не сможет выйти наружу, а отразившись от открытого конца трубы побежит в обратную сторону".
Да, волна отразится, но объяснение отражения волны непонятно.
Ответить предыдущая | следующая

КОММЕНТАРИИ:

02.06.2006 15:14#
voix
Отражение звука в конце трубы
Действительно непонятно.

Может отражается не воздушная звуковая волна, а наведенный звук, который передается по трубе?
Было бы интересно сделать трубу из пенопласта и проверить, отражается ли звуковая волна в такой трубе.
02.06.2006 18:09#
sta124
Отражение звука в конце трубы
А если так: поскольку в трубу дуют и скорость воздушной струи высокая, следовательно, плотность воздуха в ней меньше плотности воздуха вне трубы, то что тогда?
02.06.2006 22:13#
voix
Отражение звука в конце трубы
Когда в трубу дуют, Бернулли получается. Снаружи плотность (давление) больше, и волна, разумеется, отразится от большей плотности.
Но при звуковой волне (импульсе) воздух в трубе не перемещается.

Можно представить, что звуковая волна перемещается и снаружи трубы, и внутри нее. Тогда труба будет перегородкой и звуковая волна ее просто не заметит, а, значит, и не отразится. Почему волна должна отразиться, когда она проходит только в трубе?
03.06.2006 14:58#
spark
Отражение от пустоты
На качественном уровне, ситуация аналогична цепочке одинаковых грузиков на одинаковых пружинках, по которой распространяется волна сжатия/разряжения. Волна -- это на редкость скоординированное явление. Движение каждого грузика в данный момент определяется тем, как на него давят спереди и сзади. До тех пор, пока волна идет по цепочке, скоординированное движение вех грузиков приводит к тому, что никаких волн назад не образуется. Но как только дошли до свободно болтающегося обрыва цепочки, волна отразится (от "грузиковой пустоты"!). Это связано с тем, чо последний грузик находится в отличных условиях, чем все остальные: его никто не подталкивает спереди.

Распространение звуковой волны по тонкой трубе аналогично. Движение элементика воздуха в данной точке внутри трубы полностью определяется давлением со стороны соседних элементиков впереди и сзади. Пока волна идет по трубе, все элементики колеблются так, что оплучается только бегущая вперед волна. Но как только дошли до границы, то "последний элементик" уже находится в особых условиях -- на него спереди (в наружном пространстве) ничто (сверх атмосферного давления) не давит, несмотря на его перемещения. Этот элементик нарушает синзронность колебаний, и это нарушение передается и вглубь трубы. Это и есть частично отраженная волна.
03.06.2006 16:57#
sta124
Отражение от пустоты
Тогда еще вопрос: если у начала трубы что-нибудь сказать не на выдохе (на выдохе мы струе воздуха сообщаем определенную скорость), а на вдохе (возгалас удивления, например), то отразится ли такая волна? Или все же играет роль неоднородность воздуха?
03.06.2006 17:45#
spark
Отражение от пустоты
Ключевую роль играет распространение звука, а не общий вдох или выдох вначале. Отражается от конца трубы именно звуковая волна. А вдох или выдох, во-первых, приведет к очень медленному по сравниению со звуком движению воздуха, а во-вторых для достаточно длинной трубы быстро остановится из-за турбулентности, вязкости и трения о стенки.
Общее движение воздушных масс (даже сильный ветер) вообще слабо влияет на распространении звуковых волн.
03.06.2006 18:00#
sta124
Отражение от пустоты
Да, на скорость звука скорость воздуха практически не сказывается, но плотность воздуха меняется в трубе в зависимости от скорости?
03.06.2006 18:13#
spark
Отражение от пустоты
Вы имеете в виду, меняется ли плотность воздуха в трубе от того, как именно сквозь неё прогоняют воздух, и зависит ли от этого описание эффекта отражения?

Плотность воздуха, может, и изменится (хотя это вовсе не обязательно, ибо однозначной связи со скоростью продувания нет), но на процесс отражения звука на том конце это практически не повлияет. Отражение волны вызывает сам факт резкого изменения условий, из-за чего граничный "элементик" уже неспособен колебаться в звуковой волне, так, как надо, и сбившись с ритма, от порождает сбой ритма и внутри трубы -- возникает отраженная волна.
03.06.2006 18:22#
sta124
Отражение от пустоты
Спасибо.
03.06.2006 20:21#
voix
Отражение от пустоты
Вроде как все понятно:

- одинаковые элементики :) воздуха на одинаковых пружинках внутри трубы и на более слабых пружинках снаружи. Более слабых снаружи, потому что в узкой трубе элементику тяжелее колебаться, чем снаружи. В трубе другим элементикам разойтись особенно некуда, только вперед и назад.

- природа пружинок элементиков воздуха отличается от природы пружинок элементиков твердого тела, трубы, например. Для элементиков твердого тела это молекулярное притяжение, для элементиков воздуха – давление атмосферы.

- так как пружинки снаружи слабее (совсем отсутствовать для воздуха, в отличие от твердого тела, они не могут), то отражение звуковой волны частичное.
04.06.2006 01:20#
sta124
Отражение от пустоты
Такой вариант - "на микроуровне" - по-моему, не решает проблему. Но кажется становится более понятным и объяснение Тейлора, только немного в ином свете. Если считать, что импульс воздуха в трубе должен быть передан наружному воздуху, то это ничтожное изменение можно сравнить с передачей импульса шариком, отскочившим от стены, не сдвинув ее с места -
это во-первых. Во-вторых, не отразиться же не может: ведь сжатый слой наружного воздуха, прилегающий к трубе, как пружина, "разожмется" в обе стороны - вперед пойдет волна в пространство, а назад как отраженная.
04.06.2006 12:53#
voix
Отражение от пустоты
Проще исходить из отражения импульса в твердом теле. Импульс будет передаваться между молекулами практически полностью, пока не дойдет до крайней молекулы. Ей дальше передавать импульс некуда, поэтому она просто отклонится, и вернувшись передаст свой импульс соседней молекуле, от которой его и получила. Импульс пойдет в обратном направлении, как бы отразившись.

Теперь, допустим, соединили вместе два тела и у крайней молекулы появилась соседка с другой стороны. Если тела из одного материала, то импульс просто пойдет дальше. Если второй материал менее упругий, то бывшая крайняя молекула не сможет передать ему весь свой импульс, остаток импульса она снова вернет своей "родной" соседке. Т.е. импульс снова отразится, только частично.

Так же и с воздухом в трубе и снаружи. Элементику воздуха в трубе колебаться труднее, чем снаружи, т.е. воздух в трубе и снаружи как бы состоит из разных материалов, в трубе из более упругого. Ведь пуле в стволе также труднее перемещаться, чем в открытом пространстве.
04.06.2006 16:56#
spark
Отражение от пустоты
природа пружинок элементиков воздуха отличается от природы пружинок элементиков твердого тела, трубы, например.

Это верно, но не принципиально. Главное, чтоб выпонялся обычный закон малых колебаний -- закон Гука: малые отклонения порождают возвращающую силу, пропорциональную величине отклонения. Это выполняется в обоих случаях. И именно из-за этого звуковые волны получаются в первом приближении линейными: распространяются независимо друг от друга.
05.06.2006 15:15#
levvyskubov
Аналогия с электромагнитными явлениями
Или наоборот, электромагнитные явления аналогичны акустическим :-)
Эти процессы очень подробно рассматриваются в теории длинных линий. Любая среда, передающая колебания (электрические, акустические и т.п.) характеризуется величиной, называемой волновым сопротивлением. Колебания распространяются без искажений в том случае, если нет перепадов волнового сопротивления. В том случае, когда есть перепад волнового сопротивления, всегда возникает отраженная волна, причем фаза отраженной волны в случае более высокого волнового сопротивления и более низкого отличается на 180 градусов. Если линия, по которой передаются колебания, имеет длину, кратную длине волны колебаний (с учетом поворота фазы при отражении), может возникать резонанс и эта линия может быть использована как резонатор. Естественно, акустическая волна также может отражаться как от участка с высоким волновым сопротивлением (конец трубы закрыт), так и от участка с малым волновым сопротивлением (конец трубы открыт). И тот и другой варианты используются в музыкальных инструментах. Закрытые трубки - в свирели Пана (или хотя бы - в пустой бутылке, если в нее подуть), открытые трубки - например, в органе, флейте и т.д.
Физические объяснения отражения акустической волны от открытого конца трубы, приведенные здесь, упрощены, но, в принципе, более-менее верны.
05.06.2006 21:27#
sta124
Аналогия с электромагнитными явлениями
Если оставить в стороне причину выбора такой модели (физику явления), то данная модель удобна и объяснение очень удачное, особенно при ответе на детский вопрос. Сопротивление разное - отражение есть, то есть принимаем как постулат, а дальше рассматриваем лишь следствия или подтверждения этому. Хорошо.
Тогда в продолжение Вашего ответа немного о флейте. Вот волна дошла до первого открытого отверстия, сопротивление стало другим и волна, частично отразившись, проходит дальше до конца трубы. Там опять частично отражается и частично проходит. Так получается? А частота звучания определяется участком до первого отверстия или все гораздо сложнее?
05.06.2006 22:13#
levvyskubov
Аналогия с электромагнитными явлениями
Вы абсолютно правы, но соотношение амплитуд отраженной волны и волны, прошедшей дальше, к концу флейты будет определяться геометрическими параметрами отверстия. То есть, при достаточно большом диаметре отверстия волновое сопротивление в этой точке будет достаточно низким, чтобы энергия отраженной волны была существенно выше, чем прошедшей. Естественно, что реальный физический процесс будет несколько сложнее, но резонансная частота будет определяться более мощной волной, при этом побочные частоты будут дополнительно подавляться.
Вести дневник и оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи
Логин:
Пароль:
Зарегистрироваться
Последние сообщения
Помощь
Всего дневников: 640

Пользователей
в системе: 2725

Всего записей
и комментариев: 48547

Записей и комментариев
за последние 24 часа: 19

АКТИВНЫЕ ДНЕВНИКИ


 
Энциклопедия | Новости | Блоги | Календарь | Право | Библиотека | Детские вопросы | ЖОБ При поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия