Unde sonore

Pentru examinarea procesului de apariţie şi de propagare a oscilaţiilor în aer, în fig. I.3 se prezintă un piston care vibrează într-un perete infinit. Presupunem că pistonul se mişcă spre dreapta, înpingînd particulele de aer din faţa lui, deci comprimînd aerul. Această compresie se va propaga cu o anumită viteză, din particulă în particulă. Să presupunem acum că pistonul se deplasează spre stînga. În faţa lui se va forma o regiune rarefiată a aerului, către care se vor îndrepta particulele de aer înconjurătoare. Deci, oscilaţiile pistonului provoacă în aer compresii şi rarefieri succesive care, propagîndu-se din aproape în aproape în mediul înconjurător, dau naştere unei unde sonore. Dacă pistonul are o mişcare periodică, presiunea în spaţiu se va modifica, astfel cum se arată în graficul din figură. Reprezentarea grafică a fost făcută considerînd numai variaţiile de presiune pe care se suprapun peste presiunea atmosferică P0. Micşorarea amplitudinii o dată cu depărtarea de sursă se datoreşte faptului că energia sonoră radiată de aceasta se împrăştie într-un spaţiu din ce în ce, mai mare.

Presiunea sonoră se măsoară în dyne/cm2 (în sistemul CGS) sau — ceea ce este acelaşi lucru — în microbari (µb). În general, presiunile sonore uzuale pot să varieze de ia o zecime de microbar pînă la zeci de microbari.

Energia cîmpului acustic poate fi caracterizată prin intensitatea sonoră, care este cantitatea de energie ce trece printr-o unitate de suprafaţă, aşezată în cîmp, perpendicular pe direcţia de propagare a sunetului. Intensitatea sonoră se poate măsura, fie în erg/s cm2 (în sistemul CGS), fie — mai uzual — în W/cm2 (1 W/cm2 = 10⁷ erg/s cm2).
Între presiunea sonoră efectivă p şi intensitatea sonoră fν există relaţia:

I = p2/ρ0c0, (1.1)

în care:

ρ0 este densitatea aerului (1,23 ∙ 10³ g/cm3);
c0 — viteza de propagare a sunetului în aer.

Produsul ρ0c0 se mai numeşte şi impedanţa specifică a aerului şi, în acest caz, relaţia (I.1) este similară cu relaţia din electrotehnică: P = U²/Z. De altfel, mărimile şi unităţile folosite în acustică au corespondenţă cu cele folosite în electrotehnică. Astfel, presiunea sonoră este analogă cu tensiunea electromotoare, impedanţa acustică — cu impedanţa electrică, viteza — cu curentul etc. Analogia este de cele mai multe ori formală, însă sînt şi cazuri cînd aceasta se bazează pe fenomene fizice identice.

Distanţa dintre două maxime sau două minime succesive ale undei sonore se numeşte lungime de undă şi se notează cu λ. Ea reprezintă distanţa parcursă de undă într-o perioadă T.

Se poate scrie deci relaţia:

λ = c0T, (1.2)

Deoarece perioada T este invers proporţională cu frecvenţa oscilaţiilor relaţia (I.2) devine:

λ = c0/f, (1.3)

sau

λf = c0, (1.4)

Din relaţia (1.4) se vede că produsul între lungimoa de undă şi frecvenţa oscilaţiilor este constant şi egal cu viteza sunetului.

Viteza sunetului variază în funcţie de temperatură şi de mediul în care se propagă oscilaţia. Astfel, în fier este de 5 000 m/s, în lemn de 3 300 m/s, în apă, de aproximativ 1450 m/s, în aer, de aproximativ 340 m/s.

Ca şi în cazul propagării undelor electromagnetice, şi în cazul propagării undelor acustice se întîlnesc fenomene de absorbţie, reflexie, difracţie etc. Astfel, dacă o undă acustică întîlneşte în calea ei un obstacol de dimensiuni mai mari decît lungimea ei de undă, ea suferă o reflexie o parte din energia incidentă înapoindu-se în primul mediu, si o transmisie, o parte din energia acustică incidentă transmitându-se în cel de-al doilea mediu (fig. 1.4).

Unda reflectată se suprapune peste unda incidentă şi prin interferenţa lor se formează undele staţionare.
Este interesant de remarcat, că suma energiilor undei transmise şi a celei reflectate nu este egală cu energia undei incidente, ci ceva mai mică. Aceasta, deoarece o parte din energia undei incidente se pierde datorită frecării straturilor de gaz de peretele solid.

Dacă unda acustică întîlneşte în calea ei un obstacol, ale cărui dimensiuni sînt de acelaşi ordin de mărime
sau mai mici decît lungimea de undă a sunetului, ea va ocoli acest obstacol. Fenomenul de schimbare a direcţiei de propagare a sunetului, ca urmare a trecerii acestuia în jurul unui obstacol se numeşte difracţie.