В различных газах скорость звука имеет разное зна­чение. Ниже приведены значения для скорости звука в не­которых газах при температуре 0°С.

Воздух 331,5 м/сек Углекислота 261 м/сек

Водород 1265 м/сек Кислород 316 м/сек

Ослабление звука с расстоянием

Ослабление звука для сферических волн. Мы хорошо знаем, что при удалении от источника звук постепенно замирает и, наконец, совсем перестает быть слышным. Почему происходит ослабление звука с расстоянием? К этому явлению приводит ряд причин, и одна из них за­ключается в следующем. Обычно звуковые волны распро­страняются от источника в виде шаровой или вообще рас­ходящейся волны. Шаровая, или сферическая звуковая волна со временем заполняет все больший объем; движения частиц воздуха, вызванные источником звука, передаются все увеличивающейся массе воздуха. Поэтому с увеличением расстояния движение частиц воздуха все более ослабевает. Как же происходит это ослабление в зависимости от рас­стояния от источника?

Следующее простое рассуждение позволяет ответить на этот вопрос. Окружим источник Q сферой радиуса R - поверх­ность этой сферы имеет величину . Если сила звука источника равна I0, и со временем она не изменяется, то через эту поверхность будет проходить столько же звуковой энергии, сколько ее испускает источник, т. е.

где , — сила звука на единицу поверхности (1 см2) сферы S. Таким образом,

,

т.е. интенсивность сферической звуковой волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источ­ника. Поэтому для передачи звука на значительные рас­стояния желательно концентрировать его в заданном на­правлении; чтобы нас было лучше слышно, мы приклады­ваем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Поглощение звука. Влияние вязкости и теплопроводно­сти среды. Ослабление силы звука при увеличении рас­стояния от источника происходит, однако, не только бла­годаря распределению энергии в большем объеме из-за «геометрических» причин. Звуковые полны постепенно теряют свою энергию благодаря их поглощению. Если звуковая волна движется в неограниченной среде, то поглощение обусловлено прежде всего вязкостью воз­духа, или, иначе, действием внутреннего трения, испыты­ваемого частицами воздуха при их движении, вызываемом прохождением волны; при этом часть энергии звука пре­вращается в тепло.

Опытом установлено, что поглощение в большой степени зависит от частоты звука. Можно также теоретически пока­зать, что потери энергии звуковой волны обратно пропор­циональны квадрату длины волны и, следовательно, прямо пропорциональны квадрату частоты звука. Звук частоты 10 000 гц испытывает поглощение, в 100 раз большее, чем звук частоты 1000 гц, и в 10 000 раз большее, чем звук час­тоты 100 гц. Этим, например, объясняется тот факт, что, стоя рядом со стреляющим орудием, мы слышим резкий звук, тогда как вдали от орудия звук выстрела кажется более мягким. Забегая несколько вперед, укажем, что звук выстрела, как и всякий короткий звуковой импульс представляет собой целый набор звуковых частот, начиная от низких инфразвуковых и кончая частотами в несколько тысяч герц. Именно высокие частоты, присутствующие в звуке выстрела, делают его резким. Но звуки высоких частот значительно сильнее поглощаются в воздухе, чем звуки низких частот, и если мы находимся вдалеке от ору­дия, практически до нас не доходят.

Поглощение звука зависит не только от вязкости воз­духа, но и от его теплопроводности. Напомним прежде всего, что такое теплопроводность.

Если различные части тела, например металлического стержня, имеют разную температуру, то тепло переходит от более горячих частей тела к более холодным. Такой пере­нос тепла называется теплопроводностью[2].

Для того чтобы объяснить, как может влиять теплопро­водность на поглощение звука, рассмотрим вертикальный цилиндр с находящимся в нем газом. В цилиндре ходит без трения хорошо пригнанный поршень. Положим на поршень небольшой груз; при этом произойдет сжатие газа. Это сжа­тие будет происходить с какой-то конечной скоростью. Бла­годаря тому что давление в газе распространяется не мгно­венно, давление непосредственно под поршнем будет выше, чем в остальном, газе. Так как при сжатии газ нагревается, температура газа непосредственно под поршнем будет выше, чем в остальном газе. Возникает разность температур газа в цилиндре и в окружающей среде, и часть тепла через теплопроводящие стенки цилиндра отводится в окружающую среду. Кроме того, при быстром сжатии газа часть работы затрачивается на преодоление внутреннего трения (вяз­кости) в газе. При бесконечно медленном сжатии указанные процессы не происходят и работа совершается без потерь. Поэтому сжатие газа с конечной скоростью требует большей работы, чем бесконечно медленное сжатие. Теперь снимем с поршня груз; произойдет расширение газа с конечной скоростью. Давление газа на поршень и температура его непосредственно под поршнем будут ниже, чем в остальном газе, и меньше, чем при бесконечно медленном расширении. Поэтому по сравнению с бесконечно медленным расшире­нием газ совершит меньшее количество работы.

Отсюда следует, что сжатие и расширение газа, происхо­дящие с конечной скоростью, представляют собой необрати­мые процессы, сопровождающиеся потерей энергии, так как работа, которую следует приложить к системе (поршню и находящемуся под ним газу) для сжатия до какого-то опре­деленного объема, будет больше, чем работа, полученная от системы при расширении до этого же объема. Благодаря теплообмену между стенками цилиндра и окружающей сре­дой при сжатии газа с конечной скоростью в окружающую среду выходит большее количество тепла, чем приходит тепла в систему при ее расширении.

Если заставить поршень совершать в цилиндре коле­бания, указанные потери приведут к тому, что на поддер­жание незатухающих колебаний потребуется определенный расход энергии; в противном случае колебания затухнут.

При распространении звуковых волн соседние слои воздуха (или жидкости, твердого тела) сжимаются и расши­ряются с конечной скоростью. Появляющаяся разность температур между слоями сжатия и разрежения вызывает благодаря теплопроводности теплообмен и выравнивание температуры. Так как при сжатии элемента объема в окру­жающую среду входит больше теплоты, чем возвращается к нему от среды при его расширении, происходит нагрева­ние среды, т. е., другими словами, потеря энергии звуковых волн, идущая на увеличение средней температуры воздуха (среды), — поглощение энергии звуко­вых волн.

Мы говорили выше, что процесс распространения звука является адиабатическим, т. е. что разность температур между слоями сжатия и разрежения не успевает выравни­ваться за полупериод звуковой волны. Но это значит, что при чисто адиабатическом процессе никакого поглощения звука за счет теплообмена происходить не должно. Так и было бы в действительности, если бы не теплопровод­ность. Теплопроводность нарушает адиабатический харак­тер распространения звука и приводит к дополнительному поглощению энергии звука за счет теплообмена.