Электростатический преобразователь состоит из неподвижной и подвижной обкладок, находящихся на расстоянии d. При приложении к ним постоянного напряжения Uq н переменного напряжения частоты со подвижная обкладка начнет колебаться с той же частотой. Коэффициент электромеханической связи будет

K=UJ{(i>d). (10)

Для пьезоэлектрического преобразователя с изгибной деформацией, представляющего собой пластинку длиной / и толщиной Л, колеблющуюся при приложении к ней переменного напряжения частоты со, коэффициент электромехани-ческой связи булТет

где Ко - коэффициент пьезоэффекта.

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В СРЕДЕ

Рассмотрим процесс возникновения и распространения колебаний в воздушной среде.

Пусть имеется бесконечно большая жесткая стенка С, в которой .может передвигаться вправо и влево относительно своего положения равновесия поршень П (рис. 4). Пусть, например, в данный момент поршень идет вправо, толкая находящиеся перед ним частицы воздуха. Частицы, отклоняясь от своего положения равновесия, в свою очередь толкают частицы, находящиеся вправо от них, т. е. следующие за ними и т. д. Справа от поршня образуется сгущение воздуха или область с повышенным атмосферным давлением. Толчки от одной частицы воздуха к другой передаются все дальше от поршня, вследствие чего вправо от него распространяется сгущение. Пусть теперь поршень после того, как он достиг своего крайнего правого положения, начал передвигаться влево. Тогда перед ним образовывается разрежение воздуха, или область с пониженным атмосферным давлением. Поскольку у поверхности поршня создалась область разрежения, туда устремятся- примыкающие к ней частицы воздуха. На том месте, где они находились, в свою очередь образуется область разрежения, в которую устремятся другие, примыкающие к этой области, частицы воздуха. В результате вправо от поршня будет распространяться разрелсение. Таким образом, колебания поршня периодически вызывают во внешней среде (воздухе) возмущения в виде сгущения и разрежения, причем одному периоду колебаний (движение поршня вперед и назад) соответствует одно сгущение и одно разрежение.

Давление р, измеренное в какой-то определенной точке среды, окружающей поршень, изменяется в зависимости от времени по закону, подобному закону движения поршня. При колебательном движении поршня давление в рассматриваемой точке сначала нарастает, становясь больше атмосферного давления ро, а затем спадает до значения меньшего, чем атмосферное давление, и, наконец, опять увеличивается до значения ро.

Графически процесс изменения давления во времени в данной точке среды изображен иа рис. 5, который соответствует движению поршня, совершаемому по синусоидальному закону. Значение давления в каждый момент времени иа-

зывается его мгновенным значением. Давление в каждой данной точке можно представить в виде суммы двух составляющих: постоянной, равной атмосферному давлению, и накладывающейся на него переменной. Последняя обычно называется звуковым давлением. Период изменения давления Т равен периоду колебаний поршня. Амплитуда же звукового давления пропордиональна амплитуде колебаний поршня, Заметим, что на рис. 5 амплитуда звукового давления сильно преувеличена по сравнению со значением атмосферного давления из-за невозможности изобразить величины давлений в истинном соотношении, так как амплитуда звукового давления даже самых гро-мких звуков составляет меньше одной тысячной доли от величины ат.мосферного давления.

ДВишение поршня

РИС. 4. Образование звуковых воли в среде

РИС. 5. Зависимость давления в среде от времени

Звуковое давление, как и всякое давление, измеряется силой, действующей на единицу площади. Поэтому в акустике за единицу звукового давления принято такое давление, при котором на площадь в 1 м* действует сила, равная 1 Н. Эта единица звукового давления называется паскаль (Па), Паскаль является удобной единицей измерения, так как в большинстве случаев значения звукового давления из.меняются от сотых долей паскаля до нескольких его едн-виц. Звуковое давление при средней громкости разговора составляет доли Паскаля. Среднее атмосферное давление, соответствующее давлению ртутного столба высотой 760 мм, составляет приблизительно 10 Па.

Как и другие акустические величины, звуковое давление также измеряется в действующих значениях.

Состояние среды в рассматриваемой точке можно охарактеризовать ие только изменением давления в ней, но и скоростью частиц воздуха нли смещением их относительно положения равновесия. При синусоидальных колебаниях поршня кривые скорости илн смещения частиц в зависимости от времени имеют также синусоидальную форму.

На рис. 6 изображено изменение во времени скорости частиц, обычно называемой в акустике колебательной скоростью. Колебательная скорость х в разные моменты времени имеет разные значения и знаки. Таким образом, в звуковом поле каждая частица среды находится в определенной фазе колебаний.

Итак, колебания источника звука (например, поршня) вызывают в среде сгущения и разрежения. Область, в которой наблюдаются сгущения и разрежения, называется звуковым полем. Сгущения и разрежения распространяются в среде с определенной скоростью, называемой скоростью распространения звука.

Ее значение зависит от характера и состояния среды. Так, скорость звука в газовой среде:

(11)

где Ро - постоянное (атмосферное) давление; у - показатель адиабаты, т. е. отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости газа при постоянном объеме. Это отношение для воздуха равно 1,4; р - плотность воздуха, равная при 0°С и 760 мм рт. ст. 1,3 кг/м

РИС. 6. Зависимость колебательной скорости в среде от времени

РИС. 7. Зависимость звукового давления от расстояния до источника

Для воздуха при этих условиях скорость распространения звука равна 331 м/с, а при 20° С она повышается до 344 м/с.

Скорость звука никоим образом не следует смешивать с колебательной ско-рвстью частиц среды. Колебательная скорость частиц среды в зависимости от различных условий (например, от амплитуды, частоты колебаний источника звука) может иметь разные значения, при этом во много раз меньшие скорости распространения звука. Процессы колебаний частиц среды и распространения звука различны и по существу. В то время как звук при отсутствии препятствий может распространяться в среде сколь угодно далеко ог источника, частицы среды колеблются около своего положения равновесия и поступательного движения ие имеют.

Если одновременно измерить звуковое давление в различных точках прямой в направлении распространения звука, то с помощью полученных значений можно построить кривую зависимости звукового давления р от расстояния г. Пря синусоидальных колебаниях источника звука эта кривая имеет показанную иа рнс. 7 форму, также близкую к синусоиде. Правда, полученная кривая будет отличаться от идеальной синусоиды: последующие амплитуды ее уменьшаются по мере удаления от источника в результате того, что энергия звука распределяется иа все большую поверхность и поглощается в самой среде.

Каждой точке, расположенной иа кривой, соответствует своя фаза колебания. Однако можно указать некоторое число точек с равными фазами. Так, например, в точках oi, 02, oj имеет место максимум звукового давления. Одной н той же фазой характеризуются также колебания в точках 6i, 62, б%. Какое же расстояние разделяет точки с одинаковой фазой? Известно, что за один период источник звука посылает в среду одно сгущение и одно разрежение. Рассматривая рис. 7, видим, что отрезок oiOj или 612 равен отрезку eiSj, т. е. отрезку, в котором укладывается одно разрежение и одно сгущение. Так как сгущения