Текст книги "Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы"

Автор книги: Рудольф Сворень

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 16 страниц)

Сворень Рудольф Анатольевич
«Шаг за шагом.
Усилители и радиоузлы»

Глава I
ЗВУК

Звук – конечный продукт всех радиоаппаратов, о которых будет рассказано в этой книге. Радиоузел, усилитель низкой частоты, радиограммофон, приемник, магнитофон, радиола – все они предназначены для создания определенных звуковых колебаний, чаще всего для воспроизведения музыки. Все эти аппараты, так сказать, работают на одного потребителя – на человеческое ухо. И в конечном счете наш слух выставляет им главную оценку – за качество звучания.

Качество звучания звуковоспроизводящей аппаратуры зависит от многого: в частности, от выбранной схемы и конструкции, от того, как собран усилитель, как он налажен. И конечно, качество звука очень сильно зависит от подбора и расположения самих излучателей звуковых волн – громкоговорителей. Именно с них мы и начнем знакомство со звуковоспроизводящей аппаратурой. Для этого прежде всего нужно изучить продукцию, которую должен выпускать громкоговоритель, выяснить, что представляют собой звуки, которые он воспроизводит. Попутно мы коротко познакомимся с настоящими источниками звука – с некоторыми музыкальными инструментами. Не сможем мы обойтись и без знакомства с потребителем излучаемого звука – слуховым аппаратом (органом слуха) человека. Очень важно знать, как наше ухо воспринимает звуки, по каким признакам их различает, какие искажения и в какой степени фиксирует. Конечно, нужно нам поговорить и о самом звуке, о том, как возникают звуковые колебания, какими величинами характеризуются, чем похожи и чем отличаются звуки, полученные от различных источников, в чем проявляются искажения звука, как можно оценить степень этих искажений.

Именно с этих вопросов мы, пожалуй, и начнем.

Вы тронули гитарную струну…

Когда нужно найти лаконичное и четкое объяснение какого-либо слова, люди обычно обращаются к энциклопедическому словарю. Поступив подобным образом, мы сразу же запишем: «Звук – распространяющиеся в упругих средах – газах, жидкостях и твердых телах – механические колебания, воспринимаемые ухом». Оставим пока в стороне жидкости и твердые тела и посмотрим, что представляют собой звуковые колебания в газах, в частности в воздухе.

Источником звука могут быть различные колеблющиеся тела: например, хорошо известная струна. Вы тронули гитарную струну, и она пришла в движение. Струна вибрирует, быстро отклоняется то в одну, то в другую сторону от своего среднего положения, от положения покоя. Это один из примеров очень интересного вида движений, которые мы называем свободными колебаниями. Вам наверняка хорошо знакомы и другие примеры свободных колебаний, движений туда-обратно – колебания маятника, качелей, стальной линейки, зажатой в тиски.

Отчего же возникают колебательные движения? Попробуем разобраться в этом хотя бы в самых общих чертах.

Вы тронули гитарную струну и передали ей некоторую порцию энергии. Мы часто производим подобную передачу энергии, например, когда вращаем педали велосипеда, передвигаем по столу книгу или ударяем ногой по футбольному мячу. И всякий раз отданная нами энергия расходуется на какое-нибудь важное дело – на создание тепла, на борьбу с трением или сопротивлением воздуха. Одним словом, энергия сразу находит своего главного потребителя, который в основном ее и поглощает.

Иначе обстоит дело с натянутой струной. Здесь имеется сразу несколько главных потребителей энергии, причем два из них представляют для нас особый интерес – именно они заставляют струну совершать колебательные движения.

Когда мы оттягиваем струну, отводим ее от условной средней линии (рис. 1), то, естественно, затрачиваем на это какую-то энергию. Ее сразу же захватывает первый потребитель, чтобы превратить в так называемую упругую деформацию. Явление это связано с изменением внутренней структуры вещества, с его упругостью.

Рис. 1. В процессе свободных колебаний струны энергия упругой деформации переходит в кинетическую энергию, которая затем опять переходит в энергию упругой деформации, и т. д. При этом струна отклоняется то в одну, то в другую сторону и изменяется скорость движения струны.

Когда мы сгибаем (деформируем, то есть изменяем форму) стальную пружину или сжимаем (деформируем) резиновый мяч, то затрачиваем свою энергию именно на то, чтобы преодолеть силы внутренней упругости. Но затраченная энергия не уходит безвозвратно. Упругое тело, как только у него появится возможность, вернется в первоначальное состояние и почти полностью отдаст полученную энергию.

Лучше всего это видно на примере обычных часов. Заведенная пружина запасает определенную порцию энергии, а затем постепенно отдает ее, вращая многочисленные шестеренки часового механизма. Таким же образом ведет себя и упругая струна: она не потребляет, а лишь накапливает энергию и при первой возможности возвращает ее обратно. Возвращает, но кому?

Спортсмен, который обычно прыгает в длину на 7–8 м, едва перепрыгнет 3–4 м, если его лишить возможности предварительного разбега, заставить прыгать с места. Дело в том, что при разбеге спортсмен создает некоторый запас энергии, который в момент прыжка добавляет к силе своих мускулов.

Физика весьма точно определяет этот запас: это не что иное, как кинетическая энергия, которой обладает любое движущееся тело, в том числе и бегущий человек. Чем больше масса тела и скорость его движения, тем больше запас кинетической энергии. Это хорошо поймет тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться по инерции. Шоферы хорошо знают, что, чем больше скорость автомобиля и чем больше он нагружен, тем труднее его остановить.

Само собой разумеется, что во всех случаях кинетическая энергия не появляется сама собой. Ее накапливают с помощью мускулов, сожженного бензина, взорванного пороха, электрических сил, химических реакций, с помощью самых различных источников, способных работать, толкать, двигать, способных создавать скорость, а значит, и запасать кинетическую энергию.

Теперь можно назвать и второй потребитель энергии в колеблющейся струне. Это – движение. Энергия, которую вы передаете струне во время первого толчка, или какая-то часть ее должна быть затрачена на то, чтобы привести струну в движение, создать у нее некоторый запас кинетической энергии. Правда, запас этот струна долго в себе не хранит.

В процессе колебаний она очень часто останавливается: всякий раз, когда попадает в крайнее правое или крайнее левое положение и после этого начинает двигаться в обратную сторону. Остановка длится ничтожное, неуловимое мгновение, но это настоящая остановка, полная потеря скорости. О колеблющейся струне так и говорят: в крайних точках ее скорость равна нулю. А это означает, что, попав в крайнюю точку, струна полностью теряет свой запас кинетической энергии, точнее, полностью отдает его. Кому?

Мы с вами познакомились с двумя потребителями энергии, которые существуют в натянутой струне. Было отмечено, что ни один из этих потребителей полученную энергию вечно в себе не хранит. В обоих случаях мы сказали, что энергия куда-то передается, но не сказали, куда именно. Для того чтобы выяснить это, просмотрим (разумеется, условно) небольшой учебный кинофильм.

…В зале медленно гаснет свет. Звучит музыкальное вступление. На экране одна за другой появляются пляшущие буквы. Буквы постепенно вытягиваются в три ровные горизонтальные линии. Наконец, можно прочесть название фильма: «Свободные колебания струны». Буквы тускнеют, музыка стихает. Звучит голос диктора: «Замечательная техника современного кино позволяет показать колебания обычной струны, замедленные в несколько тысяч раз».

На экране героиня фильма – струна, натянутая вертикально между двумя массивными стойками. Струна неподвижна. Появляется рука с вытянутым указательным пальцем, который оттягивает струну в сторону. На том месте, где только что была струна, остается пунктирная прямая линия. Возле нее возникает надпись: «Положение покоя».

Голос диктора: «Натянув струну, мы затратили какую-то энергию».

Палец отпускает струну. Она начинает сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее возвращаться к своему первоначальному положению, а затем сливается с пунктирной линией.

Диктор объясняет: «Под действием сил упругости струна вернулась в положение покоя. Но она уже не может остановиться: почти вся энергия, которую вы передали струне, теперь превратилась в кинетическую энергию движения. Только потеряв этот подарок, струна сможет вновь обрести покой».

Проскочив пунктирную линию, струна продолжает двигаться дальше и вновь изгибается, но уже в противоположную сторону. Скорость струны уменьшается.

Голос диктора: «Сейчас струна, истратив свою кинетическую энергию, остановится. Но покой будет непродолжительным. Кинетическая энергия израсходована на то, чтобы вновь деформировать струну, изогнуть ее в противоположную сторону. Силы упругости вновь заставят струну двигаться, вновь искать потерянный покой».

Струна остановилась. И тут же начинается движение в обратную сторону. Весь цикл повторяется сначала: струна совершает колебания…

Не будем утомлять себя этим однообразным зрелищем.

Покинем кинозал и попробуем обсудить то, что мы увидели, сделать некоторые выводы и ввести определения, которые нам впоследствии пригодятся.

Для начала честно признаемся, что мы придумали не совсем удачное выражение: «потребитель энергии». Во всяком случае, первые два потребителя, с которыми мы встретились, – упругая деформация и движение струны, совсем не потребляют энергии, а лишь на время накапливают ее. Чтобы восстановить справедливость, в дальнейшем мы их будем называть не «потребители», а «накопители».

Оба накопителя тесно связаны друг с другом. Когда один из них отдает энергию, другой ее с жадностью поглощает, но лишь для того, чтобы через некоторое время вернуть обратно. Таким образом накопители непрерывно обмениваются той порцией энергии, которую один из них получит при первом толчке струны. В процессе этого обмена струна и совершает движения «туда и обратно», совершает колебания.

О том, как происходят колебания, может довольно подробно рассказать особый рисунок – график (рис. 1).

Его основа – две взаимно перпендикулярные линии, которые называют осями координат. Горизонтальная ось размечена в единицах времени: например, в секундах или в долях секунд. Ось времени очень напоминает циферблат секундомера или часов, вытянутый в прямую линию. «Нулевое время», то есть точка, которая находится в начале координатной оси, на нашем графике соответствует началу колебаний – моменту, когда была отпущена предварительно натянутая струна.

Вертикальная ось размечена в единицах длины. По ней мы будем отсчитывать отклонение струны (точнее, отклонение точки А) от пунктирной линии «положение покоя».

Так, например, если известно, что через 0,01 сек струна отклонилась на 0,8 мм, то на графике мы поставим точку в том месте, где пересекаются две линии. Одна из них поднимается от оси времени – от деления «0,01 сек», другая линия идет от оси отклонений – от деления «0,8 мм». Таким образом, каждая точка на графике стоит на перекрестке «двух дорог» и одновременно указывает две величины: время и соответствующее этому времени отклонение струны.

Чтобы по графику можно было понять, в какую сторону отклонилась струна, мы пойдем на небольшую хитрость: проведем две одинаковые вертикальные оси – одну вверх от оси времени, другую вниз. По верхней оси будем отмечать отклонения вправо, по нижней – влево. Понятия «вправо» и «влево» в данном случае, разумеется, чистая условность. Мы вводим их лишь для того, чтобы подчеркнуть – струна отклоняется то в одну, то в другую сторону от пунктирной линии, которая соответствует положению покоя. Очень часто вводят условные положительное (+) и отрицательное (—) направления. Независимо от названия важно понимать одно: точки, которые находятся кверху от оси времени, и точки, расположенные ниже этой оси, соответствуют двум различным направлениям отхода от условной пунктирной линии.

Если регулярно отмечать отклонение струны[1]1
  При быстрых колебаниях струны человек, разумеется, не успеет выполнить всех этих операций, но это не значит, что они вообще не выполнимы. Существуют электронные приборы, например, осциллографы, которые успевают «следить» за быстрыми процессами и строить их графики.


[Закрыть], то в итоге на графике появится большое число точек. Соединив их, мы получим кривую линию, которая подробно расскажет о ходе колебаний. Эту линию так и называют – «кривая» и говорят: «Кривая пошла вверх…», «Кривая падает…», «Кривая сложной формы…» А иногда вместо слова «кривая» говорят «график».

Можно построить график не только для отклонения струны, но и для ее скорости. Можно также построить графики, которые покажут, как в процессе колебаний изменяются запасы энергии в каждом из двух накопителей (рис. 1).

Сравнивая все эти графики, нетрудно заметить, что в момент наибольшего отклонения скорость струны равна нулю. В этот же момент равна нулю и кинетическая энергия, а энергия упругой деформации максимальна. И наоборот, скорость движения, а значит, и кинетическая энергия достигают максимальной величины, когда струна проходит пунктирную линию нулевого отклонения.

Введем несколько важных определений. Наибольшее значение какой-либо величины, меняющейся в процессе колебаний, называется амплитудой. По графикам можно определить амплитуду отклонения, скорости, энергии упругой деформации (потенциальная энергия) и кинетической энергии струны. Две последние величины почти равны, так как накопители почти полностью передают друг другу запасы энергии. Для чего нам пришлось ввести слово «почти», будет сказано несколько позже.

Время, в течение которого проходит полный цикл колебаний и струна возвращается в исходное (крайнее) положение, называется периодом. В нашем примере период составляет 0,1 сек.

Иногда весь период колебаний рассматривают по частям. Например, говорят о положительном и отрицательном полупериодах, имея в виду разные направления движения струны.

Заметим, что в течение одного периода каждая из переменных величин – отклонение, скорость, запасы энергии – дважды достигает амплитудного значения: во время положительного и отрицательного полупериодов.

Период характеризует скорость колебательного процесса: чем больше период, тем медленнее протекают колебания.

Однако для характеристики скорости чаще пользуются другой величиной– частотой. Частота – это число периодов, которое приходится на единицу времени. Единицей измерения длины служит метр, веса – килограмм, а единицей частоты – герц. Один герц (сокращенно гц) соответствует одному периоду за одну секунду. Так, например, в нашем примере период длится 0,1 сек, значит, на 1 сек приходится 10 периодов и частота равна 10 гц. При более быстрых колебаниях частота выше. Например, если период равен 0,01 сек, частота составляет 100 гц.

Период, а значит, и частота собственных колебаний струны зависят от скорости обмена энергией между ее накопителями. Чем быстрее происходит этот обмен, тем выше частота колебаний. Это правило можно проиллюстрировать многими наглядными примерами. Чем толще струна, тем больше ее масса, тем медленнее она набирает и снижает скорость, дольше накапливает и отдает кинетическую энергию. Именно поэтому у толстых струн частота собственных колебаний меньше, чем у тонких. Частота собственных колебаний зависит и от натяжения струны. Чем сильнее струна натянута, тем резче действуют силы упругости, тем быстрее проходит процесс обмена энергией и, следовательно, выше частота колебаний этой струны.

В заключение нужно еще ввести понятие о мгновенном значении и о фазе.

С первым термином дело обстоит довольно просто: сам смысл слов «мгновенное значение» указывает, что речь идет о значении какой-то величины в какой-то определенный момент времени. Так, в нашем примере (рис. 1) для момента 0,01 сек мгновенное значение отклонения равно 0,8 мм, а для момента 0,02 сек струна отклонена на 0,3 мм. Для моментов: 0,025 сек и 0,075 сек мгновенные значения скорости достигают амплитуды, а для моментов 0,05 сек и 0,1 сек скорость равна нулю.

Теперь поговорим о фазе. Допустим, что мы едем в поезде, который идет точно по расписанию. Если следить за временем, то можно подсчитать, сколько километров мы уже проехали, отметить на карте то место, где в данный момент движется поезд, или, иными словами, определить мгновенное значение пройденного пути.

Но можно решить и обратную задачу: пользуясь расписанием, можно по названиям станций безошибочно отсчитывать время. Тот момент времени, когда поезд проходит мимо какой-либо станции, мы будем называть фазой этой станции. В своем блокноте вы сможете составить таблицу такого типа: станция I – фаза 14 час 25 мин, станция II – фаза 15 час 10 мин, станция III – фаза 16 час и т. д.

Рассматривая колебания струны для каждого мгновенного значения той или иной переменной величины (отклонение, скорость, энергия), можно указать соответствующий этому значению момент времени. Так, в частности, отклонение влево на 0,8 мм наступит в момент 0,01 сек, а такое же отклонение вправо – в момент 0,04 сек. Положительная амплитуда скорости наступает в момент 0,025 сек, а отрицательная – в момент 0,075 сек.

Каждый такой момент времени и есть фаза для данного мгновенного значения скорости или отклонения. Иными словами, фаза амплитуды отклонения вправо – 0 и 0,1 сек, влево– 0,05 сек, амплитудной скорости 0,025 сек и 0,075 сек и т. д.

В дальнейшем мы часто будем говорить о фазе, но измерять ее будем не в секундах, а в градусах. Нет, это не ошибка, именно в градусах принято указывать фазу для всех мгновенных значений и для всех величин, изменяющихся в процессе колебаний. В данном случае градусы – это совсем не те единицы, которые служат для измерения температуры. Для измерения фазы служит совсем другой градус (в переводе на русский язык это слово означает «шаг», «ступень»). Весь период разбивают на 360 равных частей, и каждую такую часть называют градусом. Иными словами, градус – это время, соответствующее 1/360 части периода. Теперь мы можем сказать, что фаза положительной амплитуды скорости равна 90°, отрицательной амплитуды – 270°, фазы нулевой скорости – 0°, 180° и 360°. Точно так же в градусах можно указать фазу для любого мгновенного значения на графиках отклонения кинетической энергии и энергии упругой деформации (рис. 2).

Рис. 2. Весь период, независимо от частоты колебаний, принято делить на 360 условных единиц времени – градусов. Половина периода делится на 180°, четверть периода – на 90° и т. д.

Вы, дорогой читатель, наверняка недовольны. Для чего вместо удобных и привычных единиц времени – секунд – вводить какие-то градусы? Да и зачем вообще нужно вводить понятие о фазе колебаний? На каждый из этих вопросов можно подготовить весьма обстоятельные ответы, высказать много «за», дать целый ряд пояснений. Но мы ограничимся только двумя пояснениями – по одному на каждый вопрос.

Первое. Наш поезд идет по кругу – все движения струны регулярно повторяются, период следует за периодом, переменные величины проходят одни и те же значения. Как правило, не нужно, а часто и невозможно следить за всем ходом колебаний, за всеми периодами. Достаточно выбрать один типичный период и познакомиться с ним. Ну, а для такого типичного периода уже неважно, когда он начался, когда кончился, и фазу удобно отсчитывать в долях целого периода, в градусах.

Второе. На практике нам обычно приходится иметь дело сразу с большим числом колебаний и очень часто необходимо знать, как они взаимодействуют друг с другом. Отвлечемся на время от нашей излюбленной струны и обратимся к графикам на рис. 3. На каждой паре этих графиков одновременно показан ход колебаний двух одинаковых маятников.

Рис. З. При наблюдении колебания двух маятников (струн, качелей и т. п.) может оказаться полезным оценить сдвиг фаз этих колебаний.

В первом случае маятники двигаются с одинаковыми фазами, как принято говорить, синфазно: амплитудные отклонения в обе стороны происходят в один и тот же момент времени.

На второй паре графиков показан случай сравнительно небольшого сдвига (небольшой разницы) фаз. Фаза второго маятника запаздывает на 1/8 часть периода, то есть на 45°.

И, наконец, на третьей паре графиков показан весьма распространенный случай противофазных колебаний. Фазы сдвинуты на 1/2 периода – положительная амплитуда второго маятника запаздывает по отношению к первому на 180°.

В любой момент времени оба маятника двигаются с одинаковой скоростью, но в противоположные стороны. Кстати, когда говорят о сдвиге фаз, то слова «запаздывает» и «опережает» имеют весьма относительный смысл. Так, например, сказать «запаздывает на 90°» – это то же самое, что сказать «опережает на 270°».

Приведенный пример колебаний двух маятников может иметь лишь чисто учебное значение, если они никак не связаны друг с другом. В этом случае можно не обращать внимания на существующие сдвиги фаз. А теперь представьте себе случай, когда оба маятника выполняют общую работу: например, совместно регулируют ход одних часов. Вот здесь-то фазовые сдвиги уже играют решающую роль. В первом случае маятники действуют согласованно. Во втором это согласование несколько нарушается. Ну, а в третьем случае маятники действуют друг против друга, и результаты их совместного труда равны нулю. Это лишь один из многочисленных примеров, показывающих, какую важную роль могут играть фазовые соотношения.

После двух частных пояснений хочется сделать еще одно – общее.

Все затраты времени на знакомство с колебаниями гитарной струны имеют весьма далекий прицел. Различные виды механических и электрических колебаний будут встречаться на протяжении всей книги, и всякий раз мы будем пользоваться уже знакомыми терминами, понятиями, характеристиками, такими, как «период», «амплитуда», «обмен энергией», «частота», «сдвиг фаз», и другими. Поэтому то, чем мы сейчас занимаемся, можно рассматривать как закладку фундамента, на котором предстоит построить целый архитектурный ансамбль с довольно солидными корпусами «Электроакустики», «Усилителей» и «Радиоузлов».

Мы уже рассмотрели все основные процессы, связанные с колебаниями струны, ввели их основные характеристики. Теперь остается выполнить данное обещание – пояснить, для чего раньше, рассказывая о том, что накопители полностью передают друг другу свои энергетические запасы, мы вынуждены были осторожно вставить слово «почти». За пояснениями придется еще раз отправиться в кинозал.

Звучит голос диктора:

«Струну заставляет двигаться энергия упругой деформации..»

«…она уже не может остановиться».

«Кинетическая энергия израсходована на то, чтобы вновь деформировать струну…»

«Струну заставляет двигаться энергия упругой деформации…»

На экране мелькают знакомые кадры, струна двигается туда и обратно точно так же, как и в момент возникновения колебаний. И все же что-то в ее движении изменилось, колебания проходят «так да не так». Внимательно присматриваемся… Ну что ж, кажется, ясно – за время нашего отсутствия заметно уменьшилась амплитуда колебаний. Теперь струна медленнее проходит мимо линии покоя, меньше отклоняется от нее. Колебания постепенно затухают. Это естественно – мы знаем, что ни одна струна не звучит вечно. Причину затуханий можно определить одним словом – «потери».

Всякий раз при перекачивании энергии из одного накопителя в другой какая-то ее часть теряется. Теряется на то, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, преодолеть внутреннее трение в самой струне. Отобранная таким образом у струны энергия в итоге превращается в тепло, которое, как в бездонную бочку, уходит в просторы воздушного океана. При этом энергетические запасы струны постепенно уменьшаются, уменьшаются амплитуда скорости и амплитуда отклонения, колебания постепенно затухают.

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.

Звук на анализе

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.