Интерференция звука

Неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, края соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (напр., звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе. Для двух точечных источников интерференционные полосы имеют форму гипербол (рис.), в фокусах которых расположены источники.

Для группы двух или более источников интерференционная картина вдали от места расположения группы оказывается различной по разным направлениям. Это явление лежит в основе направленного действия акустических антенн. При интерференции волн квадрат амплитуды а колебаний поля в данной точке вообще не равен сумме квадратов амплитуд складывающихся волн, напр, для двух волн с амплитудами А₁ и А₂,

Где φ — разность фаз между исходными волнами в рассматриваемой точке. Для интерферирующих волн, бегущих в близких направлениях, квадрат амплитуды поля пропорционален плотности энергии волн. Следовательно, при интерференции имеет место нарушение энергетического сложения волн: в разных точках интерференционной картины результирующая плотность энергии и интенсивность могут быть как больше, так и меньше суммы плотностей энергии или интенсивностей каждой из составляющих волн в отдельности. Таким образом, при интерференции звука происходит перераспределение акустической энергии волн в пространстве.

При интерференции гармонических волн с разными частотами интерференционная картина перемещается в пространство ввиду изменения разностей фаз с течением времени. При усреднении такой картины за большой промежуток времени интерференционная картина полностью смазывается, а среднее значение плотности энергии оказывается пропорциональным сумме квадратов амплитуд составляющих волн, то есть имеет место энергетическое сложение волн. Поэтому часто говорят, что волны разных частот не интерферируют. Если время усреднения мало по сравнению с временем перемещения интерференционной картины на одну полосу, то интерференция наблюдается, хотя и с меньшей резкостью.

Если усреднённая за большой промежуток времени интерференционная картина при суперпозиции негармоничных волн оказывается полностью стёртой, то волны называют некогерентными (напр., волны, создаваемые различными источниками случайных шумов). Но при наложении волн одного происхождения (напр., волна и её отражение) интерференция наблюдается даже для случайных шумов, хотя только в ограниченной области, причём энергетическое сложение здесь также нарушается. При сложении когерентных шумов интерференционная картина постепенно смазывается по мере удаления от места её наибольшей резкости (степень когерентности уменьшается и, иногда осциллируя, стремится к нулю по мере увеличения разности времён прихода интерферирующих волн).

Важный пример интерференции звука — поле монохроматического или близкого к монохроматическому звука, образующееся в ограниченном объёме (напр., в ванне для УЗ-вой очистки деталей). Излучённый в ванну звук со своими отражениями от стенок создаёт сложную интерференционную картину, что приводит к неравномерному воздействию УЗ в разных частях ванны. В этом случае для получения равномерности облучения следует применять модуляцию частоты или широкополосный сигнал, для которого степень когерентности прямого звука с его отражениями от стенок будет мала.

Представление об интерференции звука используют в теории дифракции звука, выражая дифрагированное поле в виде суперпозиции полей от вторичных источников. Интерференцию звука применяют для измерения длины волны звука (а следовательно, и скорости звука) при помощи звуковых интерферометров. Интерференция звука имеет место также и для сдвиговых волн в твёрдом теле, однако в этом случае интерферируют только волны с одинаковой поляризацией (одинаковым направлением смещения частиц).