Ця симуляція показує, як звук поширюється в матерії у вигляді поздовжніх коливань тиску. Джерело випромінює фронти хвиль, що розширюються назовні (або просуваються як плоска хвиля) та досягають межі розділу двох середовищ. На межі частина хвилі відбивається назад, а частина передається в нове середовище. Падаючі фронти показано синім, відбиті — пунктирними помаранчевими дугами, а передані — кольором, характерним для другого середовища. Накладений фон відображає поля стиску (синій) та розрідження (темно-червоний) у реальному часі з піксельною точністю.
Швидкість звуку кардинально відрізняється в різних середовищах: близько 343 м/с у повітрі, 1480 м/с у воді і 5960 м/с у сталі. Симуляція моделює це, розтягуючи передані фронти пропорційно до коефіцієнта швидкості кожного середовища. Увімкнення поглинання спричиняє експоненціальне згасання амплітуди в глибині середовища — так само, як реальна втрата енергії на тепло. Перемикання між точковим і плоским джерелом демонструє, як геометрія фронтів впливає на відбиття та заломлення на межі розділу.
Що таке поширення звукових хвиль?
Звук поширюється як механічна хвиля: послідовність стиснень і розріджень, що рухається крізь матеріальне середовище. Молекули коливаються в напрямку поширення, передаючи енергію без переносу речовини. На відміну від світла, звук не може поширюватись у вакуумі — для нього потрібні частинки, що вібрують.
Чому звук поширюється у воді швидше, ніж у повітрі?
Швидкість звуку дорівнює кореню квадратному з відношення модуля об'ємного стиску до густини. Вода набагато менш стискана, ніж повітря, тому її модуль значно більший. Хоча вода і густіша, жорсткість переважає: у воді звук досягає ~1480 м/с, тоді як у повітрі при кімнатній температурі — лише 343 м/с.
Що відбувається, коли звукова хвиля досягає межі двох середовищ?
Частина хвилі відбивається назад у вихідне середовище, частина передається в нове. Співвідношення залежить від різниці акустичного імпедансу (імпеданс = густина помножена на швидкість звуку). Велика різниця, наприклад повітря — сталь, майже повністю відбиває хвилю; близькі значення, наприклад вода — м'які тканини, забезпечують ефективне проходження — саме тому в УЗД використовують контактний гель.
Точкове джерело випромінює енергію рівномірно в усіх напрямках, утворюючи сферичні (або кругові в 2D) фронти, амплітуда яких спадає як 1/r. Плоске джерело генерує рівні фронти з постійною амплітудою по всьому перерізу в ідеальному середовищі, як великий плоский гучномовець. Реальні джерела займають проміжне положення залежно від довжини хвилі й розміру отвору.
Під час поширення звукова хвиля втрачає енергію через внутрішнє тертя, теплопровідність між зонами стиску та розрідження і молекулярну релаксацію. Поглинання зростає з частотою і суттєво відрізняється для різних матеріалів. Симуляція моделює це як експоненціальне загасання амплітуди за межею розділу — відстань загасання можна варіювати.
Вища частота означає коротшу довжину хвилі (довжина хвилі = швидкість / частота). Хвилі з короткою довжиною хвилі поглинаються швидше і менше дифрагують навколо перешкод. Низькочастотні хвилі поширюються далі — саме тому туманні гудки видають низькі тони, а баси легше проходять крізь стіни.
Акустичний імпеданс Z = ρc, де ρ — густину середовища, c — швидкість звуку. Він визначає, скільки звуку відбивається на межі. Коли імпеданси двох середовищ однакові, відбиття взагалі немає — цей принцип використовують у шарах узгодження імпедансу в ультразвукових перетворювачах.
Ні. Звук — механічна хвиля, якій необхідне середовище для поширення. У вакуумі немає молекул, які можна стиснути та розрідити, тому жодні коливання тиску не виникають і не рухаються. Саме це демонструє симуляція з опцією «Вакуум»: хвилі не утворюються незалежно від джерела.
Принцип Гюйгенса стверджує: кожна точка хвильового фронту є джерелом вторинних сферичних хвильок, а новий фронт — це огинаюча всіх цих хвильок. Це пояснює, як фронти обходять перешкоди, як вони відновлюються після щілини і звідки беруться кути відбиття та заломлення. Модель кільцевих фронтів у симуляції прямо відображає хвильки Гюйгенса.
У накладеному полі тиску синє підсвічування позначає стиск — зони, де молекули зближені й тиск вищий за атмосферний. Темне підсвічування позначає розрідження — зони, де молекули розходяться і тиск нижчий за атмосферний. Ці смуги почергово рухаються від джерела зі швидкістю звуку, а їхня відстань одна від одної дорівнює довжині хвилі.