Давление звукового излучения

Не следует путать давление звукового излучения со звуковым давлением.

Давление звукового излучения, давление звука — среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещённое в звуковое поле. Это давление определяется импульсом, передаваемым волной в единицу времени на единицу площади препятствия.

• При нормальном падении на плоскую поверхность, полностью отражающую звук давление называется Рэлеевским, и определяется формулой: $P = \frac {\gamma +1}{8} \rho v^2 = (\gamma +1) E_k,$ где $\rho$ — плотность невозмущённой среды, v — амплитуда колебательной скорости частиц в пучности стоячей волны, $E_k$ — средняя по времени и пространству плотность кинетической энергии звуковой волны, $\gamma$ — показатель адиабаты, равный в случае газов отношению $c_p / c_v$ ($c_v$ и $c_p$ — теплоёмкости при постоянном давлении и объёме). Давление Рэлея наблюдается, например, в жёсткой трубе, где волну можно считать плоской.
• Давление звукового излучения, создаваемое звуковым пучком или лучом, то есть ограниченной по фронту плоской волной, распространяющейся в безграничной невозмущённой среде, при нормальном падении на полностью отражающую плоскую поверхность называется давлением Ланжевена и определяется формулой $P= \rho v^2/4 = 2 E_k.$
• Когда средние по времени плотности потенциальной и кинетической энергий равны друг другу, давления Рэлея и Ланжевена пропорциональны плотности полной анергии звуковой волны или интенсивности звука. Давление Ланжевена на частично отражающее твёрдое препятствие равно $P= (1 + R^2) E ,$ где R — коэффициент отражения по давлению, E — среднее по времени значение плотности полной энергии в падающей волне.
• При нормальном падении звукового пучка на поверхность раздела двух сред эта поверхность испытывает давление звукового излучения, выражаемое формулой $P= 2 E_{k1} (1 + R^2) - 2 E_{k2},$ где $E_{k1}$ и $E_{k2}$ — средние по времени значения плотности кинетической энергии падающей волны в первой среде и прошедшей волны во второй среде. Если R=0, то P определяется только плотностью кинетической энергии в обеих средах и не зависит от направления распространения волны относительно границы.

Давление звукового излучения — эффект второго порядка малости; оно мало по сравнению с амплитудой переменного звукового давления $p_0.$ Например, в воде при интенсивности звука ~ 10 Вт/см² звуковое давление р=5·10⁵ Па, а давление звукового излучения р=10² Па. В воздухе при интенсивности звука 1 Вт/см², то есть при уровне интенсивности 160 дБ, p≈3·10³ Па, а P=10 Па.

Давление звукового излучения, действующее на границе раздела двух жидких или жидкой и газообразной сред, приводит к вспучиванию поверхности раздела, которое при достаточной интенсивности звука переходит в фонтанирование. Это явление используется при ультразвуковом распылении жидкостей. Давление звукового излучения играет важную роль в процессе акустической коагуляции аэрозолей. Давлением звукового излучения пользуются при определении абсолютного значения интенсивности звука с помощью акустического радиометра. В условиях невесомости может применяться для стабилизации предметов в пространстве и перекачки жидкостей.