Звуковые волны отличаются от волн на воде: физическая природа звука совершенно другая. Строение звуковой волны также отлично от волн на поверхности воды. Однако основные законы волнового движения могут быть перенесены и на звуковые волны. При распространении звука так отражение и преломление, дифракция и интерференция волнже имеют место  и другие явления, характерные для волнового движения на воде.

Звуковые волны, встречая на своем пути препятствие, отражаются от него. Явление отражения звука играет большую роль в акустике, например при распространении звука в закрытых помещениях. Звуковые волны, падая на стену (рис. 1), отражаются от нее под теми же углами и кажутся наблюдателю выходящими из точки О', которая представляет собой зеркальное отображение источника звука (так называемый мнимый источник). Таким геометрическим построением, как на рис. 1, можно пользоваться, конечно, только в том случае, когда отражающая поверхность имеет размеры, большие, чем длина звуковой волны. Если это не так, то важную роль начинает играть дифракция, и понятие звукового луча, как мы об этом говорили в конце первой главы, теряет смысл.

Явление дифракции, или загибание волн около препятствий, величина которых мала или сравнима с длиной звуковой волны, приводит к отклонению от прямолинейности при распространении звука. Мы слышим голос, «из-за угла», тогда как не видим говорящего; открыв в комнате форточку, мы слышим шум улицы. Звуковые волны огибают препятствия – дифрагируют на них, и звук доходит до нас, так же как волны на поверхности воды заходят в область тени за препятствие и проходят через щель в перегородке. Длины волн в звуковом диапазоне имеют один порядок с размерами обычных излучателей и приемников звука и с размерами тел, обычными в нашем обиходе. Поэтому дифракция при распространении звуковых волн играет очень важную роль. Если длина звуковой волны становится малой по сравнению с размерами препятствий, загибание все менее заметно. Мы можем говорить тогда о звуковых лучах и считать распространение звука прямолинейным. В этом случае за препятствием имеется резко очерченная область звуковой тени, и можно считать, что звук распространяется по чисто геометрическим законам. В акустике с таким случаем особенно часто приходится встречаться, когда длины звуковых волн малы, т. е. на высоких ультразвуковых частотах.

Волны на поверхности воды при одновременном падении двух камней распространяются независимо друг от друга, и мы говорим о суперпозиции, или наложении волн; то же самое имеет место и для звуковых волн. Воздух передает одновременно самые разнообразные звуки различной частоты и амплитуды, идущие по разным направлениям. Звуки различных частот или длин волн проходят через воздух независимо друг от друга.

В результате наложения в данной точке двух или большего числа распространяющихся в воздухе звуковых волн, имеющих одинаковую частоту и неизменяющуюся со временем разность фаз, возникает явление интерференции. Это явление представляет собой характерное свойство волнового движения вообще, и все, что говорилось о нем для волн на воде, можно целиком перенести на звуковые волны. Явление интерференции было одним из самых веских доказательств волновой природы света; оно служит также одним из доказательств волновой природы звука. В самом деле, невозможно объяснить, почему дна звуковых луча, встречаясь, могут уничтожить друг друга, если не считать, что мы имеем дело с волновым движением.

Важным случаем интерференции является образование так называемых стоячих волн при отражении. Как именно образуются стоячие волны, можно наглядно проследить на простом примере. Возьмем кусок веревки в несколько метров длиной и прикрепим один ее конец к стенке, а другой возьмем в руку (рис. 2).

Если мы сделаем рукой резкое движение вверх и вниз, то по веревке побежит одиночная волна, которая отразится от закрепленного конца и побежит обратно, достигнет руки, отразится от нее и опять побежит к стене. Если подбрасывать веревку периодически, то получаются два ряда волн, налагающихся друг на друга: волны, идущие к стене, и отраженные волны, идущие от стены. Наложение этих 'волн приводит к сложной и изменяющейся форме колебаний веревки, но при некоторых значениях периода подбрасываний мы получим так называемые стоячие волны. Мы увидим, что отдельные участки веревки находятся в покое, другие же испытывают максимальное смещение вверх и вниз относительно ее натянутого положения. Те точки веревки, которые не совершают колебаний, называются узлами, а те точки, в которых амплитуда смещений максимальна – пучностями колебаний.

Стоячие волны образуются в том случае, если на длине веревки укладывается целое число половинок длины волны.

Таким же образом в результате интерференции падающего и отраженного звука определенной частоты возникают стоячие звуковые волны. Если, например, заставить звучать камертон, частота колебаний которого составляет 3000—4000 Гц, и постепенно приближаться к стене, можно отчетливо услышать усиления и ослабления громкости звука. Ослабления звука соответствуют узлам звукового давления, усиления – его пучностям. Более сложная картина образования стоячих волн получается, когда звук распространяется в закрытых помещениях, трубах и вообще в замкнутых объемах.

По мере увеличения расстояния от источника звука фронт сферической волны становится все более плоским. В очень большом числе случаев мы имеем дело с волнами, которые хотя и не являются в точности плоскими, но без большой ошибки могут быть приняты за таковые.

Мы остановимся поэтому на основных соотношениях, которые характеризуют плоскую звуковую волну. Когда в воздухе распространяется звуковая волна, в нем образуются сгущения и разрежения. Таким образом, звуковая волна создает добавочные изменения давления по отношению к среднему внешнему давлению воздуха. Это добавочное давление, называется звуковым или акустическим давлением. Звуковое давление, которое мы обозначим через р, измеряется в абсолютных единицах давления – барах.

Мы знаем также, что при распространении звуковой волны частички воздуха испытывают колебания около положения равновесия, происходящие с определенной скоростью, которую мы обозначим через v. Она называется акустической скоростью. Акустическая скорость v есть, таким образом, скорость движения частичек воздуха при прохождении через него звуковой волны.

Для плоской звуковой волны между звуковым давлением и акустической скоростью имеется важное соотношение:

 

где ρ – плотность воздуха и с – скорость звука в нем, p/v для воздуха в абсолютных единицах равно 41.

Если звуковая волна имеет частоту f, то амплитуда акустической скорости определяется формулой

 

где х – амплитуда смещения частиц из положения равновесия.

Пользуясь предыдущей формулой, мы можем для амплитуды смещения частиц написать такое выражение:

 

Когда мы стоим близко к паровозу и машинист дает гудок, амплитуда давления слышимого нами звука составляет около р=3000 бар. Звук такой силы находится на пороге болевого ощущения, т. е. уже может вызвать боль в ушах. Так как скорость звука при 18°С С=342 м/сек, то из этого примера видно, что даже для самых сильных звуков скорость звука с примерно в 500 раз больше, чем акустическая скорость v. Приведенная формула для амплитуды смещения показывает также, насколько малы смещения частиц из положения равновесия при распространении звуковой волны. Пусть, например, частота f=1000 Гц, а амплитуда давления составляет 3000 бар. Тогда амплитуда смещения

 

Самые слабые звуки, еще слышимые человеческим ухом, имеют амплитуду давления примерно 2•10^-4 бар. Для той же частоты 1000 Гц получается тогда:

 

Отсюда видно, насколько чувствительно человеческое ухо, если оно может воспринимать звуки, когда частицы воздуха испытывают такие ничтожные смещения.
 

Интерференцией объясняется весьма интересное и часто наблюдаемое явление биений. Если два источника звука излучают волны, слегка отличающиеся по частоте, то мы слышим, как результирующий звук то ослабевает, то усиливается. Пусть, например, от двух камертонов, имеющих частоты колебаний 60 и 70 Гц, до нас в некоторый момент времени доходит сгущение воздуха (рис. 1).

 

Число оборотов одного мотора может несколько (до 1%) отличаться от числа оборотов другого мотора. В результате к нам доходят звуковые волны от двух источников звука, имеющих почти одинаковую частоту, и мы слышим биения. Предположим, например, что второй мотор делает 2110 об/мин. Тогда частота выхлопов этого мотора будет равна 158,5 Гц, и мы услышим биения с частотой 158,5–157,5=1 Гц, т. е. одно биение в секунду.