В качестве основы для построения упрошенной акустической модели удобно выбрать геометрическую теорию, как наиболее простую и наглядную, которую, при необходимости, придется дополнять элементами из нелинейной теории.
Геометрическая акустика
Геометрический раздел основан на следующем предположении: звук распространяется в виде звуковых лучей, представляющих собой линии, вдоль которых движется звуковая энергия. Уравнения геометрической акустики по своей форме близки к уравнениям геометрической оптики, хорошо знакомым читателям еще из курса школьной физики. Для звуковых лучей справедливы те же законы отражения и преломления, что и для световых волн. Формулы линейной геометрии являются приближенными и тем точнее отражают реальность, чем меньше длина исследуемой звуковой волны. Если считать, что размеры помещений или препятствий на пути звука сравнимы или много больше длины волны звука, то возникает необходимость в учете таких явлений, как дифракция волн, которые линейная теория уже не описывает. В таких случаях приходится усложнять задачу и учитывать нелинейные члены уравнений.
В соответствии с геометрической теорией, звук распространяется в виде волн, подразделяемых на несколько типов. Каждому типу свойственны особые условия возникновения и распространения. К простейшим типам можно отнести плоские и сферические волны. Реальный процесс состоит из суммы различных волн, но рассматривать удобнее каждое слагаемое в отдельности.
Плоская волна
Плоскую волну могут создавать колебания плоской поверхности (рис. 1.1). Все лучи плоской волны перпендикулярны плоскости излучения и параллельны друг другу. При этом частицы среды распространения начинают двигаться в одном направлении вдоль условного «коридора». Для идеальной плоской волны поперечное сечение «коридора» с расстоянием не изменяется. По этой причине энергия звука по мере движения уменьшается незначительно и только за счет молекулярных затуханий в вязкой среде. В природе абсолютно плоские волны встречаются крайне редко. Так, например, звуковую волну в трубе можно считать лишь приблизительно плоской, как и сферическую волну на большом расстоянии от источника.