Ъгли на падане и отразяване на звук от човек. отразяване на звука

Звуковото налягане p зависи от скоростта v на трептящите частици на средата. Изчисленията показват това

където p е плътността на средата, c е скоростта на звуковата вълна в средата. Продуктът pc се нарича специфичен акустичен импеданс, за плоска вълна също се нарича вълнов импеданс.

Вълновото съпротивление е най-важната характеристика на средата, която определя условията за отражение и пречупване на вълните на нейната граница.

Представете си, че звукова вълна удря интерфейса между две медии. Част от вълната се отразява, а част се пречупва. Законите за отражение и пречупване на звукова вълна са подобни на законите за отражение и пречупване на светлината. Пречупената вълна може да се погълне във втората среда или да я напусне.

Да приемем, че плоска вълна пада нормално на границата, нейният интензитет в първата среда I 1 е интензитетът на пречупената (предадена) вълна във втората среда 1 2 . Да се ​​обадим

коефициент на проникване на звукова вълна.

Рейли показа, че коефициентът на проникване на звука се дава от

Ако вълновото съпротивление на втората среда е много голямо в сравнение с вълновото съпротивление на първата среда (с 2 р 2 >> с 1 ρ 1), тогава вместо (6.7) имаме

тъй като с 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Нека представим вълновите съпротивления на някои вещества при 20 °C (Таблица 14).

Таблица 14

Използваме (6.8), за да изчислим коефициента на проникване на звукова вълна от въздух в бетон и във вода:

Тези данни са впечатляващи: оказва се, че само много малка част от енергията на звуковата вълна преминава от въздуха към бетона и водата.

Във всяка затворена стая звукът, отразен от стени, тавани, мебели, падащи върху други стени, подове и т.н., отново се отразява и поглъща и постепенно изчезва. Следователно, дори след като източникът на звук е спрял, в стаята все още има звукови вълни, които създават бръмченето. Това е особено забележимо в големи просторни зали. Процесът на постепенно затихване на звука в затворени пространства след изключване на източника се нарича реверберация.

Реверберацията, от една страна, е полезна, тъй като възприемането на звука се засилва от енергията на отразената вълна, но, от друга страна, прекалено дългата реверберация може значително да влоши възприемането на речта и музиката, тъй като всяка нова част от текстът се припокрива с предишните. В тази връзка обикновено се посочва някакво оптимално време на реверберация, което се взема предвид при изграждането на аудитории, театрални и концертни зали и др. Например, времето на реверберация на пълната колонна зала в Дома на съюзите в Москва е 1,70 s , изпълнен в Болшой театър - 1, 55 с. За тези стаи (празни) времето за реверберация е съответно 4,55 и 2,06 s.

Физиката на слуха

Нека разгледаме някои въпроси от физиката на слуха на примера на външното, средното и вътрешното ухо. Външното ухо се състои от ушна мида 1 и външен слухов канал 2 (фиг. 6.8).Ушната мида при човека не играе съществена роля за слуха. Той помага да се определи локализацията на източника на звук, когато той е разположен в предно-задна посока. Нека обясним това. Звукът от източника навлиза в ушната мида. В зависимост от положението на източника във вертикалната равнина

(Фиг. 6.9) звуковите вълни ще се дифрактират по различен начин върху ушната мида поради специфичната й форма. Това също ще доведе до промяна в спектралния състав на звуковата вълна, навлизаща в слуховия канал (за повече подробности относно проблемите с дифракцията вижте Глава 19). В резултат на опита човек се е научил да свързва промяната в спектъра на звукова вълна с посоката към източника на звук (посоки A, B и B на фиг. 6.9).

Имайки два звукоприемника (уши), човекът и животните могат да определят посоката към източника на звук и в хоризонталната равнина (бинаурал ефект; фиг. 6.10). Това се дължи на факта, че звукът от източника до различните уши изминава различни разстояния и има фазова разлика за вълните, които навлизат в дясното и лявото предсърдие. Връзката между разликата между тези разстояния (5) и фазовата разлика (∆φ) е изведена в § 19.1, когато се обяснява интерференцията на светлината [вж. (19.9)]. Ако източникът на звук е точно пред лицето на човека, тогава δ = 0 и ∆φ = 0, ако източникът на звук е разположен отстрани срещу една от ушните миди, тогава той ще попадне в другата ушна мида със закъснение. Приблизително ще приемем, че в случая 5 е разстоянието между ушните миди. Съгласно формула (19.9), за v = 1 kHz и δ = 0,15 m, може да се изчисли фазовата разлика. Това е приблизително 180°.

Различните посоки към източника на звук в хоризонталната равнина ще съответстват на фазова разлика между 0° и 180° (за горните данни). Смята се, че човек с нормален слух може да фиксира посоки към източник на звук с точност от 3 °, което съответства на фазова разлика от 6 °. Следователно може да се приеме, че човек е в състояние да различи промяната във фазовата разлика на звуковите вълни, влизащи в ушите му с точност до 6 °.

В допълнение към фазовата разлика, бинауралният ефект се улеснява от разликата в интензитета на звука в различните уши, както и от „акустичната сянка“ от главата за едното ухо. На фиг. 6.10 схематично показва, че звукът от източника влиза вляво

ухо в резултат на дифракция (гл. 19).

Звуковата вълна преминава през ушния канал и частично се отразява от тимпаничната мембрана 3 (виж фиг. 6.8). В резултат на интерференцията на падащите и отразените вълни може да възникне акустичен резонанс. В този случай дължината на вълната е четири пъти по-голяма от дължината на външния слухов канал. Човешкият ушен канал е дълъг приблизително 2,3 cm; следователно акустичният резонанс възниква при честота

Най-съществената част от средното ухо е тимпаничната мембрана 3 и слуховите костици: чука 4, наковалня 5 и стреме 6 със съответните мускули, сухожилия и връзки. Костите осъществяват предаването на механични вибрации от въздушната среда на външното ухо към течната среда на вътрешното ухо. Течната среда на вътрешното ухо има вълново съпротивление, приблизително равно на вълновото съпротивление на водата. Както беше показано (вижте § 6.4), само 0,123% от падащия интензитет се предава при директния преход на звукова вълна от въздух към вода. Това е твърде малко. Следователно основната цел на средното ухо е да улесни предаването на по-голям интензитет на звука към вътрешното ухо. От техническа гледна точка, средното ухо съвпада с импедансите на въздуха и течността във вътрешното ухо.

Системата от кости (виж фиг. 6.8) в единия край е свързана с чука към тъпанчето (област S 1 \u003d 64 mm 2), от друга - със стреме - с овалния прозорец 7 на вътрешното ухо ( площ S 2 \u003d 3 mm 2).

В същото време сила F 2 действа върху овалния прозорец на вътрешното ухо, създавайки звуково налягане p 2 в течна среда. Връзката между тях:
Разделяйки (6.9) на (6.10) и сравнявайки тази връзка с (6.11), получаваме

където

или в логаритмични единици (виж § 1.1)

На това ниво средното ухо увеличава предаването на външно звуково налягане към вътрешното ухо.

Друга функция на средното ухо е отслабването на предаването на вибрации в случай на звук с голяма интензивност. Това става чрез рефлекторно отпускане на мускулите на осикулите на средното ухо.

Средното ухо е свързано с атмосферата чрез слуховата (Евстахиевата) тръба.

Външното и средното ухо са част от звукопроводната система. Системата за приемане на звук е вътрешното ухо.

Основната част на вътрешното ухо е кохлеята, която преобразува механичните вибрации в електрически сигнал. В допълнение към кохлеята, вестибуларният апарат принадлежи към вътрешното ухо (виж § 4.3), което няма нищо общо със слуховата функция.

Кохлеята на човека е костно образувание с дължина около 35 mm и има форма на конусовидна спирала с 2 3/4 вихри. Диаметърът в основата е около 9 мм, височината е около 5 мм.

На фиг. 6.8 кохлеята (ограничена с пунктирана линия) е показана схематично разширена за по-лесно гледане. По дължината на кохлеята минават три канала. Единият от тях, който започва от овалния прозорец 7, се нарича вестибуларна скала 8. Другият канал идва от кръглия прозорец 9, нарича се scala tympani 10. Вестибуларната и тимпаничната скала са свързани в купола на кохлеята през малък отвор - хеликотрема 11. Така и двата канала по някакъв начин представляват една система, пълна с перилимфа. Вибрациите на стремето 6 се предават на мембраната на овалния прозорец 7, от него към перилимфата и "изпъкват" мембраната на кръглия прозорец 9. Пространството между вестибуларната и тимпаничната скала се нарича кохлеарен канал 12, то е изпълнен с ендолимфа. Между кохлеарния канал и scala tympani по протежение на кохлеята минава основната (базиларна) мембрана 13. Върху нея е разположен органът на Корти, съдържащ рецепторни (космасти) клетки, а слуховият нерв идва от кохлеята (тези подробности не са показани на фиг. 6.8).

Органът на Корти (спирален орган) е преобразувателят на механичните вибрации в електрически сигнал.

Дължината на основната мембрана е около 32 mm, тя се разширява и изтънява в посока от овалното прозорче към върха на кохлеята (от ширина от 0,1 до 0,5 mm). Основната мембрана е много интересна структура за физиката, има честотно-селективни свойства. Хелмхолц обърна внимание на това,

представляваше основната мембрана по подобен начин на серия от настроени струни на пиано. Носителят на Нобелова награда Бекеси установява погрешността на тази резонаторна теория. В трудовете на Bekesy беше показано, че основната мембрана е нехомогенна линия, предаваща механично възбуждане. Когато е изложена на акустичен стимул, вълна се разпространява по основната мембрана. Тази вълна се отслабва по различен начин в зависимост от честотата. Колкото по-ниска е честотата, толкова по-далеч от овалния прозорец вълната се разпространява по основната мембрана, преди да започне да се разпада. Така, например, вълна с честота 300 Hz ще се разпространява до приблизително 25 mm от овалния прозорец, преди да започне затихването, а вълна с честота 100 Hz достига своя максимум близо до 30 mm. Въз основа на тези наблюдения са разработени теории, според които възприемането на височината се определя от позицията на максималното трептене на основната мембрана. По този начин във вътрешното ухо може да се проследи определена функционална верига: трептене на мембраната на овалния прозорец - трептене на перилимфата - сложни трептения на основната мембрана - сложни трептения на основната мембрана - дразнене на космените клетки (рецептори на органа на Corti) - генериране на електрически сигнал.

Някои форми на глухота са свързани с увреждане на рецепторния апарат на кохлеята. В този случай кохлеята не генерира електрически сигнали, когато е подложена на механични вибрации. Възможно е да се помогне на такива глухи хора чрез имплантиране на електроди в кохлеята и им даване на електрически сигнали, съответстващи на тези, които възникват при излагане на механичен стимул.

Такова протезиране на основната функция, кохлеята (кохлеарна протеза) се разработва в редица страни. В Русия кохлеарното протезиране е разработено и внедрено в Руския медицински университет. Кохлеарната протеза е показана на фиг. 6.12, тук 1 е основното тяло, 2 е ухо с микрофон, 3 е щепсел на електрическия конектор за свързване към имплантируеми електроди.

Всеки от вас е запознат с такова звуково явление като ехо. Ехото се образува в резултат на отразяването на звука от различни препятствия - стени на голяма празна стая, гора, сводове на висока арка в сграда.

Ехо се чува само когато отразеният звук се възприема отделно от изговорения. За целта е необходимо интервалът от време между въздействието на тези два звука върху тъпанчето да е поне 0,06 s.

Нека определим след колко време след като сте произнесли кратко възклицание, звукът, отразен от стената, ще достигне до ухото ви, ако стоите на разстояние 3 m от тази стена.

Звукът трябва да измине разстоянието до стената и обратно, т.е. 6 m, разпространявайки се със скорост 340 m/s. Това ще отнеме време t = s/v, т.е. t \u003d 6m / 340m / s \u003d 0,02 s.

Интервалът между двата звука, които възприемате - изречен и отразен - е много по-малък от необходимия, за да чуете ехото. Освен това образуването на ехо в помещението се предотвратява от разположените в него мебели, завеси и други предмети, които частично поглъщат отразения звук. Следователно в такава стая речта на хората и други звуци не се изкривяват от ехото и звучат ясно и четливо.

Големи, полупразни стаи с гладки стени, подове и тавани отразяват много добре звуковите вълни. В такава стая, поради нахлуването на предишните звукови вълни върху следващите, се получава наслагване на звуци и се образува тътен. За да се подобрят звуковите свойства на големите зали и аудитории, стените им често се облицоват със звукопоглъщащи материали.

Действието на клаксона се основава на свойството на звука да се отразява от гладки повърхности - разширяваща се тръба, обикновено с кръгло или правоъгълно напречно сечение. При използване на клаксон звуковите вълни не се разпръскват във всички посоки, а образуват тесен лъч, поради което силата на звука се увеличава и се разпространява на по-голямо разстояние.

Няколко известни многократни ехо: в замъка Уудсток в Англия ехото ясно повтаря 17 срички. Руините на замъка Деренбург близо до Халберщат издадоха 27-срично ехо, което обаче беше тихо, тъй като едната стена беше взривена. Скалите, разположени във формата на кръг близо до Адерсбах в Чехословакия, повтарят на определено място, три пъти по 7 срички; но на няколко крачки от тази точка дори звукът от изстрел не дава никакво ехо. Многократно ехо се наблюдава в един (вече несъществуващ) замък близо до Милано: изстрел от прозорец на пристройка е отекнал 40-50 пъти, а силна дума - 30 пъти ... В конкретен случай ехото е концентрацията на звука, като го отразява от вдлъбнати извити повърхности. Така че, ако източникът на звук е поставен в един от двата фокуса на елипсоидалния свод, тогава звуковите вълни се събират в другия му фокус. Това обяснява, например, известния " ухото на Дионис"в Сиракуза - пещера или вдлъбнатина в стената, от която всяка дума, произнесена от затворниците в нея, можеше да бъде чута на някое място, отдалечено от нея. Една църква в Сицилия имаше подобно акустично свойство, където на определено място можеше да се чуе шепот думи в Също така известни в това отношение са мормонският храм на Соленото езеро в Америка и пещерите в парка на манастира Олива близо до Данциг.В Олимпия (Гърция) в храма на Зевс "Верандата на ехото" е оцеляла и до днес , В него гласът се повтаря 5 ... 7 пъти.В В Сибир има невероятно място на река Лена северно от Киренск.Релефът на скалистите брегове там е такъв, че ехото от клаксони на моторни кораби преминаването по реката може да се повтори до 10 или дори 20 пъти (при благоприятни метеорологични условия). Такова ехо понякога се възприема като постепенно затихващ звук, а понякога като звук, трептящ от различни посоки. Множество ехо могат да се чуят и на езерото Телецкое в Алтайските планини. Това езеро е дълго 80 км и само няколко километра trov в ширина; бреговете му са високи и стръмни, покрити с гори. Изстрел от пистолет или остър силен вик генерира тук до 10 ехо сигнала, които звучат за 10 ... 15 s. Любопитно е, че често звуковите реакции изглеждат на наблюдателя като идващи от някъде отгоре, сякаш ехото е уловено от крайбрежните височини.

В зависимост от терена, местоположението и ориентацията на наблюдателя, метеорологичните условия, времето на годината и деня, ехото променя силата, тембъра и продължителността си; броят на повторенията се променя. В допълнение, честотата на аудио отговора също може да се промени; тя може да се окаже по-висока или, обратно, по-ниска от честотата на оригиналния аудио сигнал.

Не е толкова лесно да се намери място, където ехото да се чува ясно дори веднъж. В Русия обаче е относително лесно да се намерят такива места. Има много равнини, заобиколени от гори, много поляни в горите; струва си да крещите силно на такава поляна, така че повече или по-малко ясно ехо да идва от стената на гората.

Определение 1

Ехо- физическо явление, което се състои в приемането от наблюдателя на вълна, отразена от препятствия (електромагнитни, звукови и др.)

Ехото е същото отражение, само огледалото отразява светлината, а в случай на ехо - звука. Всяко препятствие може да се превърне в огледало за звука. Колкото по-остър, по-рязък е звукът, толкова по-отчетливо е ехото. Най-добрият начин да предизвикате ехо е като пляскате с ръце. Ниският мъжки глас се отразява зле, а високият глас дава отчетливо ехо.

Ехото може да се чуе, ако звукът се издава на място, заобиколено от хълмове или големи сгради.

акустичен феномен

Акустичните вълни се отразяват от стени и други твърди повърхности като планини. Когато звукът преминава през среда, която няма постоянни физически свойства, той може да бъде пречупен.

Фигура 1. Обяснение как работи ехото

Човешкото ухо не може да различи ехото от оригиналния звук, ако закъснението е по-малко от $1/15$ от секундата.

Силата на ехото често се измерва в dB нива на звуково налягане (SPL) спрямо самата предавана вълна. Ехото може да бъде желателно (както в сонара) или нежелателно (като в телефонните системи).

Отражението на звуковите вълни от повърхностите също зависи от формата на повърхността. Плоските повърхности отразяват звуковите вълни, така че ъгълът, под който вълната се доближава до повърхността, е равен на ъгъла, под който вълната напуска повърхността.

Отразяването на звукови вълни от извити повърхности води до по-интересно явление. Извитите повърхности с параболична форма имат навика да фокусират звуковите вълни в точка. Звуковите вълни, отразени от параболични повърхности, концентрират цялата си енергия в една точка в пространството; в този момент звукът се усилва. Учените отдавна вярват, че совите имат сферични дискове на лицата си, които могат да се използват за събиране и отразяване на звука.

Използване на отражение на звука

Скоростта на звука във водата е различна от тази във въздуха. Помислете за работата на ехолота. Издава остър звук, който, преминавайки през водния стълб, достига дъното на морето, отразява се и се връща обратно под формата на ехо. Ехолотът го улавя и изчислява разстоянието до дъното на морето.

Фигура 2. Работа на ехолота

Отражението на звука се използва в много устройства. Например високоговорител, клаксон, стетоскоп, слухов апарат и др.

Стетоскопът служи за чуване на звуците от вътрешните органи на пациента; за диагностични цели. Работи според законите за отразяване на звука.

Прилепите използват ултразвукови вълни с висока честота (с къса дължина на вълната), за да подобрят способността си да ловуват. Типична жертва на прилеп е молецът, обект, който не е много по-голям от самия прилеп. Прилепите използват ултразвукови техники за ехолокация, за да открият роднините си във въздуха. Но защо ултразвук? Отговорът на този въпрос се крие във физиката на дифракцията. Тъй като дължината на вълната стане по-къса от препятствието, което среща, вълната вече не е в състояние да се разсее около нея и следователно се отразява. Прилепите използват ултразвукови вълни с дължини на вълните, по-малки от размера на плячката им. Тези звукови вълни ще се сблъскат с плячката и вместо да се дифрактират около плячката, те ще отскочат от плячката, позволявайки на мишката да ловува с ехолокация.

Ако звуковата вълна не среща препятствия по пътя си, тя се разпространява равномерно във всички посоки. Но не всяка пречка се превръща в пречка за нея.

Срещайки препятствие по пътя си, звукът може да се огъне около него, да бъде отразен, пречупен или погълнат.

дифракция на звука

Можем да говорим с човек, стоящ зад ъгъла на сграда, зад дърво или зад ограда, въпреки че не можем да го видим. Чуваме го, защото звукът може да се огъва около тези обекти и да прониква в областта зад тях.

Способността на вълната да заобиколи препятствие се нарича дифракция .

Дифракцията е възможна, когато дължината на вълната на звуковата вълна надвишава размера на препятствието. Нискочестотните звукови вълни са доста дълги. Например при честота 100 Hz тя е 3,37 м. С намаляването на честотата дължината става още по-дълга. Следователно звуковата вълна лесно се огъва около съизмерими с нея обекти. Дърветата в парка изобщо не ни пречат да чуем звука, защото диаметрите на стволовете им са много по-малки от дължината на вълната на звуковата вълна.

Благодарение на дифракцията звуковите вълни проникват през пролуки и дупки в препятствие и се разпространяват зад тях.

Нека поставим плосък екран с дупка на пътя на звуковата вълна.

Когато дължината на звуковата вълна ƛ много по-голям от диаметъра на отвора д , или тези стойности са приблизително равни, тогава зад дупката звукът ще достигне до всички точки на областта, която е зад екрана (областта на звукова сянка). Фронтът на изходящата вълна ще изглежда като полукълбо.

Ако ƛ само малко по-малък от диаметъра на слота, тогава основната част от вълната се разпространява директно, а малка част се отклонява леко в страни. И в случай, когато ƛ много по-малко д , цялата вълна ще върви в посока напред.

отразяване на звука

В случай на удар на звукова вълна на границата между две среди, са възможни различни варианти за нейното по-нататъшно разпространение. Звукът може да бъде отразен от интерфейса, може да премине към друга среда, без да променя посоката, или може да бъде пречупен, тоест да отиде, променяйки посоката си.

Да предположим, че на пътя на звуковата вълна се е появило препятствие, чийто размер е много по-голям от дължината на вълната, например отвесна скала. Как ще се държи звукът? Тъй като не може да заобиколи това препятствие, то ще се отрази от него. Зад препятствието е зона на акустична сянка .

Звукът, отразен от препятствие, се нарича ехо .

Характерът на отражението на звуковата вълна може да бъде различен. Зависи от формата на отразяващата повърхност.

отражение наречена промяна в посоката на звукова вълна на границата между две различни среди. При отражение вълната се връща в средата, от която е дошла.

Ако повърхността е плоска, звукът се отразява от нея по същия начин, както лъч светлина се отразява в огледало.

Звуковите лъчи, отразени от вдлъбната повърхност, се фокусират в една точка.

Изпъкналата повърхност разсейва звука.

Ефектът на дисперсия се дава от изпъкнали колони, големи корнизи, полилеи и др.

Звукът не преминава от една среда в друга, а се отразява от нея, ако плътността на средата се различава значително. Така че звукът, който се появи във водата, не преминава във въздуха. Отразена от интерфейса, тя остава във водата. Човек, стоящ на брега на реката, няма да чуе този звук. Това се дължи на голямата разлика във вълновото съпротивление на водата и въздуха. В акустиката вълновото съпротивление е равно на произведението от плътността на средата и скоростта на звука в нея. Тъй като вълновото съпротивление на газовете е много по-малко от вълновото съпротивление на течности и твърди вещества, когато удари границата между въздух и вода, звуковата вълна се отразява.

Рибите във водата не чуват звука, който се появява над повърхността на водата, но ясно различават звука, чийто източник е тяло, вибриращо във водата.

пречупване на звука

Промяната на посоката на разпространение на звука се нарича пречупване . Това явление възниква, когато звукът преминава от една среда в друга и скоростта на разпространението му в тези среди е различна.

Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на отражение е равно на съотношението на скоростите на разпространение на звука в средата.

където аз - ъгъл на падане,

r е ъгълът на отражение,

v1 е скоростта на разпространение на звука в първата среда,

v2 е скоростта на разпространение на звука във втората среда,

н е индексът на пречупване.

Пречупването на звука се нарича пречупване .

Ако звуковата вълна не пада перпендикулярно на повърхността, а под ъгъл, различен от 90°, тогава пречупената вълна ще се отклони от посоката на падащата вълна.

Пречупването на звука може да се наблюдава не само на границата между медиите. Звуковите вълни могат да променят посоката си в нехомогенна среда - атмосфера, океан.

В атмосферата пречупването се причинява от промени в температурата на въздуха, скоростта и посоката на движение на въздушните маси. И в океана се появява поради разнородността на свойствата на водата - различно хидростатично налягане на различни дълбочини, различни температури и различна соленост.

звукопоглъщане

Когато звукова вълна удари повърхност, част от нейната енергия се абсорбира. И колко енергия може да абсорбира една среда може да се определи чрез познаване на коефициента на звукопоглъщане. Този коефициент показва каква част от енергията на звуковите вибрации се абсорбира от 1 m 2 от препятствието. Има стойност от 0 до 1.

Единицата мярка за звукопоглъщане се нарича сабин . Името си получи от американския физик Уолъс Клемент Сабин, основател на архитектурната акустика. 1 sabin е енергията, която се абсорбира от 1 m 2 от повърхността, чийто коефициент на поглъщане е равен на 1. Тоест, такава повърхност трябва да абсорбира абсолютно цялата енергия на звуковата вълна.

Реверберация

Уолъс Сабин

Свойството на материалите да поглъщат звука намира широко приложение в архитектурата. Докато изследва акустиката на лекционната зала, част от музея Фог, Уолъс Клемент Сабин заключава, че има връзка между размера на аудиторията, акустичните условия, вида и площта на звукопоглъщащите материали и време на реверберация .

Реверберация наречен процес на отразяване на звукова вълна от препятствия и нейното постепенно затихване след изключване на източника на звук. В затворено пространство звукът може да отскача многократно от стени и предмети. В резултат на това се появяват различни ехо сигнали, всеки от които звучи като отделен. Този ефект се нарича реверберационен ефект .

Най-важната характеристика на една стая е време на реверберация , който беше въведен и изчислен от Sabin.

където V - обемът на стаята,

НО – общо звукопоглъщане.

където a i е коефициентът на звукопоглъщане на материала,

Si е площта на всяка повърхност.

Ако времето за реверберация е дълго, звуците сякаш „бродят“ из стаята. Те се припокриват, заглушават основния източник на звук и залата бумти. С кратко време на реверберация, стените бързо абсорбират звуци и стават глухи. Следователно всяка стая трябва да има свое точно изчисление.

Въз основа на резултатите от изчисленията си Сабин подрежда звукопоглъщащите материали по такъв начин, че "ефектът на ехото" да бъде намален. А Бостънската симфонична зала, на която той беше консултант по акустика, все още се смята за една от най-добрите зали в света.

Както при всеки вълнов процес, при падане на звукови вълни върху препятствие с ограничени размери, освен интерференция се наблюдава и тяхното отражение (фиг. 1.10). В този случай ъглите на падане и отражение са равни един на друг. Следователно плоските и изпъкналите повърхности разсейват звука (фиг. 1.10 a, b и c.), докато вдлъбнатите го фокусират и концентрират в определена точка (фиг. 1.10 d).

Фиг. 1.10 Отражение на звукови вълни от повърхности с различни форми

Когато вълните падат на границата на две среди (фиг. 1.11), част от звуковата енергия се отразява, а част преминава във втората среда.

Ориз. 1.11 Отражение и разпространение на вълни на границата на две среди

Съгласно закона за запазване на енергията сумата на изтеклата E минало. и отразено E отр. енергията е равна на енергията на падащата вълна E подложка, , т.е.

Epad \u003d Eotr. + Епрош.

(1.59)

Разделете дясната и лявата страна на формулата на E подложка .

1 = (Е отр./ Epad) +(Eprosh / Epad)

Членовете в горното съотношение показват каква част от падащата енергия е отразена и каква част е предадена. Те са коефициентите на отражение и предаване. Въвеждайки за тях означенията съответно η и τ, получаваме

Фигура 1.12 показва изменението на коефициентите на отражение и предаване в зависимост от отношението на акустичните импеданси на съседните среди. От графиката се вижда, че стойността на коефициентите зависи само от абсолюта

абсолютната стойност на съотношенията на акустичните импеданси на средата, но не зависи от това кой от тези импеданси е по-голям. Това може да обясни факта, че звукът, разпространяващ се във всяка масивна стена, претърпява същото отражение от интерфейса с въздушната среда, както звукът, разпространяващ се във въздуха, когато се отразява от тази стена.

Ориз. 1.12. Коефициенти η и τ в зависимост от съотношението на акустичните импеданси на съседните среди (Z 1 /Z 2)

В редица случаи е интересно да се знае как звуковото налягане или скоростта на вибрациите на частиците ще се променят при преминаване през границата на две среди. Тъй като интензитетът на звуковата енергия е пропорционален на квадратите на звуковото налягане и скоростта на вибрациите, очевидно е, че коефициентът на отражение за налягането и скоростта може да се намери по формулата

Горните формули за коефициентите на отражение и предаване могат да се използват при изчисленията на едномерни звуководи, когато се променя тяхното напречно сечение (фиг. 1.13), ако площта на напречното сечение S1 и S2 не твърде различни. При

Фиг.1.13. Промяна на разделите на звуковия справочник

Звукопоглъщане

Звукопоглъщане (затихване, разсейване) - превръщането на звуковата енергия в топлина. Причинява се както от топлопроводимост и вискозитет (класическа абсорбция), така и от вътрешномолекулно отражение. При много големи амплитуди, които възникват само в близост до много мощни звукови източници или при свръхзвуков удар, възникват нелинейни процеси, водещи до изкривяване на формата на вълната и до повишено поглъщане.

За звука в газове и течности поглъщането е от практическо значение само когато звукът се разпространява на големи разстояния (поне няколкостотин дължини на вълната) или когато по пътя на звука се срещат тела с много голяма повърхност.

Помислете за процеса на преминаване на звука през препятствие (фиг. 1.14). Инцидентна звукова енергия E подложка . се разделя на енергията, отразена от препятствието E отр погълнат от него E абсорбира и енергията премина през препятствията

Според закона за запазване на енергията

Фиг.1.14. Разпределение на енергията по време на падане на звука върху препятствие.

Този процес може да бъде оценен чрез съотношенията на предаваната, абсорбираната и отразената енергия към енергията, падаща върху препятствието:

τ = E минало. / E подложка; η = E отр. / E подложка; α = E абсорбира. / E подложка; (1.67)

Както бе споменато по-горе, първите две съотношения се наричат ​​коефициенти на предаване τ и отражения η . Третият коефициент характеризира дела на погълнатата енергия и се нарича коефициент на поглъщане α. Очевидно от (1.66) следва

α + η + τ = 1

(1.68)

Звукопоглъщането се дължи на прехода на вибрационна енергия в топлина поради загуби от триене в материала. Загубите от триене са високи в порести и рохкави влакнести материали. Конструкциите, изработени от такива материали, намаляват интензивността на звуковите вълни, отразени от повърхността. Звукопоглъщателите, разположени вътре в стаята, също могат да намалят интензитета на директния звук, ако са разположени на пътя на звуковите вълни.

Резонатори.

Така нареченият резонатор може да служи като ефективен абсорбатор на звукови вълни, а в някои случаи и техен усилвател. Под резонатора на понито

се разработва система от типа "маса-пружина", при която ролята на осцилиращата маса се играе от масата на въздуха в тесен отвор или в процепа на плочата, а ролята на пружината

е еластичният обем на въздуха в кухината зад плочата. Схематично представяне на резонатора на Хелмхолц е показано на фиг. 1.15

Ориз. 1.15. Резонатор на Хелмхолц

Помислете за най-простия въздушен резонатор, т.е. съд с твърди стени и тясно гърло. Когато върху него попадне звукова вълна с определена честота, въздушната "тапа" в гърлото на съда влиза в интензивно колебателно движение. Вибрационната скорост на частиците в гърлото е няколко пъти по-висока от вибрационната скорост в свободно звуково поле. ξ . Във вътрешния обем на резонатора в този момент налягането съответно се увеличава Р . Ако поставите тръба във вътрешната кухина на резонатора, тогава възприеманият звук ще бъде по-силен.

В същото време, при достатъчно големи загуби от триене, резонаторът може да действа не като усилвател, а като абсорбатор на звукова енергия. Ако в гърлото на резонатора се постави слой звукопоглъщащ материал, поглъщането значително ще се увеличи.

Естествена кръгова честота о с маса м на пружина с твърдост с може да се намери по добре познатата формула

редакции, чиято стойност зависи от формата на шията и площта на нейното напречно сечение. По този начин естествената честота на резонатора се определя като

fo=	така			С	(1.72)
2π			V( л+аз+lα)

В такива резонансни системи, при наличието на външен източник на звук, въздухът, затворен в кухината, осцилира с него в унисон с амплитуда, която зависи от съотношението между стойностите на периодите на естествени и принудителни трептения. Когато източникът е изключен, резонаторът връща натрупаните в него трептения, превръщайки се за кратко във вторичен източник.

В зависимост от характеристиките, резонаторът може или да усилва, или да абсорбира звукови вибрации на определена честота.

Звукопоглъщането на резонатора се описва с помощта на условната характеристика звукопоглъщаща секция А . Под нея се разбира условна площ на напречното сечение, перпендикулярна на посоката на разпространение на падащата вълна, през която свободна вълна (при липса на резонатор) предава мощност, равна на погълнатата от резонатора.

Да приемем, че размерите на резонатора са малки в сравнение с дължината на падащата вълна. Тогава, в първото приближение, можем да пренебрегнем разсейването на звуковата енергия върху тялото на резонатора. Ако вземем отвора на резонатора, затворен акустично твърдо, тогава звуковото налягане в шията p h = p l , и вибрационната скорост υ = p h / Z h (ако резонаторът е на екрана, тогава множителят ще бъде добавен в горните формули 2 ).

Импедансът на шийката на резонатора е сумата от вътрешните загуби R i , активна радиационна устойчивост R r и реактивни съпротивления на маса и еластичност.

2. ИНДУСТРИАЛНА АКУСТИКА