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

Звуковото налягане p зависи от скоростта v на осцилиращите 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 се нарича още вълнов импеданс.

Вълновото съпротивление е най-важната характеристика на средата, която определя условията за отразяване 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 абсорбира във втората среда или да я напусне.

Да приемем, че една 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), то 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 изчисляване на коефициента на проникване на звукова вълна от въздуха в бетона и във водата:

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, пада 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 големите 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 наруши възприятието 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 т.н. Например времето на реверберация на пълната Колонна зала в Дома на съюзите в Москва е 1,70 s, попълнен в Болшой театър - 1, 55 стр. За тези помещения (празни) времето на 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 ушната мида 1 и външния слухов канал 2 (фиг. 6.8) Ушната мида при човека не играе съществена роля в слуха. Той помага да се определи локализацията на източника на звук, когато е разположен в предно-задна посока. Нека обясним това. Звукът от източника навлиза в ушната мида. В зависимост от позицията на източника във вертикалната равнина

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

Имайки два звуков приемника (уши), човекът и животните могат да задават посоката към източника на звука и в хоризонталната равнина (бинаурален ефект; фиг. 6.10). Това се дължи на факта, че звукът от източника до различни уши преминава на различни разстояния и има фазова разлика за вълните, които влизат в дясното и лявото предсърдие. Връзката между разликата между тези разстояния (5) и фазовата разлика (∆φ) е получена 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 ушите, тогава той ще падне в другата ушна мида със закъснение. Приблизително ще приемем, че в този случай 5 е разстоянието между ушите. Съгласно формула (19.9) за v = 1 kHz и δ = 0,15 m може да се изчисли фазовата разлика. Това е приблизително 180°.

Различни 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 °, това съответства на фазова разлика от 6 °. Следователно може да се предположи, 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 "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 тъпанчевата 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 см; следователно, акустичен резонанс се появява на честота

Най-важната част на средното ухо е тъпанчевата мембрана 3 и слуховите костици: чукчето 4, наковалнята 5 и стремето 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 (виж § 6.4), само 0,123% от интензитета на падането се предава при директен 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. В технически план средното ухо съвпада с импедансите на въздуха и течността във вътрешното ухо.

Осикулната система (виж фиг. 6.8) в единия край е свързана с тъпанчевата мембрана с чук (област S 1 = 64 mm 2), в другия - със стреме - с овален прозорец 7 на вътрешното ухо (област S 2 = 3 mm 2).

В същото време върху овалния прозорец на вътрешното ухо действа сила F 2, 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 от функциите на средното ухо е отслабването на предаването на вибрации в случай на звук с голяма интензивност. Това става чрез рефлекторно отпускане на мускулите на костиците на средното ухо.

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

Външното и средното ухо са част от звукопроводящата 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.

Човешката кохлея е костно образувание с дължина около 35 мм и има формата на конусовидна спирала с 2 3/4 въртелки. 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 протежение 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 малка дупка - хеликотрема 11. Така и двата канала по някакъв начин представляват единна система, изпълнена с перилимфа. Вибрациите на стремето 6 се предават към мембраната на овалния прозорец 7, от него към перилимфата и "изпъкват" мембраната на кръглия прозорец 9. Пространството между вестибуларната и тъпанчевата скала се нарича кохлеарен канал 12, то е изпълнен с ендолимфа. Между кохлеарния канал и scala tympani по кохлеята преминава основната (базиларна) мембрана 13. Върху нея е разположен Кортиев орган, съдържащ рецепторни (косъмни) клетки, а слуховият нерв идва от кохлеята (тези подробности не са показани на фиг. 6.8).

Кортиевият орган (спирален орган) е преобразувател на механичните вибрации в електрически сигнал.

Дължината на основната мембрана е около 32 mm, тя се разширява и изтънява в посока от овалния прозорец към горната част 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,

представлява основната мембрана по подобен начин на серия от настроени струни за пиано. Носителят на Нобелова награда Бекеси установи погрешността на тази резонаторна теория. В работите на Бекеси беше показано, че основната мембрана е нехомогенна линия, предаване на механично възбуждане. Когато е изложена на акустичен стимул, вълна се разпространява по протежение на основната мембрана. Тази вълна се затихва различно в зависимост от честотата. Колкото по-ниска е честотата, толкова по-далече от овалния прозорец вълната се разпространява по протежение на основната мембрана, преди да започне да се разпада. Така например вълна с честота 300 Hz ще се разпространи до приблизително 25 mm от овалния прозорец, преди да започне затихването, а вълна с честота от 100 Hz ще достигне 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. Така 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, като се имплантират електроди в кохлеята и им се подават електрически сигнали, съответстващи на тези, които възникват при излагане на механичен стимул.

Подобно протезиране на основната функция, кохлеата (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 отражението на звука от различни препятствия - стените на голяма празна стая, гора, сводовете на висока арка в сграда.

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

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

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

Интервалът между двата звука, които възприемате – изречен и отразен – е много по-малък от това, което е необходимо, за да чуете ехото. Освен това образуването на ехо в помещението се предотвратява от мебелите, завесите и други предмети, разположени в него, 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 са склонни да отразяват много добре звуковите вълни. В такава стая поради навлизането на предишните звукови вълни върху следващите се получава наслагване на звуци и се образува тътен. За подобряване на звуковите свойства на големите зали и аудитории, стените им често са облицовани 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 множество ехо: в замъка Уудсток в Англия, ехото ясно повтаря 17 срички. Руините на замъка Деренбург близо до Халберщат дадоха 27-сричково ехо, което обаче беше тихо, тъй като едната стена беше взривена. Скалите, разпръснати под 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. В един (вече несъществуващ) замък близо до Милано беше наблюдавано много многократно ехо: изстрел, произведен от прозорец на пристройката, 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 елипсоидния свод, тогава звуковите вълни се събират в другия му фокус. Това обяснява например известният " ухото на Дионис„в Сиракуза – пещера или вдлъбнатина в стената, от която всяка дума, произнесена от затворниците в нея, можеше да се чуе на някое отдалечено от нея място. Една църква в Сицилия имаше подобен акустичен имот, където на определено място можеше да се чуе прошепнати думи в Също известни в това отношение са мормонският храм при Соленото езеро в Америка и пещерите в парка на манастира Олива близо до Данциг. В Олимпия (Гърция) в храма на Зевс до това е оцеляла „Порката на Ехото“ ден. В него гласът се повтаря 5 ... 7 пъти. В Сибир има невероятно място на река Лена северно от Киренск. Релефът на скалистите брегове там е такъв, че ехото на клаксона на мотора корабите, които вървят по реката, могат да се повторят 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 може да се чуе и Телецко езеро в планините Алтай. Това езеро е дълго 80 км и само на няколко километра тров в ширина; бреговете му са високи и стръмни, покрити с гори. Изстрел от пистолет или рязък 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 своя обем, тембър и продължителност; броят на повторенията се променя. В допълнение, честотата на звуковия отговор може също да се промени; 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 сравнително лесно да се намерят такива места. Има много равнини, заобиколени от гори, много сечища в горите; струва си да крещиш силно на такава поляна, така че от стената на гората да идва повече или по-малко отчетливо ехо.

Определение 1

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

Ехото е същото отражение, само огледалото отразява светлината, а в случай на ехо и звук. Всяко препятствие може да се превърне в огледало за звук. Колкото по-рязък, 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 лошо, а високият глас дава отчетливо ехо.

Ехото може да се чуе, ако звукът се издава на място, заобиколен 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 секунда.

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

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

Отражението 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 звук.

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. Ехолота 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 се използва за чуване на звуците на вътрешните органи на пациента; за диагностични цели. Работи по законите на звуковото отразяване.

Прилепите използват високочестотни (къси вълни) ултразвукови вълни, за да подобрят способността си да ловуват. Типична плячка за прилепи е молецът, обект не много по-голям от самия прилеп. Прилепите използват ултразвукови техники за ехолокация, за да локализират своите роднини във въздуха. Но защо ултразвук? Отговорът на този въпрос се крие във физиката на дифракцията. Тъй като дължината на вълната става по-къса от препятствието, което среща, вълната вече не е в състояние да се разсейва около нея и следователно се отразява. Прилепите използват ултразвукови вълни с дължини на вълните, по-малки от размера на тяхната плячка. Тези звукови вълни ще се сблъскат с плячката и вместо да се дифрагират около плячката, те ще отскочат от плячката, позволявайки на мишката да ловува с ехолокация.

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

След като срещне 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 е в състояние да се огъва около тези обекти и да прониква в областта зад тях.

Нарича се способността на вълната да заобиколи препятствие дифракция .

Дифракцията е възможна, когато дължината на звуковата вълна надвишава размера на препятствието. Нискочестотните звукови вълни са доста дълги. Например при честота от 100 Hz тя е 3,37 м. С намаляване на честотата дължината става още по-голяма. Следователно звуковата вълна лесно се огъва около обекти, съизмерими с нея. 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.

Поради дифракция звуковите вълни проникват през пролуки и дупки в препятствие и се разпространяват зад тях.

Нека поставим плосък екран с дупка по 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 всички точки от областта, която е зад екрана (областта на звуковата сянка). Изходящият фронт на вълната ще изглежда като полукълбо.

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

отражение на звука

В случай на удар на звукова вълна в интерфейса между две медии са възможни различни варианти за по-нататъшното й разпространение. Звукът може да бъде отразен от интерфейса, той може да отиде в друга среда, без да променя посоката, или може да бъде пречупен, тоест да премине, като промени посоката си.

Да предположим, че по 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 бъде отразено от него. Зад препятствието е зона на акустична сянка .

Нарича се звук, отразен от препятствие ехо .

Естеството на отражението на звуковата вълна може да бъде различно. Зависи от формата на отразяващата повърхност.

отражение наречена промяна в посоката на звукова вълна на интерфейса между две различни медии. Когато се отрази, вълната се връща в средата, от която е дошла.

Ако повърхността е плоска, звукът се отразява от нея по същия начин, както светлинен лъч 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, но се отразява от нея, ако плътността на носителите се различава значително. Така че звукът, който се появи във водата, не преминава във въздуха. Отразен от интерфейса, той остава във водата. Човек, стоящ на брега на реката, няма да чуе този звук. Това се дължи на голямата разлика във вълновата устойчивост на водата и въздуха. В акустиката съпротивлението на вълната 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 на въздуха и водата, се отразява звукова вълна.

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 среда.

където и - 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 интерфейса между медиите. Звуковите вълни могат да променят посоката си в нехомогенна среда - атмосферата, океана.

В атмосферата пречупването се причинява от промени в температурата на въздуха, скоростта и посоката на движение на въздушните маси. А в океана се появява поради хетерогенността 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 поеме една среда може да се определи, като се знае коефициентът на поглъщане на звука. Този коефициент показва каква част от енергията на звуковите вибрации се поглъща от 1 m 2 от препятствието. Има стойност от 0 до 1.

Мерната единица за звукопоглъщане се нарича сабин . Получи името си от американския физик Уолъс Клемент Сабин, основател на архитектурната акустика. 1 сабин е енергията, която се абсорбира от 1 m 2 от повърхността, чийто коефициент на поглъщане е 1. Тоест такава повърхност трябва да абсорбира абсолютно цялата енергия на звуковата вълна.

Реверберация

Уолъс Сабин

Свойството на материалите да поглъщат звук е широко използвано в архитектурата. Докато изследва акустиката на лекционната зала, част от музея Фог, Уолъс Клемент Сабин стига до заключението, че има връзка между размера на залата, акустичните условия, вида и площта на звукопоглъщащите материали, и време на реверберация .

Реверберация наречен процес на отражение на звукова вълна от препятствия и постепенното й 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 сякаш отделно. Този ефект се нарича ефект на реверберация .

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

където V - обема на стаята,

НО – общо звукопоглъщане.

където а и е коефициентът на звукопоглъщане на материала,

Si е площта на всяка повърхност.

Ако времето за реверберация е дълго, звуците сякаш "бродат" из стаята. Те се припокриват един с друг, заглушават основния източник на звук и залата започва да бумтя. С кратко време на реверберация стените бързо абсорбират звуците и те стават глухи. Следователно всяка стая трябва да има собствено точно изчисление.

Въз основа на резултатите от своите изчисления Сабин подреди звукопоглъщащите материали по такъв начин, че „ехо ефектът“ да бъде намален. А Бостънската симфонична зала, на която той беше акустичен консултант, 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 тяхното отражение (фиг. 1.10). В този случай ъглите на падане и отражение са равни един на друг. Следователно плоските и изпъкнали повърхности разсейват звука (фиг. 1.10 а, б и в.), докато вдлъбнатите го фокусират и концентрират в определена точка (фиг. 1.10 г).

Фиг. 1.10 Отражение на звукови вълни от повърхности с различна форма

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

Според закона за запазване на енергията, сумата от изминалите 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 Е подложка .

1 = (Е нег./ Epad) +(Eprosh / Epad)

Термините 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 обозначенията съответно η и τ, получаваме

Фигура 1.12 показва промяната в коефициентите на отражение и пропускане в зависимост от съотношението 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 съседната среда (Z 1 /Z 2)

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

Горните формули за коефициентите на отражение и пропускане могат да се използват при изчисленията на едномерни звукови водачи при промяна на напречното им сечение (фиг. 1.13), ако площта на напречното сечение S1 и S2 не твърде различни. В

Фиг.1.13. Промяна на секциите на звуковия водач

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 източници на звук или по време на свръхзвуков удар, възникват нелинейни процеси, водещи до изкривяване на формата на вълната и до засилено поглъщане.

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

Помислете за процеса на преминаване на звук през препятствие (фиг. 1.14). Звукова енергия от инцидента Е подложка . се разделя на енергията, отразена от препятствието E отр погълнат в него E абсорбира и енергията премина през препятствията

Според закона за запазване на енергията

Фиг.1.14. Разпределение на енергията при падане на звук върху препятствие.

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

τ = E минало. / Е подложка; η = E отр. / Е подложка; α = E абсорбира. / Е 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 вибрационната енергия в топлина поради загуби от триене в материала. Загубите от триене са високи в порестите и рохкави влакнести материали. Конструкциите, изработени от такива материали, намаляват интензитета на звуковите вълни, отразени от повърхността. Звукопоглъщателите, разположени вътре в помещението, също могат да намалят интензитета на директния звук, ако са разположени по 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

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

е еластичният обем въздух в кухината зад плочата. Схематично изображение 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 звукова вълна с определена честота падне върху него, въздушната "тапа" в гърлото на съда влиза в интензивно осцилаторно движение. Вибрационната скорост на частиците в гърлото е няколко пъти по-висока от скоростта на вибрация в свободно звуково поле. ξ . Във вътрешния обем на резонатора в този момент налягането съответно се увеличава Р . Ако донесете тръба до 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 въведе слой от звукопоглъщащ материал, абсорбцията ще се увеличи значително.

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. Така собствената честота на резонатора се определя като

fo=	така			С	(1.72)
2π			V( л+l i+lα)

В такива резонансни системи, в присъствието 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 време във вторичен източник.

В зависимост от характеристиките, резонаторът може или да усилва, или да абсорбира звуковите вибрации с определена честота.

Звукопоглъщането на резонатора се описва с помощта на условната характеристика звукопоглъщащ участък 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 първо приближение, можем да пренебрегнем разсейването на звуковата енергия върху тялото на резонатора. Ако вземем отвора на резонатора затворен акустично твърдо, тогава звуковото налягане във врата p h = p l и скоростта на вибрациите υ = p h / Z h (ако резонаторът е на екрана, тогава множителят ще бъде добавен в горните формули 2 ).

Импедансът на гърлото на резонатора е сумата от вътрешните загуби R и , активна радиационна устойчивост R r и реактивните съпротивления на масата и еластичността.

2. ИНДУСТРИАЛНА АКУСТИКА