Kutovi upada i refleksije zvuka od osobe. refleksija zvuka

Tlak zvuka p ovisi o brzini v titrajnih čestica medija. Izračuni to pokazuju

gdje je p gustoća medija, c je brzina zvučnog vala u mediju. Umnožak pc naziva se specifična akustička impedancija, a za ravni val također se naziva valna impedancija.

Valni otpor je najvažnija karakteristika medija, koja određuje uvjete refleksije i loma valova na njegovoj granici.

Zamislite da zvučni val pogodi sučelje između dva medija. Dio vala se odbija, a dio lomi. Zakoni refleksije i loma zvučnog vala slični su zakonima refleksije i loma svjetlosti. Prelomljeni val može biti apsorbiran u drugom mediju, ili ga može napustiti.

Pretpostavimo da ravni val pada normalno na granicu, njegov intenzitet u prvom mediju I 1 je intenzitet lomljenog (transmitiranog) vala u drugom mediju 1 2 . Nazovimo

koeficijent prodora zvučnog vala.

Rayleigh je pokazao da je koeficijent prodiranja zvuka dan izrazom

Ako je valni otpor drugog medija vrlo velik u usporedbi s valnim otporom prvog medija (s 2 r 2 >> s 1 ρ 1), tada umjesto (6.7) imamo

budući da je s 1 ρ 1 /s 2 r 2 >>1. Navedimo valne otpore nekih tvari pri 20 °C (tablica 14).

Tablica 14

Koristimo (6.8) za izračunavanje koeficijenta prodora zvučnog vala iz zraka u beton i vodu:

Ovi podaci su impresivni: pokazalo se da samo vrlo mali dio energije zvučnog vala prelazi iz zraka u beton i vodu.

U svakoj zatvorenoj prostoriji, zvuk koji se reflektira od zidova, stropova, namještaja pada na druge zidove, podove itd., ponovno se reflektira i apsorbira, te postupno nestaje. Stoga, čak i nakon što je izvor zvuka prestao, u prostoriji još uvijek postoje zvučni valovi koji stvaraju brujanje. To je posebno vidljivo u velikim prostranim dvoranama. Proces postupnog slabljenja zvuka u zatvorenim prostorima nakon gašenja izvora naziva se reverberacija.

Reverberacija je, s jedne strane, korisna, jer se percepcija zvuka pojačava energijom reflektiranog vala, ali, s druge strane, preduga reverberacija može značajno narušiti percepciju govora i glazbe, jer svaki novi dio tekst se preklapa s prethodnima. U tom smislu obično se navodi neko optimalno vrijeme odjeka, koje se uzima u obzir pri izgradnji gledališta, kazališnih i koncertnih dvorana itd. Na primjer, vrijeme odjeka ispunjene Stupne dvorane u Domu sindikata u Moskvi iznosi 1,70 s. , ispunjen u Boljšoj teatru - 1, 55 str. Za ove prostorije (prazne) vrijeme reverberacije je 4,55 odnosno 2,06 s.

Fizika sluha

Razmotrimo neka pitanja fizike sluha na primjeru vanjskog, srednjeg i unutarnjeg uha. Vanjsko uho sastoji se od ušne školjke 1 i vanjskog zvukovoda 2 (sl. 6.8).Ušna školjka kod čovjeka nema značajniju ulogu u sluhu. Pomaže u određivanju lokalizacije izvora zvuka kada se nalazi u anteriorno-posteriornom smjeru. Objasnimo ovo. Zvuk iz izvora ulazi u ušnu školjku. Ovisno o položaju izvora u okomitoj ravnini

(Sl. 6.9) zvučni valovi će se različito difraktirati na ušnoj školjki zbog njenog specifičnog oblika. To će također dovesti do promjene u spektralnom sastavu zvučnog vala koji ulazi u slušni kanal (za više detalja o difrakciji, vidi Poglavlje 19). Kao rezultat iskustva, osoba je naučila povezati promjenu spektra zvučnog vala sa smjerom prema izvoru zvuka (smjerovi A, B i B na slici 6.9).

S dva prijemnika zvuka (ušiju) čovjek i životinje mogu odrediti smjer prema izvoru zvuka i to u horizontalnoj ravnini (binauralni efekt; sl. 6.10). To je zbog činjenice da zvuk od izvora do različitih ušiju prelazi različite udaljenosti i postoji fazna razlika za valove koji ulaze u desnu i lijevu ušnu školjku. Odnos između razlike između tih udaljenosti (5) i fazne razlike (∆φ) izveden je u § 19.1 kada se objašnjava interferencija svjetlosti [vidi. (19.9)]. Ako je izvor zvuka neposredno ispred lica osobe, tada je δ = 0 i ∆φ = 0, ako se izvor zvuka nalazi sa strane uz jednu od ušnih školjki, tada će pasti u drugu ušnu školjku sa zakašnjenjem. Približno ćemo pretpostaviti da je u ovom slučaju 5 udaljenost između ušnih školjki. Prema formuli (19.9), za v = 1 kHz i δ = 0,15 m, može se izračunati fazna razlika. To je otprilike 180°.

Različiti smjerovi prema izvoru zvuka u vodoravnoj ravnini odgovarat će faznoj razlici između 0° i 180° (za gornje podatke). Vjeruje se da osoba s normalnim sluhom može odrediti smjer prema izvoru zvuka s točnošću od 3 °, što odgovara faznoj razlici od 6 °. Stoga se može pretpostaviti da je osoba u stanju razlikovati promjenu fazne razlike zvučnih valova koji ulaze u njegove uši s točnošću od 6 °.

Osim fazne razlike, binauralni učinak je omogućen razlikom u intenzitetu zvuka u različitim ušima, kao i "akustična sjena" iz glave za jedno uho. Na sl. 6.10 shematski prikazuje da zvuk iz izvora ulazi u lijevu stranu

uho kao rezultat difrakcije (pogl. 19).

Zvučni val prolazi kroz ušni kanal i djelomično se reflektira od bubne opne 3 (vidi sliku 6.8). Kao rezultat interferencije upadnih i reflektiranih valova može doći do akustične rezonancije. U ovom slučaju, valna duljina je četiri puta veća od duljine vanjskog zvukovoda. Ljudski ušni kanal dugačak je otprilike 2,3 cm; stoga dolazi do akustične rezonancije na frekvenciji

Najvažniji dio srednjeg uha je bubnjić 3 i slušne koščice: malleus 4, nakovanj 5 i stremen 6 s pripadajućim mišićima, tetivama i ligamentima. Kosti provode prijenos mehaničkih vibracija iz zračne okoline vanjskog uha u tekuću okolinu unutarnjeg uha. Tekući medij unutarnjeg uha ima valni otpor približno jednak valnom otporu vode. Kao što je pokazano (vidi § 6.4), samo 0,123% upadnog intenziteta prenosi se u izravnom prijelazu zvučnog vala iz zraka u vodu. Ovo je premalo. Stoga je glavna svrha srednjeg uha olakšati prijenos većeg intenziteta zvuka u unutarnje uho. U tehničkom smislu, srednje uho odgovara impedanciji zraka i tekućine u unutarnjem uhu.

Sustav kostiju (vidi sl. 6.8) na jednom kraju povezan je s čekićem na bubnjić (područje S 1 \u003d 64 mm 2), na drugom - uzengijom - s ovalnim prozorom 7 unutarnjeg uha ( površina S 2 \u003d 3 mm 2).

U isto vrijeme, sila F 2 djeluje na ovalni prozor unutarnjeg uha, stvarajući zvučni tlak p 2 u tekućem mediju. Veza između njih:
Dijeleći (6.9) s (6.10) i uspoređujući ovu relaciju s (6.11), dobivamo

gdje

ili u logaritamskim jedinicama (vidi § 1.1)

Na ovoj razini srednje uho povećava prijenos vanjskog zvučnog tlaka u unutarnje uho.

Još jedna od funkcija srednjeg uha je slabljenje prijenosa vibracija u slučaju zvuka velikog intenziteta. To se postiže refleksnim opuštanjem mišića koščica srednjeg uha.

Srednje uho je povezano s atmosferom preko slušne (Eustahijeve) cijevi.

Vanjsko i srednje uho dio su sustava za provođenje zvuka. Sustav za primanje zvukova je unutarnje uho.

Glavni dio unutarnjeg uha je pužnica, koja mehaničke vibracije pretvara u električni signal. Osim pužnice, vestibularni aparat pripada unutarnjem uhu (vidi § 4.3), koji nema nikakve veze sa slušnom funkcijom.

Čovjekova pužnica je koštana tvorevina duga oko 35 mm i ima oblik stožaste spirale s 2 3/4 vijuga. Promjer u bazi je oko 9 mm, visina je oko 5 mm.

Na sl. 6.8 pužnica (ograničena isprekidanom linijom) prikazana je shematski proširena radi lakšeg pregleda. Duž pužnice prolaze tri kanala. Jedan od njih, koji počinje od ovalnog prozora 7, naziva se vestibularna skala 8. Drugi kanal dolazi iz okruglog prozora 9, naziva se scala tympani 10. Vestibularna i timpanijska skala povezane su u kupoli pužnice. kroz mali otvor – helikotrema 11. Dakle, oba ova kanala na neki način predstavljaju jedan sustav ispunjen perilimfom. Vibracije stremena 6 prenose se na membranu ovalnog prozora 7, od njega do perilimfe i "strše" membranu okruglog prozora 9. Prostor između vestibularne i bubnjića naziva se kohlearni kanal 12, to je ispunjen je endolimfom. Između kohlearnog kanala i scala tympani duž pužnice prolazi glavna (bazilarna) membrana 13. Na njoj se nalazi Cortijev organ koji sadrži receptorske (dlačice) stanice, a slušni živac dolazi iz pužnice (ovi detalji nisu prikazani na sl. 6.8).

Cortijev organ (spiralni organ) je pretvarač mehaničkih vibracija u električni signal.

Duljina glavne membrane je oko 32 mm, širi se i stanjuje u smjeru od ovalnog prozorčića prema vrhu pužnice (od širine 0,1 do 0,5 mm). Glavna membrana je vrlo zanimljiva struktura za fiziku, ima frekvencijski selektivna svojstva. Helmholtz je skrenuo pozornost na to,

predstavljao glavnu opnu na sličan način kao niz ugođenih klavirskih žica. Dobitnik Nobelove nagrade Bekesy utvrdio je pogrešnost ove teorije rezonatora. U radovima Bekesyja pokazano je da je glavna membrana nehomogena linija, prijenos mehaničke pobude. Kada je izložen akustičkom podražaju, val se širi duž glavne membrane. Ovaj val je različito prigušen ovisno o frekvenciji. Što je niža frekvencija, val se dalje od ovalnog prozora širi duž glavne membrane prije nego što počne propadati. Tako će se, primjerice, val s frekvencijom od 300 Hz širiti do otprilike 25 mm od ovalnog prozora prije nego počne slabljenje, a val s frekvencijom od 100 Hz doseže svoj maksimum blizu 30 mm. Na temelju tih opažanja razvijene su teorije prema kojima je percepcija visine tona određena položajem najvećeg titranja glavne membrane. Dakle, određeni funkcionalni lanac može se pratiti u unutarnjem uhu: titranje membrane ovalnog prozora - titranje perilimfe - složene oscilacije glavne membrane - složene oscilacije glavne membrane - iritacija dlakastih stanica (receptori organa Corti) - stvaranje električnog signala.

Neki oblici gluhoće povezani su s oštećenjem receptorskog aparata pužnice. U tom slučaju pužnica ne stvara električne signale kada je izložena mehaničkim vibracijama. Takvim gluhim osobama moguće je pomoći ugradnjom elektroda u pužnicu i davanjem električnih signala koji odgovaraju onima koji nastaju kada su izloženi mehaničkom podražaju.

Takva protetika glavne funkcije pužnice (kohlearna proteza) razvija se u nizu zemalja. U Rusiji je kohlearna protetika razvijena i implementirana na Ruskom medicinskom sveučilištu. Kohlearna proteza prikazana je na sl. 6.12, ovdje 1 je glavno tijelo, 2 je uho s mikrofonom, 3 je utikač električnog priključka za spajanje na implantabilne elektrode.

Svatko od vas je upoznat s takvim zvučnim fenomenom kao što je jeka. Odjek nastaje kao rezultat refleksije zvuka od raznih prepreka - zidova velike prazne sobe, šume, svodova visokog luka u zgradi.

Odjek se čuje samo kada se reflektirani zvuk percipira odvojeno od izgovorenog. Za to je potrebno da vremenski interval između udara ova dva zvuka na bubnjić bude najmanje 0,06 s.

Odredimo koliko će dugo nakon što ste izgovorili kratki uzvik zvuk odbijen od zida doprijeti do vašeg uha ako stojite na udaljenosti od 3 m od ovog zida.

Zvuk mora prijeći udaljenost do zida i natrag, tj. 6 m, šireći se brzinom od 340 m/s. Za to će biti potrebno vrijeme t = s/v, tj. t \u003d 6m / 340m / s \u003d 0,02 s.

Interval između dva zvuka koja percipirate - izgovorenog i odbijenog - mnogo je manji od onoga što je potrebno da se čuje jeka. Osim toga, stvaranje jeke u prostoriji sprječavaju namještaj, zavjese i drugi predmeti koji se nalaze u njoj, a koji djelomično apsorbiraju reflektirani zvuk. Stoga u takvoj prostoriji govor ljudi i drugi zvukovi nisu iskrivljeni odjekom i zvuče jasno i čitljivo.

Velike, poluprazne sobe s glatkim zidovima, podovima i stropovima vrlo dobro reflektiraju zvučne valove. U takvoj prostoriji, zbog upada prethodnih zvučnih valova na sljedeće, dobiva se preklapanje zvukova i nastaje tutnjava. Kako bi se poboljšala zvučna svojstva velikih dvorana i gledališta, njihovi su zidovi često obloženi materijalima koji apsorbiraju zvuk.

Djelovanje roga temelji se na svojstvu zvuka da se odbija od glatkih površina - cijevi koja se širi, obično okruglog ili pravokutnog presjeka. Pri korištenju sirene zvučni valovi se ne raspršuju u svim smjerovima, već formiraju uski snop, zbog čega se snaga zvuka povećava i širi na veću udaljenost.

Nekoliko poznatih višestrukih odjeka: u dvorcu Woodstock u Engleskoj, odjek jasno ponavlja 17 slogova. Ruševine dvorca Derenburg u blizini Halberstadta dale su eho od 27 slogova, koji je, međutim, bio tih jer je jedan zid dignut u zrak. Stijene, raširene u obliku kruga kod Adersbacha u Čehoslovačkoj, ponavljaju na određenom mjestu tri puta po 7 slogova; ali nekoliko koraka od ove točke, čak ni zvuk pucnja ne daje nikakav odjek. Vrlo višestruki odjek primijećen je u jednom (sada nepostojećem) dvorcu u blizini Milana: hitac ispaljen s prozora gospodarske zgrade odjeknuo je 40-50 puta, a glasna riječ - 30 puta ... U konkretnom slučaju, odjek je koncentracija zvuka odbijajući ga od konkavnih zakrivljenih površina. Dakle, ako se izvor zvuka nalazi u jednom od dva žarišta elipsoidnog svoda, tada se zvučni valovi skupljaju u njegovom drugom žarištu. To objašnjava, na primjer, poznati " uho Dioniza"u Sirakuzi - špilja ili udubina u zidu, iz koje se svaka riječ izgovorena od strane zatvorenika u njoj mogla čuti na nekom mjestu udaljenom od nje. Jedna crkva na Siciliji imala je slično akustičko svojstvo, gdje se na određenom mjestu moglo čuti šapat riječi u U tom smislu također su poznati Mormonski hram na Slanom jezeru u Americi i špilje u parku samostana Oliva u blizini Danziga.U Olimpiji (Grčka) u Zeusovom hramu, "Trijem jeke" preživio je do danas . U njemu se glas ponavlja 5 ... 7 puta. U Sibiru postoji nevjerojatno mjesto na rijeci Leni sjeverno od Kirensk Reljef tamošnjih stjenovitih obala je takav da odjek truba motornih brodova hod uz rijeku može se ponoviti i do 10 ili čak 20 puta (pod povoljnim vremenskim uvjetima). Takav se odjek ponekad doživljava kao postupno stišavajući zvuk, a ponekad kao zvuk koji leprša iz raznih smjerova. Višestruki odjeci mogu se čuti i na jezeru Teletskoye u planinama Altaj. Ovo jezero je dugo 80 km i samo nekoliko kilometara trov u širini; obale su mu visoke i strme, obrasle šumama. Pucanj iz pištolja ili oštar glasan krik generira ovdje do 10 eho signala koji zvuče 10 ... 15 s. Zanimljivo je da se često zvučni odgovori promatraču čine kao da dolaze negdje odozgo, kao da je jeku pokupila obalna visina.

Ovisno o terenu, položaju i orijentaciji promatrača, vremenskim uvjetima, dobu godine i dana, jeka mijenja glasnoću, boju i trajanje; mijenja se broj ponavljanja. Osim toga, frekvencija audio odgovora također se može promijeniti; može se pokazati da je veća ili, obrnuto, niža od frekvencije izvornog audio signala.

Nije tako lako pronaći mjesto gdje se jeka jasno čuje čak i jednom. U Rusiji je, međutim, relativno lako pronaći takva mjesta. Mnogo je ravnica okruženih šumama, mnogo čistina u šumama; valja na takvoj čistini glasno vikati da iz zida šume dopre više ili manje jasna jeka.

Definicija 1

Jeka- fizikalna pojava koja se sastoji u prihvaćanju valova koji se odbijaju od prepreka (elektromagnetskih, zvučnih itd.) od strane promatrača.

Eho je isti odraz, samo ogledalo reflektira svjetlost, au slučaju jeke zvuk. Svaka prepreka može postati zrcalo za zvuk. Što je zvuk oštriji, nagliji, to je jeka jasnija. Najbolji način izazivanja jeke je pljeskanje rukama. Nizak muški glas se loše odražava, a visok glas daje jasnu jeku.

Odjeci se mogu čuti ako se zvuk proizvodi na licu mjesta, okružen brdima ili velikim zgradama.

akustični fenomen

Akustični valovi odbijaju se od zidova i drugih tvrdih površina poput planina. Kada zvuk putuje kroz medij koji nema konstantna fizička svojstva, može se lomiti.

Slika 1. Objašnjenje kako radi eho

Ljudsko uho ne može razlikovati jeku od izvornog zvuka ako je kašnjenje manje od $1/15$ sekunde.

Jačina odjeka često se mjeri u dB razinama zvučnog tlaka (SPL) u odnosu na sam emitirani val. Odjeci mogu biti poželjni (kao u sonaru) ili nepoželjni (kao u telefonskim sustavima).

O obliku površine ovisi i refleksija zvučnih valova od površina. Ravne površine reflektiraju zvučne valove, tako da je kut pod kojim val prilazi površini jednak kutu pod kojim val napušta površinu.

Refleksija zvučnih valova od zakrivljenih površina dovodi do zanimljivijeg fenomena. Zakrivljene površine paraboličnog oblika imaju naviku fokusiranja zvučnih valova u točku. Zvučni valovi reflektirani od paraboličkih površina koncentriraju svu svoju energiju u jednoj točki u prostoru; u ovom trenutku zvuk se pojačava. Znanstvenici su dugo vjerovali da sove imaju sferne diskove na svojim licima koji se mogu koristiti za prikupljanje i reflektiranje zvuka.

Korištenje refleksije zvuka

Brzina zvuka u vodi je drugačija nego u zraku. Razmotrite rad ehosondera. Proizvodi oštar zvuk koji, prolazeći kroz vodeni stup, dopire do dna mora, reflektira se i vraća natrag u obliku jeke. Ehosonda ga hvata i izračunava udaljenost do dna mora.

Slika 2. Rad ehosondera

Refleksija zvuka koristi se u mnogim uređajima. Na primjer, zvučnik, sirena, stetoskop, slušni aparat itd.

Stetoskop se koristi za slušanje zvukova unutarnjih organa pacijenta; u dijagnostičke svrhe. Djeluje prema zakonima refleksije zvuka.

Šišmiši koriste ultrazvučne valove visoke frekvencije (kratke valne duljine) kako bi poboljšali svoju sposobnost lova. Tipičan plijen šišmiša je moljac, predmet koji nije mnogo veći od samog šišmiša. Šišmiši koriste ultrazvučne tehnike eholokacije kako bi locirali svoje rođake u zraku. Ali zašto ultrazvuk? Odgovor na ovo pitanje leži u fizici difrakcije. Kako valna duljina postaje kraća od prepreke na koju nailazi, val se više ne može raspršiti oko nje i stoga se reflektira. Šišmiši koriste ultrazvučne valove s valnim duljinama manjim od veličine njihovog plijena. Ti će se zvučni valovi sudarati s plijenom i umjesto da se difragiraju oko plijena, odbiti će se od plijena, omogućujući mišu da lovi eholokacijom.

Ako zvučni val ne naiđe na prepreke na svom putu, on se jednoliko širi u svim smjerovima. Ali ne postaje svaka prepreka za nju prepreka.

Nakon susreta s preprekom na svom putu, zvuk se može saviti oko nje, reflektirati, lomiti ili apsorbirati.

difrakcija zvuka

Možemo razgovarati s osobom koja stoji iza ugla zgrade, iza stabla ili iza ograde, iako je ne vidimo. Čujemo ga jer se zvuk može saviti oko tih objekata i prodrijeti u područje iza njih.

Sposobnost vala da obiđe prepreku naziva se difrakcija .

Difrakcija je moguća kada je valna duljina zvučnog vala veća od veličine prepreke. Zvučni valovi niske frekvencije prilično su dugi. Na primjer, na frekvenciji od 100 Hz, to je 3,37 m. Kako se frekvencija smanjuje, duljina postaje još veća. Stoga se zvučni val lako savija oko njemu razmjernih objekata. Drveće u parku uopće nas ne sprječava da čujemo zvuk jer su promjeri njihovih debala puno manji od valne duljine zvučnog vala.

Uslijed difrakcije, zvučni valovi prodiru kroz pukotine i rupe na prepreci i šire se iza njih.

Postavimo ravni ekran s rupom na putanju zvučnog vala.

Kada valna duljina zvuka ƛ mnogo veći od promjera otvora D , ili su te vrijednosti približno jednake, onda će iza rupe zvuk doprijeti do svih točaka područja koje se nalazi iza zaslona (područje sjene zvuka). Odlazna fronta vala će izgledati kao hemisfera.

Ako ƛ samo malo manji od promjera proreza, tada se glavni dio vala širi izravno, a mali dio lagano divergira u stranu. I u slučaju kada ƛ mnogo manje D , cijeli će val ići u smjeru naprijed.

refleksija zvuka

U slučaju udarca zvučnog vala u sučelje između dva medija, moguće su različite opcije za njegovo daljnje širenje. Zvuk se može reflektirati od sučelja, može otići u drugi medij bez promjene smjera ili se može lomiti, odnosno otići, mijenjajući smjer.

Pretpostavimo da se na putu zvučnog vala pojavila prepreka čija je veličina mnogo veća od valne duljine, na primjer, strma litica. Kako će se zvuk ponašati? Budući da ne može zaobići ovu prepreku, od nje će se odraziti. Iza prepreke je zona akustične sjene .

Zvuk odbijen od prepreke naziva se jeka .

Priroda refleksije zvučnog vala može biti različita. Ovisi o obliku reflektirajuće površine.

odraz zove se promjena smjera zvučnog vala na granici između dva različita medija. Kada se reflektira, val se vraća u medij iz kojeg je došao.

Ako je površina ravna, zvuk se odbija od nje na isti način kao što se zraka svjetlosti odbija u zrcalu.

Zvučne zrake odbijene od konkavne površine fokusiraju se u jednu točku.

Konveksna površina raspršuje zvuk.

Učinak disperzije daju konveksni stupovi, velike letvice, lusteri itd.

Zvuk ne prelazi iz jednog medija u drugi, već se od njega reflektira ako se gustoće medija značajno razlikuju. Dakle, zvuk koji se pojavio u vodi ne prelazi u zrak. Odbijen od sučelja, ostaje u vodi. Osoba koja stoji na obali rijeke neće čuti ovaj zvuk. To je zbog velike razlike u otporu valova vode i zraka. U akustici je valni otpor jednak umnošku gustoće medija i brzine zvuka u njemu. Budući da je valni otpor plinova puno manji od valnog otpora tekućina i krutih tvari, kad udari u granicu zraka i vode, zvučni val se reflektira.

Ribe u vodi ne čuju zvuk koji se pojavljuje iznad površine vode, ali jasno razlikuju zvuk čiji je izvor tijelo koje vibrira u vodi.

lom zvuka

Promjena smjera širenja zvuka naziva se refrakcija . Ova pojava nastaje kada zvuk prelazi iz jednog medija u drugi, a brzina njegovog širenja u tim medijima je različita.

Omjer sinusa kuta upada i sinusa kuta refleksije jednak je omjeru brzina širenja zvuka u mediju.

gdje ja - upadni kut,

r je kut refleksije,

v1 je brzina širenja zvuka u prvom mediju,

v2 je brzina širenja zvuka u drugom mediju,

n je indeks loma.

Lom zvuka naziva se refrakcija .

Ako zvučni val ne pada okomito na površinu, već pod kutom koji nije 90°, tada će lomljeni val odstupiti od smjera upadnog vala.

Lom zvuka može se promatrati ne samo na granici između medija. Zvučni valovi mogu promijeniti smjer u nehomogenom mediju – atmosferi, oceanu.

U atmosferi je refrakcija uzrokovana promjenama temperature zraka, brzine i smjera kretanja zračnih masa. A u oceanu se pojavljuje zbog heterogenosti svojstava vode - različitog hidrostatskog tlaka na različitim dubinama, različitih temperatura i različite slanosti.

apsorpcija zvuka

Kada zvučni val udari u površinu, dio njegove energije se apsorbira. A koliko energije medij može apsorbirati može se odrediti poznavanjem koeficijenta apsorpcije zvuka. Ovaj koeficijent pokazuje koji dio energije zvučnih vibracija apsorbira 1 m 2 prepreke. Ima vrijednost od 0 do 1.

Jedinica mjere za apsorpciju zvuka naziva se sabin . Ime je dobio po američkom fizičaru Wallace Clement Sabin, utemeljitelj arhitektonske akustike. 1 sabin je energija koju apsorbira 1 m 2 površine, čiji je koeficijent apsorpcije jednak 1. Odnosno, takva površina mora apsorbirati apsolutno svu energiju zvučnog vala.

Reverberacija

Wallace Sabin

Svojstvo materijala da apsorbiraju zvuk široko se koristi u arhitekturi. Istražujući akustiku predavaonice, u sklopu Muzeja Fogg, Wallace Clement Sabin zaključio je da postoji odnos između veličine dvorane, akustičkih uvjeta, vrste i površine materijala koji apsorbiraju zvuk i vrijeme odjeka .

Reverb naziva se proces odbijanja zvučnog vala od prepreka i njegovo postupno slabljenje nakon isključivanja izvora zvuka. U zatvorenom prostoru zvuk se može višestruko odbiti od zidova i predmeta. Kao rezultat toga, pojavljuju se različiti eho signali, od kojih svaki zvuči kao da je odvojen. Ovaj efekt se zove efekt odjeka .

Najvažnija značajka sobe je vrijeme odjeka , koji je uveo i izračunao Sabin.

gdje V - volumen prostorije,

ALI – opća apsorpcija zvuka.

gdje a ja je koeficijent apsorpcije zvuka materijala,

Si je površina svake površine.

Ako je vrijeme odjeka dugo, čini se da zvukovi "lutaju" prostorijom. One se preklapaju jedna preko druge, zagušuju glavni izvor zvuka i dvorana počinje grmiti. Uz kratko vrijeme odjeka, zidovi brzo upijaju zvukove i postaju gluhi. Stoga svaka soba mora imati svoj točan izračun.

Na temelju rezultata svojih proračuna, Sabin je rasporedio materijale koji apsorbiraju zvuk na takav način da je smanjen "efekt jeke". A Bostonska simfonijska dvorana, u kojoj je bio konzultant za akustiku, još uvijek se smatra jednom od najboljih dvorana na svijetu.

Kao i u svakom valnom procesu, kada zvučni valovi padnu na prepreku ograničene veličine, osim interferencije uočava se i njihova refleksija (sl. 1.10). U tom su slučaju kutovi upada i refleksije međusobno jednaki. Dakle, ravne i konveksne površine raspršuju zvuk (sl. 1.10 a, b i c.), dok ga konkavne fokusiraju i koncentriraju u određenoj točki (sl. 1.10 d).

Slika 1.10 Refleksija zvučnih valova od površina različitih oblika

Kada valovi padnu na granicu dva medija (slika 1.11), dio zvučne energije se reflektira, a dio prelazi u drugi medij.

Riža. 1.11 Refleksija i širenje valova na granici dvaju medija

Prema zakonu održanja energije zbroj proteklih E prošlost. i odraženo E neg. energija jednaka energiji upadnog vala E blok, , tj.

Epad \u003d Eotr. + Eprosh.

(1.59)

Podijelite desnu i lijevu stranu formule s E jastučić .

1 = (E neg./ Epad) +(Eprosh / Epad)

Izrazi u gornjem omjeru pokazuju koji se udio upadne energije reflektirao, a koji je prošao dalje. To su koeficijenti refleksije i transmisije. Uvodeći za njih oznake η odnosno τ, dobivamo

Na slici 1.12 prikazana je promjena koeficijenata refleksije i transmisije ovisno o omjeru akustičkih impedancija susjednih medija. Iz grafikona je vidljivo da vrijednost koeficijenata ovisi samo o apsolutu

apsolutna vrijednost omjera akustičkih impedancija medija, ali ne ovisi o tome koja je od tih impedancija veća. Ovo može objasniti činjenicu da se zvuk koji se širi u bilo kojem masivnom zidu podvrgava istoj refleksiji od sučelja sa zračnim medijem kao zvuk koji se širi u zraku kada se reflektira od tog zida.

Riža. 1.12. Izgledi η i τ ovisno o omjeru akustičkih impedancija susjednih medija (Z 1 /Z 2)

U brojnim je slučajevima zanimljivo znati kako će se promijeniti zvučni tlak ili brzina vibracije čestica pri prolasku kroz granicu dvaju medija. Budući da je intenzitet zvučne energije proporcionalan kvadratima zvučnog tlaka i brzine vibracija, očito je da se koeficijent refleksije za tlak i brzinu može pronaći formulom

Gornje formule za koeficijente refleksije i transmisije mogu se koristiti u izračunima jednodimenzionalnih vodova zvuka kada se njihov presjek mijenja (slika 1.13), ako je površina poprečnog presjeka S1 i S2 ne previše različiti. Na

sl.1.13. Mijenjanje dijelova zvučnog vodiča

Apsorpcija zvuka

Apsorpcija zvuka (prigušenje, disipacija) – pretvaranje zvučne energije u toplinu. Uzrokovana je i toplinskom vodljivošću i viskoznošću (klasična apsorpcija) i intramolekularnom refleksijom. Pri vrlo velikim amplitudama, koje se javljaju samo u blizini vrlo snažnih izvora zvuka ili tijekom nadzvučnog udara, javljaju se nelinearni procesi koji dovode do izobličenja valnog oblika i pojačane apsorpcije.

Za zvuk u plinovima i tekućinama apsorpcija je od praktične važnosti samo kada se zvuk širi na velike udaljenosti (barem nekoliko stotina valnih duljina) ili kada se na putu zvuka susreću tijela s vrlo velikom površinom.

Razmotrimo proces prolaska zvuka kroz prepreku (slika 1.14). Incidentna zvučna energija E jastučić . dijeli se na energiju odbijenu od prepreke E neg apsorbiran u njemu E apsorbirati a energija je prošla kroz prepreke

Prema zakonu održanja energije

sl.1.14. Raspodjela energije pri udaru zvuka na prepreku.

Taj se proces može procijeniti omjerima odaslane, apsorbirane i reflektirane energije prema energiji koja pada na prepreku:

τ = E prošlost. / E jastučić; η = E neg. / E jastučić; α = E apsorbirati. / E jastučić; (1.67)

Kao što je gore spomenuto, prva dva omjera nazivaju se koeficijenti prijenosa τ i refleksije η . Treći koeficijent karakterizira udio apsorbirane energije i naziva se koeficijent apsorpcije α. Očito, iz (1.66) slijedi

α + η + τ = 1

(1.68)

Apsorpcija zvuka je posljedica prijelaza vibracijske energije u toplinu zbog gubitaka trenjem u materijalu. Gubici trenjem su visoki u poroznim i labavim vlaknastim materijalima. Strukture izrađene od takvih materijala smanjuju intenzitet zvučnih valova reflektiranih od površine. Apsorberi zvuka smješteni unutar prostorije također mogu smanjiti intenzitet izravnog zvuka ako se nalaze na putu zvučnih valova.

Rezonatori.

Takozvani rezonator može poslužiti kao učinkovit apsorber zvučnih valova, au nekim slučajevima i njihov pojačivač. Ispod rezonatora ponija

razvija se sustav tipa "masa-opruga" u kojem ulogu oscilirajuće mase ima masa zraka u uskom otvoru ili u prorezu ploče, a ulogu opruge

je elastični volumen zraka u šupljini iza ploče. Shematski prikaz Helmholtzovog rezonatora prikazan je na sl. 1.15

Riža. 1.15. Helmholtzov rezonator

Razmotrimo najjednostavniji zračni rezonator, tj. posuda krutih stijenki i uskog grla. Kad na nju padne zvučni val određene frekvencije, zračni "čep" u grlu posude dolazi u intenzivno oscilatorno gibanje. Brzina titranja čestica u grlu nekoliko je puta veća od brzine titranja u slobodnom zvučnom polju. ξ . U unutarnjem volumenu rezonatora u to vrijeme, tlak se odgovarajuće povećava R . Ako cijev dovedete do unutarnje šupljine rezonatora, tada će percipirani zvuk biti glasniji.

Istodobno, s dovoljno velikim gubicima trenja, rezonator može djelovati ne kao pojačalo, već kao apsorber zvučne energije. Ako se u grlo rezonatora unese sloj materijala koji apsorbira zvuk, apsorpcija će se znatno povećati.

Prirodna kružna frekvencija o s masom m na opruzi s krutošću s može se pronaći po dobro poznatoj formuli

izmjene, čija vrijednost ovisi o obliku vrata i površini njegovog presjeka. Stoga je vlastita frekvencija rezonatora definirana kao

fo=	s o			S	(1.72)
2π			V( l+l ja+lα)

U takvim rezonantnim sustavima, u prisutnosti vanjskog izvora zvuka, zrak zatvoren u šupljini oscilira s njim u skladu s amplitudom koja ovisi o omjeru između vrijednosti perioda prirodnih i prisilnih oscilacija. Kada se izvor isključi, rezonator vraća oscilacije nakupljene u njemu, postajući na kratko vrijeme sekundarni izvor.

Ovisno o karakteristikama, rezonator može pojačati ili apsorbirati zvučne vibracije na određenoj frekvenciji.

Apsorpcija zvuka rezonatora opisuje se pomoću uvjetne karakteristike dio A za upijanje zvuka . Podrazumijeva se kao uvjetno područje poprečnog presjeka okomito na smjer širenja upadnog vala, kroz koje slobodni val (u nedostatku rezonatora) prenosi snagu jednaku onoj koju apsorbira rezonator.

Pretpostavimo da su dimenzije rezonatora male u usporedbi s duljinom upadnog vala. Tada u prvoj aproksimaciji možemo zanemariti raspršenje zvučne energije na kućištu rezonatora. Ako uzmemo otvor rezonatora zatvoren akustički kruto, onda je zvučni tlak u vratu p h = p l , i vibracijska brzina υ = p h / Z h (ako je rezonator na ekranu, tada će se množitelj dodati u gornje formule 2 ).

Impedancija vrata rezonatora je zbroj unutarnjih gubitaka R i , aktivna otpornost na zračenje R r te reaktancije mase i elastičnosti.

2. INDUSTRIJSKA AKUSTIKA