Кути падіння та відображення звуку від людини. Відображення звуку

Звуковий тиск р залежить від швидкості v коливань частинок середовища. Обчислення показують, що

де р - щільність середовища, з - швидкість звукової хвилі серед. Твір рс називають питомим акустичним імпедансом, для плоскої хвилі його називають хвильовим опором.

Хвильовий опір - найважливіша характеристика середовища, що визначає умови відображення та заломлення хвиль на її кордоні.

Уявімо, що звукова хвиля потрапляє на межу розділу двох середовищ. Частина хвилі відбивається, а частина – заломлюється. Закони відображення та заломлення звукової хвилі аналогічні Законам відображення та заломлення світла. Заломлена хвиля може поглинутись у другому середовищі, а може вийти з неї.

Припустимо, що плоска хвиля падає нормально до межі розділу, інтенсивність її в першому середовищі I 1 інтенсивність заломленої хвилі в минулому середовищі 1 2 . Назвемо

коефіцієнтом проникнення звукової хвилі

Релей показав, що коефіцієнт проникнення звуку визначається формулою

Якщо хвильовий опір другого середовища дуже великий порівняно з хвильовим опором першого середовища (з 2 р 2 >> з 1 ρ 1), то замість (6.7) маємо

оскільки з 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Наведемо хвильові опори деяких речовин за 20 °С (табл. 14).

Таблиця 14

Використовуємо (6.8) для обчислення коефіцієнта проникнення звукової хвилі з повітря в бетон та воду:

Ці дані справляють враження: виявляється, тільки дуже мала частина енергії звукової хвилі проходить з повітря бетон і воду.

У кожному закритому приміщенні відбитий від стін, стель, меблів звук падає інші стіни, підлоги та ін., знову відбивається і поглинається і поступово згасає. Тому навіть після того, як джерело звуку припинить дію, у приміщенні все ще є звукові хвилі, що створюють гул. Особливо це помітно у великих просторих залах. Процес поступового згасання звуку в закритих приміщеннях після вимкнення джерела називають реверберацією.

Реверберація, з одного боку, корисна, оскільки сприйняття звуку посилюється з допомогою енергії відбитої хвилі, але, з іншого боку, надмірно тривала реверберація може значно погіршити сприйняття мови, музики, оскільки кожна нова частина тексту перекривається попередніми. У зв'язку з цим зазвичай вказують деякий оптимальний час реверберації, який враховується при будівництві аудиторій, театральних та концертних залів тощо. Наприклад, час реверберації заповненого Колонного залу Будинку спілок у Москві дорівнює 1,70 с, заповненого у великого театру - 1, 55 с. Для цих приміщень (порожніх) час реверберації відповідно 4,55 та 2,06 с.

Фізика слуху

Розглянемо деякі питання фізики слуху на прикладі зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха. Зовнішнє вухо складається з вушної раковини 1 і зовнішнього слухового проходу 2 (рис. 6.8). Вушна раковина у людини не відіграє істотної ролі для слуху. Вона сприяє визначенню локалізації джерела звуку за його розташування в передньо-задньому напрямку. Пояснимо це. Звук від джерела потрапляє у вушну раковину. Залежно від положення джерела у вертикальній площині

(Рис. 6.9) звукові хвилі будуть по-різному дифрагувати на вушній раковині через її специфічну форму. Це призведе і до зміни спектрального складу звукової хвилі, що потрапляє в слуховий прохід (детальніше питання дифракції розглядаються в гл. 19). Людина в результаті досвіду навчилася асоціювати зміну спектра звукової хвилі з направленням на джерело звуку (напрямки А, Б та Б на рис. 6.9).

Володіючи двома звукоприймачами (вухами), людина та тварини здатні встановити напрямок на джерело звуку та в горизонтальній площині (бінауральний ефект; рис. 6.10). Це пояснюється тим, що звук від джерела до різних вух проходить різну відстань і виникає різниця фаз для хвиль, що потрапляють у праву та ліву вушні раковини. Зв'язок між різницею цих відстаней (5) та різницею фаз (∆φ) виведено в § 19.1 при поясненні інтерференції світла [див. (19.9)]. Якщо джерело звуку знаходиться прямо перед обличчям людини, то δ = 0 і ∆φ = 0, якщо джерело звуку розташоване збоку проти однієї з вушних раковин, то в іншу вушну раковину він потрапить із запізненням. Вважатимемо приблизно, що в цьому випадку 5 є відстань між вушними раковинами. За формулою (19.9) можна розрахувати для v = 1 кГц та δ = 0,15 м різниця фаз. Вона приблизно дорівнює 180 °.

Різним напрямкам на джерело звуку в горизонтальній площині будуть відповідати різниці фаз між 0 і 180 (для наведених вище даних). Вважають, що людина з нормальним слухом може фіксувати напрями на джерело звуку з точністю до 3 °, цьому відповідає різниця фаз 6 °. Тому можна вважати, що людина здатна розрізняти зміну різниці фаз звукових хвиль, що потрапляють у вуха, з точністю до 6°.

Окрім фазової відмінності бінарального ефекту сприяє неоднаковість інтенсивностей звуку у різних вух, а також і «акустична тінь» від голови для одного вуха. На рис. 6.10 схематично показано, що звук джерела потрапляє в ліве

вухо внаслідок дифракції (гл. 19).

Звукова хвиля проходить через слуховий прохід і частково відбивається від барабанної перетинки 3 (див. рис. 6.8). В результаті інтерференції падаючої та відбитої хвиль може виникнути акустичний резонанс. У цьому випадку довжина хвилі вчетверо, більша за довжину зовнішнього слухового проходу. Довжина слухового проходу у людини дорівнює приблизно 2,3 см; отже, акустичний резонанс виникає при частоті

Найбільш істотною частиною середнього вуха є барабанна перетинка 3 і слухові кісточки: молоточок 4, ковадло 5 і стремечко 6 з відповідними м'язами, сухожиллями та зв'язками. Кісточки здійснюють передачу механічних коливань від повітряного середовища зовнішнього вуха до рідкого внутрішнього середовища. Рідке середовище внутрішнього вуха має хвильовий опір, що дорівнює рівному хвильовому опору води. Як було показано (див. § 6.4), при прямому переході звукової хвилі з повітря у воду передається лише 0,123% падаючої інтенсивності. Це надто мало. Тому основне призначення середнього вуха - сприяти передачі внутрішньому вуху більшої інтенсивності звуку. Використовуючи технічну мову, можна сказати, що середнє вухо узгодить хвильові опори повітря та рідини внутрішнього вуха.

Система кісточок (див. рис. 6.8) на одному кінці молоточком пов'язана з барабанною перетинкою (площа S 1 = 64 мм 2), на іншому – стремечком – з овальним вікном 7 внутрішнього вуха (площа S 2 = 3 мм 2).

На овальне вікно внутрішнього вуха при цьому діє сила F 2 створює звуковий тиск р 2 в рідкому середовищі. Зв'язок між ними:
Розділивши (6.9) на (6.10) та зіставляючи це співвідношення з (6.11), отримуємо

звідки

або у логарифмічних одиницях (див. § 1.1)

На такому рівні збільшує середнє вухо передачу зовнішнього звукового тиску внутрішньому юшку.

Ще одна з функцій середнього вуха – ослаблення передачі коливань у разі звуку великої інтенсивності. Це здійснюється рефлекторним розслабленням м'язів кісточок середнього вуха.

Середнє вухо з'єднується з атмосферою через слухову (євстахієву) трубу.

Зовнішнє та середнє вухо відносяться до звукопровідної системи. Звуковосприймаюча система є внутрішнє вухо.

Головною частиною внутрішнього вуха є равлик, що перетворює механічні коливання електричний сигнал. Крім равлика до внутрішнього вуха належить вестибулярний апарат (див. § 4.3), який до слухової функції не має відношення.

Равлик людини є кістковим утворенням завдовжки близько 35 мм і має форму конусоподібної спіралі з 23/4 завитків. Діаметр біля основи близько 9 мм, висота дорівнює приблизно 5 мм.

На рис. 6.8 равлик (обмежений штриховою лінією) показаний схематично розгорнутим для зручності розгляду. Уздовж равлика проходять три канали. Один з них, який починається від овального вікна 7, називається вестибулярними сходами 8. Інший канал йде від круглого вікна 9, він називається барабанними сходами 10. Вестибулярні і барабанні сходи з'єднані в області купола равлики за допомогою маленького отвору - гелікотреми 1. ці канали до певної міри представляють єдину систему, наповнену перилимфой. Коливання стремечка 6 передаються мембрані овального вікна 7, від неї перилимфе і «вип'ячують» мембрану круглого вікна 9. Простір між вестибулярними та барабанними сходами називається равликовим каналом 12, він заповнений ендолімфою. Між равликовим каналом і барабанними сходами вздовж равлика проходить основна (базилярна) мембрана 13. На ній знаходиться кортієвий орган, що містить рецепторні (волоскові) клітини, від равлика йде слуховий нерв (на рис. 6.8 ці подробиці не показані).

Кортієвий орган (спіральний орган) і є перетворювачем механічних коливань в електричний сигнал.

Довжина основної мембрани близько 32 мм, вона розширюється й витончується у бік від овального вікна до верхівки равлики (від ширини 0,1 до 0,5 мм). Основна мембрана - дуже цікава для фізики структура, вона має частотно-виборчі властивості. На це звернув увагу ще Гельмгольц, який

представляв основну мембрану аналогічно до ряду налаштованих струн піаніно. Лауреат Нобелівської премії Бекеші встановив хибність цієї резонаторної теорії. У роботах Бекеші було показано, що основна мембрана є неоднорідною лінією передачі механічного збудження. При дії акустичним стимулом основною мембраною поширюється хвиля. Залежно від частоти ця хвиля по-різному згасає. Чим менша частота, тим далі від овального вікна пошириться хвиля основною мембраною, перш ніж вона почне загасати. Так, наприклад, хвиля з частотою 300 Гц до початку згасання поширяться приблизно до 25 мм від овального вікна, а хвиля з частотою 100 Гц досягає максимуму близько 30 мм. З цих спостережень розробили теорії, за якими сприйняття висоти тону визначається положенням максимуму коливання основний мембрани. Таким чином, у внутрішньому вусі простежується певний функціональний ланцюг: коливання мембрани овального вікна - коливання перилімфи - складні коливання основної мембрани - складні коливання основної мембрни - подразнення волоскових клітин (рецептори кортієвого органу) - генерація електричного сигналу.

Деякі форми глухоти пов'язані з ураженням рецепторного апарату равлика. У цьому випадку равлик не генерує електричних сигналів при впливі механічних коливань. Можна допомогти таким глухим, для цього необхідно імплантувати електроди в равлик і подавати на них електричні сигнали, що відповідають тим, що виникають при дії механічного стимулу.

Таке протезування основної функції, равлики (кохлеарне протезування) розробляється у низці країн. У Росії кохлеарне протезування розроблено та здійснено у Російському медичному університеті. Кохлеарний протез показано на рис. 6.12 тут 1 - основний корпус, 2 - завушина з мікрофоном, 3 - вилка електричного роз'єму для приєднання до імплантованих електродів.

Кожен із вас знайомий з таким звуковим явищем, як луна. Відлуння утворюється в результаті відображення звуку від різних перешкод - стін великого порожнього приміщення, лісу, склепінь високої арки в будівлі.

Відлуння чути лише тому випадку, коли відбитий звук сприймається окремо від сказаного. Для цього потрібно, щоб проміжок часу між впливом цих двох звуків на барабанну перетинку вуха становив щонайменше 0,06 с.

Визначимо, через який час після вимовленого вами короткого вигуку відбитий від стіни звук досягне вашого вуха, якщо ви стоїте на відстані 3 м від цієї стіни.

Звук повинен пройти відстань до стіни та назад, тобто 6 м, поширюючись зі швидкістю 340 м/с. На це буде потрібно час t = s/v, тобто. t = 6м/340м/с = 0,02 с.

Інтервал між двома сприйманими вами звуками - вимовленим і відбитим - значно менший від того, який необхідний, щоб почути відлуння. Крім того, утворенню луни в кімнаті перешкоджає меблі, штори, що знаходяться в ній, і інші предмети, що частково поглинають відбитий звук. Тому в такому приміщенні мова людей та інші звуки не спотворюються луною і звучать чітко та розбірливо.

Великі напівпорожні приміщення з гладкими стінами, підлогою та стелею мають властивість дуже добре відображати звукові хвилі. У такому приміщенні завдяки набігу попередніх звукових хвиль на наступні виходить накладання звуків, і утворюється гул. Для покращення звукових властивостей великих залів та аудиторій їх стіни часто облицьовують звукопоглинаючими матеріалами.

На властивості звуку відбиватися від гладких поверхонь засновано дію рупора - труби, що розширюється, зазвичай круглого або прямокутного перерізу. При використанні рупора звукові хвилі не розсіюються на всі боки, а утворюють вузьконаправлений пучок, за рахунок чого потужність звуку збільшується і він поширюється на більшу відстань.

Декілька знаменитих багаторазових луна: у замку Вудсток в Англії луна чітко повторює 17 складів. Руїни замку Деренбург біля Гальберштадта давали 27-складну луну, яка, проте, замовкла з того часу, як одна стіна була підірвана. Скелі, розкинуті у формі кола біля Адерсбаха в Чехословаччині, повторюють у певному місці, триразово 7 складів; але за кілька кроків від цієї точки навіть звук пострілу не дає жодної луни. Дуже багаторазове луна спостерігалося в одному (нині неіснуючому) замку поблизу Мілана: постріл, зроблений з вікна флігеля, повторювався луною 40-50 разів, а гучне слово - разів 30... У окремому випадку луна складає зосередження звуку за допомогою відображення його від увігнутих кривих поверхонь. Так, якщо джерело звуку вміщено в одному з двох фокусів еліпсоїдального склепіння, то звукові хвилі збираються в іншому його фокусі. Таким чином пояснюється, наприклад, знамените " вухо ДіонісаУ Сиракузах - грот або заглиблення в стіні, з якого кожне слово, вимовлене ув'язненими в ньому, могло бути почуте в деякому віддаленому від нього місці. відомі також у цьому відношенні храм мормонів біля Солоного озера в Америці і гроти в монастирському парку Оліва біля Данцига. Сибіру на річці Олені на північ від Кіренська є дивовижне місце: Рельєф скелястих берегів там такий, що луна гудків теплоходів, що йдуть по річці, може повторюватися до 10 і навіть 20 разів (за сприятливих погодних умов). звук, що пурхає з різних напрямків, багато разів можна чути також на Телецькому озері в горах Алтаю, яке має 80 км завдовжки і всього кілька кілом. тров завширшки; його береги високі та круті, вкриті лісами. Постріл із рушниці або різкий голосний крик породжує тут до 10 ехо-сигналів, які звучать протягом 10...15 с. Цікаво, що часто звукові відгуки видаються спостерігачеві, що приходять звідки – то зверху, наче луна була підхоплена прибережними височинами.

Залежно від рельєфу місцевості, місця та орієнтації спостерігача, погодних умов, пори року та доби луна змінює свою гучність, тембр, тривалість; змінюється кількість його повторень. Крім того, може змінитися частота звукового відгуку; вона може бути вищою чи, навпаки, нижчою проти частотою вихідного звукового сигналу.

Не так просто знайти місце, де луна чітко чутно і один раз. У Росії, втім, знайти такі місця порівняно легко. Є багато рівнин, оточених лісами, багато галявин у лісах; варто голосно крикнути на такій галявині, щоб від стіни лісу долинула більш менш виразна луна.

Визначення 1

Відлуння- фізичне явище, яке полягає у прийнятті спостерігачем відбитої від перешкод хвилі (електромагнітної, звукової та ін.)

Відлуння це те саме віддзеркалення, тільки в дзеркалі відбивається світло, а у разі луни - звук. Будь-яка перешкода може стати дзеркало для звуку. Чим різкіший, уривчастіший звук, тим луна виразніша. Найкраще викликати луну лясканням у долоні. Низький чоловічий голос відбивається погано, а високий голос дає чітку луну.

Відлуння можна почути, якщо зробити звук на місці, в оточенні пагорбів або великих будівель.

Акустичне явище

Акустичні хвилі відбиваються від стін та інших твердих поверхонь, таких як гори. Коли звук рухається через середовище, яке має постійних фізичних властивостей, може бути заломлений.

Рисунок 1. Пояснення роботи луна

Людське вухо не може відрізнити відлуння від початкового звуку, якщо затримка становить менше $1/15$ секунди.

Сила ехо часто вимірюється в дБ рівнях звукового тиску (SPL) по відношенню безпосередньо до хвилі, що передається. Відлуння - сигнали можуть бути бажаними (як у сонарі) або небажаними (наприклад, у телефонних системах).

Відображення звукових хвиль від поверхонь залежить від форми поверхні. Плоскі поверхні відбивають звукові хвилі , в такий спосіб, що кут, у якому хвиля наближається до поверхні, дорівнює куту, у якому хвиля залишає поверхню.

Відображення звукових хвиль від криволінійних поверхонь призводить до цікавішим явищем. Вигнуті поверхні з параболічною формою мають звичку фокусування звукових хвиль у точці. Звукові хвилі, відбиті від параболічних поверхонь, концентрують всю свою енергію в одній точці простору; в цей момент звук посилюється. Вчені довгий час вважали, що сови мають сферичні диски на обличчі, які можуть бути застосовані з метою збирання та відображення звуку.

Використання відображення звуку

У воді швидкість звуку інша, ніж повітря. Розглянемо роботу ехолота. Він видає різкий звук, якою проходячи через товщу води, досягає дна моря, відбивається і біжить у вигляді луни. Ехолот ловить його та обчислює відстань до дна моря.

Рисунок 2. Робота ехолота

Відображення звуку використовується у багатьох пристроях. Наприклад, гучномовець, звуковий сигнал, стетоскоп, слуховий апарат тощо.

Стетоскоп використовується для того, щоб почути звуки внутрішніх органів пацієнта; для діагностичних цілей. Він працює за законами відображення звуку.

Кажани використовують високу частоту (мала довжина хвилі) ультразвукових хвиль для того, щоб підвищити їхню здатність полювати. Типовою жертвою кажана є моль - об'єкт не набагато більше, ніж сама кажан. Кажани використовують ультразвукові методи ехолокації, щоб виявити своїх родичів у повітрі. Але чому ж ультразвук? Відповідь це питання лежить у фізиці дифракції. Так як довжина хвилі стає меншою, ніж перешкода, з якою вона стикається, хвиля вже не в змозі розсіюватися навколо нього, і внаслідок чого відбивається. Кажани використовують ультразвукові хвилі з довжинами хвиль, меншими, ніж розміри їх видобутку. Ці звукові хвилі будуть зіштовхуватися зі здобиччю, і замість дифрагуватися навколо видобутку, вони відбиватимуться від видобутку, що дозволить миші полювати за допомогою ехолокації.

Якщо звукова хвиля не зустрічає перешкод своєму шляху, вона поширюється рівномірно у всіх напрямах. Але й не всяка перешкода стає перепоною для неї.

Зустрівши перешкоду своєму шляху, звук може огинати його, відбиватися, заломлюватися чи поглинатися.

Дифракція звуку

Ми можемо розмовляти з людиною, що стоїть за рогом будівлі, за деревом або за парканом, хоч і не бачимо його. Ми чуємо його, тому що звук здатний огинати ці предмети і приникати в область, що за ними.

Здатність хвилі огинати перешкоду називається дифракцією .

Дифракція можлива коли довжина звукової хвилі перевищує розмір перешкоди. Звукові хвилі низької частоти мають досить велику довжину. Наприклад, при частоті 100 Гц вона дорівнює 3,37 м. Зі зменшенням частоти довжина стає ще більшою. Тому звукова хвиля з легкістю огинає об'єкти, порівняні з нею. Дерева в парку зовсім не заважають нам чути звук, тому що діаметри їх стовбурів значно менші за довжину звукової хвилі.

Завдяки дифракції, звукові хвилі проникають через щілини та отвори у перешкоді та поширюються за ними.

Розташуємо на шляху звукової хвилі плоский екран із отвором.

У випадку, коли довжина звукової хвилі ƛ набагато перевищує діаметр отвору D , або ці величини приблизно рівні, то за отворами звук досягне всіх точок області, яка знаходиться за екраном (область звукової тіні). Фронт хвилі буде виглядати як півсфера.

Якщо ж ƛ лише трохи менше діаметра щілини, то основна частина хвилі поширюється прямо, а невелика частина трохи розходиться в сторони. А у випадку, коли ƛ набагато менше D , вся хвиля піде у прямому напрямку.

Відображення звуку

У разі попадання звукової хвилі на межу розділу двох середовищ, можливі різні варіанти її подальшого розповсюдження. Звук може відбитися від поверхні розділу, може перейти в інше середовище без зміни напрямку, а може переломитися, тобто перейти, змінивши свій напрямок.

Припустимо, на шляху звукової хвилі з'явилася перешкода, розмір якої набагато більший за довжину хвилі, наприклад, прямовисна скеля. Як поведеться звук? Так як обігнути цю перешкоду він не може, він відіб'ється від нього. За перешкодою перебуває зона акустичної тіні .

Відбитий від перешкоди звук називається луною .

Характер відображення звукової хвилі може бути різним. Він залежить від форми поверхні, що відбиває.

Відображенням називають зміну напрямку звукової хвилі межі розділу двох різних середовищ. При відображенні хвиля повертається у середу, з якої вона прийшла.

Якщо поверхня плоска, звук відбивається від неї подібно до того, як відображається промінь світла в дзеркалі.

Відбиті від увігнутої поверхні звукові промені фокусуються на одній точці.

Випукла поверхня звук розсіює.

Ефект розсіювання дають опуклі колони, великі ліпні прикраси, люстри тощо.

Звук не переходить з одного середовища до іншого, а відбивається від нього, якщо щільності середовищ значно відрізняються. Так, звук, що у воді, не перетворюється на повітря. Відбиваючись від межі розділу, він у воді. Людина, що стоїть на березі річки, не почує цей звук. Це пояснюється великою різницею хвильових опорів води та повітря. В акустиці хвильовий опір дорівнює добутку щільності середовища на швидкість звуку в ній. Оскільки хвильовий опір газів значно менше хвильових опорів рідин і твердих тіл, то потрапляючи на межу повітря та води, звукова хвиля відбивається.

Риби у воді не чують звук, що з'являється над поверхнею води, але добре розрізняють звук, джерелом якого є тіло, що вібрує у воді.

Заломлення звуку

Зміна напряму поширення звуку називається заломленням . Це явище виникає, коли звук переходить з одного середовища до іншого, і швидкості його поширення в цих середовищах різні.

Відношення синуса кута падіння до синуса кута відображення дорівнює відношенню швидкостей поширення звуку в середовищах.

де i - Кут падіння,

r - Кут відображення,

v 1 - Швидкість поширення звуку в першому середовищі,

v 2 - Швидкість поширення звуку в другому середовищі,

n - показник заломлення.

Заломлення звуку називають рефракцією .

Якщо звукова хвиля падає не перпендикулярно до поверхні, а під кутом, відмінним від 90 про, то заломлена хвиля відхилиться від напрямку падаючої хвилі.

Рефракція звуку може спостерігатись не тільки на межі розділу середовищ. Звукові хвилі можуть змінювати свій напрямок у неоднорідному середовищі – атмосфері, океані.

В атмосфері причиною рефракції служать зміни температури повітря, швидкість та напрямок переміщення повітряних мас. А в океані вона виникає через неоднорідність властивостей води – різного гідростатичного тиску на різних глибинах, різної температури та різної солоності.

Поглинання звуку

При зустрічі звукової хвилі з поверхнею частина її енергії поглинається. А скільки енергії може поглинути середовище, можна визначити, знаючи коефіцієнт поглинання звуку. Цей коефіцієнт показує, яку частину енергії звукових коливань поглинає 1 м2 перешкоди. Вона має значення від 0 до 1.

Одиницю виміру звукопоглинання називають себін . Свою назву вона отримала на ім'я американського фізика Уоллес Клемента Себіна, засновника архітектурної акустики. 1 себін - це енергія, яку поглинає 1 м 2 поверхні, коефіцієнт поглинання якої дорівнює 1. Тобто така поверхня повинна поглинати абсолютно всю енергію звукової хвилі.

Реверберація

Уоллес Себін

Властивість матеріалів поглинати звук широко використовують у архітектурі. Займаючись дослідженням акустики Лекційного залу, частини побудованого Fogg Museum, Уоллес Клемент Себін дійшов висновку, що існує залежність між розмірами зали, акустичними умовами, типом та площею звукопоглинаючих матеріалів та часом реверберації .

Реверберацією називають процес відображення звукової хвилі від перешкод та її поступове згасання після вимкнення джерела звуку. У закритому приміщенні звук може багаторазово відбиватися від стін та предметів. В результаті виникають різні ехосигнали, кожен з яких звучить ніби відокремлено. Цей ефект називають ефектом реверберації .

Найважливішою характеристикою приміщення є час реверберації , яке ввів та обчислив Себін.

де V - Обсяг приміщення,

А - загальне звукопоглинання.

де a i - Коефіцієнт звукопоглинання матеріалу,

S i - Площа кожної поверхні.

Якщо час реверберації великий, звуки ніби "блукають" залом. Вони накладаються один на одного, заглушають основне джерело звуку, і зал стає гучним. За маленького часу реверберації стіни швидко поглинають звуки, і вони стають глухими. Тому для кожного приміщення має бути свій точний розрахунок.

За результатами своїх обчислень Себін розташував звукопоглинальні матеріали таким чином, що зменшився ефект луні. А Симфонічний Зал Бостона, під час створення якого він був акустичним консультантом, досі вважається одним із найкращих залів у світі.

Як у будь-якому хвильовому процесі, при падінні звукових хвиль на перешкоду обмежених розмірів крім інтерференції спостерігається їх відображення (рис.1.10). При цьому кути падіння та відображення рівні один одному. Отже, плоскі та опуклі поверхні розсіюють звук (рис.1.10 а, б і в.), а увігнуті - фокусуючи, концентрують його в деякій точці (рис.1.10 г).

Рис.1.10 Відображення звукових хвиль від поверхонь різної форми

При падінні хвиль на межі двох середовищ (рис.1.11) частина звукової енергії відбивається, а частина проходить у друге середовище.

Рис. 1.11 Відображення та проходження хвиль на межі двох середовищ

Відповідно до закону збереження енергії сума минулої Є прош. і відбитий Є отр. енергій дорівнює енергії падаючої хвилі Е пад, , тобто.

Епад = Єотр. + Епрош.

(1.59)

Розділимо праву та ліву частини формули на Е пад .

1 = (Е отр./Епад) +(Епрош / Епад)

Доданки у вищенаведеному співвідношенні показують, яка частка енергії, що падає, відбилася, і яка частка пройшла далі. Вони є коефіцієнти відображення та проходження. Вводячи для них позначення η і τ відповідно, отримаємо

На рис.1.12 показано зміну коефіцієнтів відображення та проходження в залежності від співвідношення акустичних опорів межують середовищ. З графіка видно, що величина коефіцієнтів залежить тільки від абсо-

лютного значення відносин акустичних опорів середовищ, але з залежить від цього, який із цих опорів більше. Цим можна пояснити той факт, що звук, що розповсюджується в будь-якій масивній стінці, зазнає такого ж відображення від межі розділу з повітряним середовищем, що і звук, що розповсюджується в повітрі, при відображенні від цієї стіни.

Рис. 1.12. Коефіцієнти η і τ залежно від співвідношення акустичних опорів меж, що межують (Z 1 /Z 2)

У ряді випадків цікавить знати, як зміниться звуковий тиск або коливальна швидкість частинок при проходженні через кордон двох середовищ. Оскільки інтенсивність звукової енергії пропорційна квадратам звукового тиску та віброшвидкості, то очевидно коефіцієнт відображення для тиску та швидкості можна знайти за формулою

Наведені вище формули для коефіцієнтів відображення і проходження можна використовувати в розрахунках одновимірних звуководів при зміні їх перетину (рис.1.13), якщо площі перерізу S 1 і S 2 не надто відрізняються. При

Рис.1.13. Зміна перерізів звуководу

Звукопоглинання

Поглинання звуку (демпфування, дисипація) - перетворення звукової енергії на тепло. Воно викликається як теплопровідністю і в'язкістю (класичне поглинання), і внутрішньомолекулярним відбитком. При дуже великих амплітудах, які зустрічаються лише поблизу дуже потужних джерел звуку або при надзвуковому ударі, виникають нелінійні процеси, що призводять до спотворення форми хвилі і до посиленого поглинання.

Для звуку в газах та рідинах поглинання має практично важливе значення лише тоді, коли звук поширюється на великі відстані (як мінімум кілька сотень значень довжини хвилі) або якщо на шляху звуку трапляються тіла з дуже великою поверхнею.

Розглянемо процес проходження звуку через перешкоду (рис.1.14). Енергія падаючого звуку Е пад . поділяється на енергію відбиту від перешкоди Є отр , поглинену в ньому Е погл і енергію, що пройшла через перешкоджає-

Відповідно до закону збереження енергії

Рис.1.14. Розподіл енергії під час падіння звуку на перешкоду.

Цей процес можна оцінити відносинами енергій минулої, поглиненої та відбитої до енергії, що падає на перешкоду:

τ = Е прош. / Е пад; η = Е отр. / Е пад; α = Е погл. / Е пад; (1.67)

Як уже було сказано вище, перші два відносини називають коефіцієнтами проходження τ та відображення η . Третій коефіцієнт характеризує частку поглиненої енергії та називається коефіцієнтом поглинання α. Очевидно, що з (1.66) випливає

α + η + τ = 1

(1.68)

Поглинання звуку обумовлено переходом коливальної енергії в тепло внаслідок втрат на тертя в матеріалі. Втрати на тертя великі в пористих і пухких волокнистих матеріалах. Конструкції таких матеріалів зменшують інтенсивність відбитих від поверхні звукових хвиль. Звуко-поглиначі, розташовані всередині приміщення, можуть зменшувати також інтенсивність прямого звуку, якщо вони розташовуються на шляху розповсюдження звукових хвиль.

Резонатори.

Ефективним поглиначем звукових хвиль, а деяких випадках їх підсилювачем може бути так званий резонатор. Під резонатором поні-

мається система типу "маса-пружина", в якій роль маси, що коливається, грає маса повітря у вузькому отворі або в щілини пластини, а роль пружини

- Пружний обсяг повітря в порожнині за пластиною. Схематичне зображення резонатора Гельмгольця наведено на рис.1.15

Рис. 1.15. Резонатор Гельмгольця

Розглянемо найпростіший повітряний резонатор, тобто. судину з жорсткими стінками та вузьким горлом. При падінні на нього звукової хвилі певної частоти повітряна "пробка" в горлі судини приходить в інтенсивний коливальний рух. Коливальна швидкість частинок у горлі в кілька разів перевищує коливальну швидкість у вільному звуковому полі ξ . У внутрішньому обсязі резонатора в цей час відповідно збільшується тиск р . Якщо підвести до внутрішньої порожнини резонатора трубку, то звук, що сприймається, буде голосніше.

У той же час, при досить великих втратах на тертя резонатор може виконувати функції не підсилювача, а поглинача звукової енергії. Якщо в горло резонатора ввести шар звукопоглинаючого матеріалу, поглинання помітно зросте.

Власна кругова частота ω про з масою m на пружині з твердістю s можна знайти за відомою формулою

правки, величина яких залежить від форми шийки та площі його поперечного перерізу. Таким чином, власна частота резонатора визначиться як

fo =	з про			S	(1.72)
2π			V ( l+l i+l α)

У таких резонансних системах у присутності зовнішнього джерела звуку ув'язнений у порожнині повітря коливається з ним в унісон з амплітудою, що залежить від співвідношення між величинами періодів власного і вимушеного коливань. При відключенні джерела резонатор віддає назад накопичені всередині нього коливання, стаючи на короткий час вторинним джерелом.

Залежно від характеристик, резонатор може посилювати, або поглинати звукові коливання на тій чи іншій частоті.

Звукопоглинання резонатора описується за допомогою умовної характеристики. звукопоглинаючого перерізу А . Під ним розуміється умовна площа перерізу, перпендикулярного напрямку поширення падаючої хвилі, через яку вільною хвилею (при відсутності резонатора) передається потужність, рівна поглинається резонатором.

Припустимо, що розміри резонатора малі в порівнянні з довжиною падаючої хвилі. Тоді, у першому наближенні, можна знехтувати розсіюванням звукової енергії на корпусі резонатора. Якщо прийняти отвір резонатора закритим акустично жорстко, то звуковий тиск у шийці p h = p l , а коливальна швидкість υ = p h / Z h (якщо резонатор знаходиться на екрані, то в наведених формулах додасться множник 2 ).

Імпеданс шийка резонатора складається з внутрішнього втрат R i , активного опору випромінювання R r та реактивних опорів маси та пружності.

2 . П Р О М Ы Ш Л Е Н Н А Я А К У С Т І К А