ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 1
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Объективная и субъективная характеристики звука Слуховые органы человека способны оценивать громкость звука, его высоту и тембр. Исследуя различные звуки с помощью электронного осциллографа, можно детально сопоставить объективную и субъективную оценки звука. Так как звук есть результат колебаний воздуха, то его можно исчерпывающим образом описать графиком изменения амплитуды (смещения, скорости колебания или давления это довольно 2 безразлично) во времени.
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Объективная и субъективная характеристики звука Подобный гра фик дает возможность выяснить, является ли процесс периодиче ским, и если да, то определить основной тон колебания. Изучая форму кривой периодического колебания, можно установить, ка кие обертоны с какими и амплитудами присутствуют. Иначе говоря, график зависимости колебания от времени позволяет найти спектр колебания, т. е. узнать, какие в нем присут ствуют частоты и акими амплитудами они к представлены в спек тре. 3
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Объективная и субъективная характеристики звука График можно получить с помощью микрофона, присое диненного к осциллографу. В более совершенных установках возможно автоматическое преобразование графика колебания в его спектр. Линейчатыми спектрами обладают периодические колебания, сплошными колебания, не имеющие периода. К первым отно сятся музыкальные звуки, ко вторым 4 различного рода шумы.
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Объективная и субъективная характеристики звука Один и тот же музыкальный тон, взятый на разных инструмен тах, будет иметь одну и ту же основную частоту, но разный спектр. Тембровая окраска звука определяется распределением интенсивностей обертонов: 5
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Объективная и субъективная характеристики звука Чем сложнее спектр, тем богаче тембр звука в музыкальном отношении. Интересно, что фа зовые сдвиги обертонов е влияют на н субъективное восприятие звука. Ухо чувствует только силу обер тонов. Анализ шумов имеет практическое значение. Если известны ча стоты, особенно сильно представленные в шуме, то это облегчает установление причин шума, а значит, и его устранение. 6
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука На рисунке жирными кривыми ограничена область колебаний, воспринимаемых на слух средним человеком. По оси ординат отложены две однозначно связанные величины: амплитуда звукового давления и сила (интенсивность) звука. 7
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука • 8
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука Сила звука может быть измерена в Вт/см 2. Для воздуха rc=41. 41 Сильнейшие звуки, вызывающие болевое ощущение, создаются давлением порядка 2000 бар, очень слабые звуки, но все же воспринимаемые средним человеком, имеют давле ние · 10 4 бар (1 бар = 1 дин/см 2). 2 9
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука Мы получим для предельных интенсивностей звука цифры от 0, 5· 10 2 Вт/см 2 до 0, 5· 10 16 Вт/см 2. Столь большой диапазон интенсивностей делает целесообразным введение логарифмической шкалы. 10
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука • Величину К называют уровнем громкости. Таким громкости образом, если силы звука отличаются в миллион раз, то по громкости они различаются на 60 децибелов. 11
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука Оценивая силу звука в децибелах, надо указать нулевой уровень. Обычно берут величину, близкую к порогу слышимости (10 16 Вт/см 2), тогда шепот обладает громкостью порядка 15 д. Б, а шум самолета 120 д. Б. 12
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука Возвращаясь еще раз к диаграмме слуховых восприя тий, отме тим, что область речи за ключена в более узкие рамки как по часто там (от 100 до 0000 Гц), 1 так и по силам (от 40 до 80 д. Б). Звуки разной частоты обладают различной слышимостью. Лучше всего ухо воспринимает частоты в несколько тысяч Герц. 13
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Сила и громкость звука Ниже 20 Гц лежит область инфразвука, выше 10000 20000 Гц — область ультра звука. Примерные значения звукового давления р, интенсив ности и громкости звука К: I р, бар I, Вт/см 2 К, д. Б Порог слышимости 2, 9· 10 4 10 16 0 Падение капель 2, 9· 10 3 10 14 20 Тихий разговор на расстоянии 5 м 2, 9· 10 2 10 12 40 2, 9 10 8 80 290 10 4 120 Симфонический оркестр (фортиссимо) Авиамотор на расстоянии 5 м 14
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика В одних помещениях произносимая речь звучит неразборчиво, хотя и громко, в других залах оратору надо возвышать голос, чтобы быть услышанным. Представляют интерес поиски физических кон стант помещения, характеризующих его акустические свойства. Опыт показывает, что важнейшим фактором такого рода является так называемое время реверберации время, в течение которого произнесенный звук ослабляется в миллион раз по отношению к пер воначальной силе. 15
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика В акустическом отношении помещение наилуч шее, сли время реверберации t е составляет 0, 5 1, 5 с. Если t меньше 3 с, помещения считают хорошими. Если же t превосходит 5 с, то акустика такого помещения очень плоха, она характеризуется «гулким звучанием» . Произнесенный в каком либо месте большого зала звук отра жается от стенок, пола и потолка комнаты, отражается от мебели, от драпировок, от одежды сидящих в зрительном зале людей. 16
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика Если при каждом отражений звук теряет большую долю энергии, то зату хание звука произойдет очень быстро. Время реверберации в этом случае очень мало, звук будет «глухим» . Гулкость возникнет в том случае, если звук будет многократно отражаться с малым затуха нием. Слушатель будет улавливать звуковую волну, непосредственно достигшую уха, двукратно отраженную, трехкратно отраженную и т. д. 17
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика Если время между приходом этих звуковых волн не превысит 1/15 с, то ухо услышит не два или три звука, как в хорошо извест ном явлении эха, а воспримет размазанный и, следовательно, нечеткий звук. Очевидно, что вопрос о времени затухания звука определяется поглощением его окружающими телами. Так как звук отражается многократно, через короткое время постоянного звучания какого либо источника все помещение более или менее равномерно запол нится звуковой, . е. колебательной, т энергией. 18
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика Через короткий срок установится равновесие между энергией, отдаваемой источником, и энергией, поглощаемой средой. Заметим, кстати, что при отсутствии поглощения звуковая энергия в закрытом помещении возрастала бы неограниченно при постоянном звучании источника. Представим себе, что источник звука прекратил свою работу. Тогда будет происходить лишь одно явление, а именно, поглощение звуковой энергии поверхностью тел, находящихся в помещении. 19
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика Каждый из материалов, принимающих участие в этом процессе, об ладает характерным для него коэффициентом поглощения a. Если в помещении имеется открытое окно, то для него коэффициент поглощения можно принять равным 1, так как звук полностью уходит (а это все равно, что поглощается) из помещения. Для гладкой и твердой стены коэффициент a близок к нулю (для бетона 0, 015). Теперь поглощение звука, характерное для всего помещения, можно описать величиной A=a 1 S 1+a 2 S 2+a 3 S 3+. . 20
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика • 21
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика Коэффициент поглощения для бетона мы привели только что; не намного больше (до 3%) энергии погло щают стекло, дерево, штукатурка. Резкое увеличение поглощения происходит при внесении в помещение мягких материалов. Так, одежда одного человека поглощает столько же звука, сколько 20 м 2 стены. Для мягких материалов коэффициенты поглощения колеблются от 0, 5 до 0, 9. 22
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Архитектурная акустика Для решения акустических проблем при строительстве зданий большое значение имеют пори стые материалы, коэффициент поглощения которых может прибли зиться к для мягких a материалов (пеностекло, пенобетон). 23
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Если волна переходит из одной среды в другую, то она меняет направление распространения в соответствии с законом преломле ния. Угол, на который меняется направление распространения, определяется показателем преломления, т. е. отношением скоростей распространения. Известно, что скорость распространения звука чувствитель но зависит от температуры. Изменение температуры на 1°С меняет скорость звука примерно на 0, 5 м/с. 24
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика В различных слоях зем ной тмосферы а температура имеет, как правило, разные значения. Значит, в разных слоях воз духа звук будет иметь раз личную скорость. Как же ска жется на распространении звука то обстоятельство, что он движется в среде, где коэф фициент преломления непре рывно меняется? Ответ на этот вопрос да ет хема, изображенная с на следующем слайде. 25
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Представим себе, что звук проходит через серию слоев, внутри которых показатель преломления постоянен, а при переходе от слоя к слою ме няется скачком. Путь звуковой волны представится ломаной линией. Если же толщины слоев будут малы и различия в коэффици ентах преломления начнут уменьшаться, то ломаная линия будет неотличима от кривой. 26
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Значит, в среде переменного показателя преломления звуковые волны распространяются, вообще говоря, по кривым линиям. При этом линия загибается всегда таким образом, что от точки к точке волна движется кратчайшее время (это положение носит название принципа Ферма). В этом случае прямая линия в известном смысле не является кратчайшей. 27
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика • 28
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика • 29
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика • 30
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Таким образом, волна, идущая в неоднородной среде, меняет свое направление так, чтобы удлинить свой путь в среде с большой ско ростью распространения и сократить его в слоях, где скорость рас пространения меньше. Иначе говоря, слои с большой скоростью рас пространения будут проходиться по возможности полого, а слои с малой скоростью распространения по возможности отвесно. 31
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Эти замечания делают вполне понятными рисунки, на которых схематически представлен ход звуковой волны для случая, когда температура воздуха убывает с высотой (что обычно имеет место днем) и когда температура возрастает с высотой (ночные условия). 32
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика В данном случае большая скорость распространения звука имеет место в слоях, близких к земле. Если проследить за распростране нием звуковой волны, вышедшей из надземного пункта под неболь шим углом к вертикали, то обнаружится следующая картина. 33
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Каж дый последующий слой отклоняет волну все дальше и дальше от вер тикали. Когда угол падения достигнет 34
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика То есть волна не только не распро страняется вдоль земной поверхности, но, напротив, поворачивается и 35
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Физическую сущность этого явления мы рассмотрим позже на примере электромагнитных волн. Нарисованная картина делает понятным образование «зон молчания» . Ночью путь звуковой волны обращен выпуклостью кверху. Поэтому слышимость ночью много выше, чем днем. 36
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Атмосферная акустика Если же звук распространяется над отражающей поверхностью (водная гладь), то несильные звуки могут быть слышны за несколько кило метров. Путь волны представляет тогда последовательность выпуклых дуг 37
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Действие ультразвука • 38
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Действие ультразвука Ясно, что такое сильное механическое действие может привести к ряду специфических явлений. К ним относится явление кавитации. В момент колебания, соответствующий предельному растяжению в жидкости, находящейся в ультразвуковом поле, происходит микро скопический разрыв, куда устремляются растворенные газы и пар. В момент колебания, соответствующий сжатию, в области этих раз рывов возникают колоссальные давления порядка тысяч атмосфер. 39
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Действие ультразвука Столь существенные действия ультразвука могут быть использо ваны для преодоления сил, действующих между молекулами. Эмульсии (жир в воде, бензол в воде и пр. ) диспергируются под дей ствием ультразвука. В частице, взвешенной в воде, рано или поздно наступает кавитационный разрыв. Дробящее действие ультразвука находит широкое применение в промышленности. 40
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Действие ультразвука Однако и при отсутствии кавитации действие ультразвука может быть немаловажным. Если ультразвуковая волна проходит через аэрозоль (газ со взвешенными твердыми частицами, например дым) то результатом является осаждение частиц. Ультразвуковые коле бания собирают твердые частицы в узлах звукового давления, ча стицы слипаются и становятся достаточно тяжелыми, чтобы опу ститься на землю. 41
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Действие ультразвука Нахождение раковин, внутренних трещин и других дефектов ме таллов с помощью ультразвукового просвечивания является также важной областью применения ультразвука. Метод основан на отра жении ультразвука границей среда воздух или основной металл включение. Заметный эффект будет получен лишь в том случае, если размеры дефекта больше длины волны. Чтобы увидеть дефект размером в 1 мм, нужна длина волны менее 0, 1 мм и, значит, частоты порядка 109 Гц. 42
ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Действие ультразвука Обычно работают на много меньших частотах (107 Гц) и применяют метод для обнаружения крупных пороков. Широко известно применение ультразвука в эхолотах и гидро локаторах. 43
Скачать презентацию ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 1 ВОПРОСЫ АКУСТИКИ Объективная и
9 Вопросы акустики.pptx