Что такое отражение звуковых волн от преград. Скорость звука

ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА

ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА

Явление, возникающеепри падении звуковой на границу раздела двух упругих сред и состоящеев образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, рассеяние звука или дифракциязвука.
Падающая волна вызывает границыраздела сред, в результате к-рого и возникают отражённые и преломлённыеволны. Их структура и интенсивность должны быть таковы, чтобы по обе стороиыот границы раздела скорости частиц и упругие напряжения, действующие награницу раздела, были равны. Граничные условия на свободной поверхностисостоят в равенстве нулю упругих напряжений, действующих на эту .
Отражённые волны могут совпадать по типуполяризации с падающей волной, а могут иметь и др. поляризацию. В последнемслучае говорят о преобразовании, или конверсии, мод при отражении или преломлении. Отражение плоских волн .Особую роль играет отражение плоских волн, поскольку плоские волны, отражаясьи преломляясь, остаются плоскими, а произвольной формы можнорассматривать как отражение совокупности плоских волн. Кол-во возникающихотражённых и преломлённых волн определяется характером упругих свойствсред и числом акустич. ветвей, существующих в них. В силу граничных условийпроекции на плоскость раздела волновых векторов падающей, отражённых ипреломлённых волн равны между собой (рис. 1).

Рис. 1. Схема отражения и преломления плоенойзвуковой волны на плоской границе раздела.

Отсюда следуют законы отражения и преломления, i , отражённыхk r и преломлённых k t волн и нормаль NN" кгранице раздела лежат в одной плоскости (плоскости падения); 2) отношениясинусов углов падения отражения ипреломления кфазовым скоростям c i ,и соответствующихволн равны между собой:
(индексы и обозначаютполяризации отражённых и преломлённых волн). В изотропных средах, где направленияволновых векторов совпадают с направлениями звуковых лучей, законы отраженияи преломления принимают привычную форму закона Снелля. В анизотропных средахзаконы отражения определяют только направления волновых нормалей; как будутраспространяться преломлённые или отражённые лучи, зависит от направлениялучевых скоростей, соответствующих этим нормалям.
При достаточно малых углах падения всеотражённые и преломлённые волны представляют собой плоские волны, уносящиеэнергию падающего излучения от границы раздела. Однако, если для к.-л. преломлённой волны большескорости c i падающей волны, то для углов падения, большихт. н. критич. угла =arcsin, нормальнаякомпонента волнового вектора соответствующей преломлённой волны становится мнимой, 2. Однакопадение волны на границу раздела под углом, большим критического ,может и не приводить к полному отражению, поскольку падающего излученияможет проникать во 2-ю среду в виде волн другой поляризации.
Критич. угол существует и для отражённыхволн, если при О. з. происходит конверсия мод и волны ,возникающей в результате конверсии, больше скорости c i падающейволны. Для углов падения, меньших критич. угла часть падающей энергии уносится от границы в виде отражённой волны с поляризацией ;при такая волнаоказывается неоднородной, затухающей в глубь среды 1, и не принимает участияв переносе энергии от границы раздела. Напр., критич. угол = arcsin(c т /c L) возникает при отражении поперечнойакустич. волны Т от границы изотропного твёрдого тела и конверсииеё в продольную волну L (с т и C L - скорости поперечной и продольной звуковой волны соответственно).
Амплитуды отражённых и преломлённых волн в соответствии с граничными условиями линейным образом выражаютсячерез амплитуду А i падающей волны, подобно тому, какэти величины в оптике выражаются через амплитуду падающей эл.-магн. волныс помощью Френеля формул. Отражение плоской волны количественнохарактеризуется амплитудными коэф. отражения, представляющими собой отношенияамплитуд отражённых волн к амплитуде падающей:=Амплитудные коэф. отражения в общем случае комплексны: их модули определяютотношения абс. значении амплитуд, а фазы задают фазовые сдвиги отражённыхволн. Аналогично определяются и амплитудные коэф. прохождения Перераспределение энергии падающего излучения между отражёнными и преломлённымиволнами характеризуется коэф. отражения и прохождения по интенсивности, представляющими собой отношения нормальных к границераздела компонент средних по времени плотностей потоков энергии в отражённой(преломлённой) и в падающей волнах:

где - интенсивности звука в соответствующих волнах,и -плотности соприкасающихся сред. Баланс энергии, подводимой к границе разделаи уносимой от неё, сводится к балансу нормальных компонент потоков энергии:

Коэф. отражения зависят как от акустич. .Характер угл. зависимости определяется наличием критич. углов, а такжеуглов нулевого отражения ,при падении под к-рыми отражённая волна с поляризацией не образуется.

О. з. на границе двух жидкостей . Наиб. простая картина О. з. возникает на границе раздела двухжидкостей. Конверсия волн при этом отсутствует, и отражение происходитпо зеркальному закону, а коэф. отражения равен

где и c 1,2 - плотности и скорости звука в граничащих средах . и 2. Еслискорость звука для падающей волны больше скорости звука для преломлённой( с 1 c 2), то критич. угол отсутствует.

при нормальном падении волны на границураздела до значения R = - 1 при скользящем падении Если акустич. r 2 с 2 среды 2 больше импеданса среды 1 , то при угле падения

коэф. отражения обращается в нуль и всёпадающее полностью проходит в среду 2.
Когда с 1 <с 2 ,возникает критический угол =arcsin(c 1 /c 2). При <коэф. отражения - действительная величина; фазовый между падающейи отражённой волнами отсутствует. Величина коэф. отражения меняется отзначения R 0 при нормальном падении до R = 1 приугле падения, равном критическому. Нулевое отражение и в этом случае можетиметь место, если для акустич. импедансов сред выполняется обратное неравенство угол нулевого отражения по-прежнему определяется выражением (6). Для угловпадения, больших критического, имеет место полное внутр. отражение:и падающее излучение в глубь среды 2 не проникает. В среде 2, однако, поле отражённой волны формируетсяв результате интерференции двух полей: зеркально отражённой волны и волны, 1 неоднородной волной, возникшей в среде 2. Приотражении неплоских (напр., сферических) волн такая переизлучённая волнанаблюдается реально в эксперименте в виде т. н. боковой волны (см. Волны, разделОтражение и ).

О. з. от границы твёрдого тела . Характер отражения усложняется, если отражателем являетсятвёрдое тело. Когда с в жидкости меньше скоростейпродольного с L и поперечного с т звукав твёрдом теле, при отражении на границе жидкости с твёрдым телом возникаютдва критич. угла: продольный =arcsin ( с/с L )и поперечный =arcsin ( с/с т ). При этом , поскольку всегда с L > с т . При углахпадения коэф. отражения действителен (рис. 2). Падающее излучение проникает в твёрдоетело в виде как продольной, так и поперечной преломлённых волн. При нормальномпадении звука в твёрдом теле возникает только и значение R 0 определяется отношением продольных акустич. импедансов жидкости и твёрдого тела аналогично ф-ле (5) (- плотности жидкости и твёрдого тела).

Рис. 2. Зависимость модуля коэффициентаотражения звука | R | (сплошная линия) и его фазы (штрих-пунктирная линия) на границе жидкости и твёрдого тела от угла падения .

При коэф. и частьпадающего излученпя проникает в глубь твёрдого тела в виде преломлённойпоперечной волны. Поэтому для <<величина лишь при поперечная волна не образуется и |R| = 1. Участие неоднородной продольнойволны в формировании отражённого излучения обусловливает, как и на границедвух жидкостей, фазовый сдвиг у отражённой волны. При имеет местополное внутр. отражение:1. В твёрдом теле вблизи границы образуются лишь экспоненциально спадающиев глубь тела неоднородные волны. Фазовый сдвиг у отражённой волны для углов связан в основном с возбуждением на границе раздела вытекающей Рэлеяволны. Такая волна возникает на границе твёрдого тела с жидкостью приуглах падения, близких к углу Рэлея = arcsin ( с/с R), где C R - скоростьволны Рэлея на поверхности твёрдого тела. Распространяясь вдоль поверхностираздела, вытекающая волна полностью переизлучается в .
Если с с т . тополное внутр. отражение на границе жидкости с твёрдым телом отсутствует:падающее излучение проникает в при любом угле падения, покрайней мере в виде поперечной волны. Полное отражение возникает при падениизвуковой волны под критич. углом или при скользящем падении. При c>c L коэф. отражения действительный, О. з., распространяющегося в твёрдом теле. При распространении звука в изотропном твёрдом теле наиб. простойхарактер носит отражение сдвиговых волн, направление колебаний в к-рыхпараллельно плоскости раздела. Конверсия мод при отражении или преломлениитаких волн отсутствует. При падении на свободную границу или границу разделас жидкостью такая волна отражается полностью (R = 1) по закону зеркальногоотражения. На границе раздела двух изотропных твёрдых тел наряду с зеркальноотражённой волной в среде 2 образуется преломлённая волна с поляризацией, При падении поперечной волны, поляризованнойв плоскости падения, на свободную поверхность тела, на границе возникаеткак отражённая той же поляризации, так и продольная волна. ,меньших критического угла = = arcsin (c T /c L), коэф. отражения R T и R L - чисто действительные: отражённые волны уходят от границы точно вфазе (или в противофазе) с падающей волной. При отграницы уходит только зеркально отражённая поперечная волна; вблизи свободнойповерхности образуется неоднородная продольная волна.
Коэф. отражения становится комплексным, Если граница твёрдого тела находится вконтакте с жидкостью, то при отражении волн (продольной или поперечной, 2. Её также лежит в плоскостипадения.

О . з. на границе раздела анизотропныхсред . О. з. на границе раздела кристаллич. сред носит сложный характер. и отражённыхи преломлённых волн в этом случае сами являются ф-циями углов отражения и преломления (см. Кристаллоакустика); поэтому даже определение углов и по заданному углу падения сталкивается с серьёзными матем. трудностями. Если известны сечения поверхностейволновых векторов плоскостью падения, то используется графич. метод определенияуглов и концыволновых векторов k r и k t лежат наперпендикуляре NN", проведённом к границе раздела через конец волновоговектора k i падающей волны, в точках, где этот перпендикулярпересекает разл. полости поверхностей волновых векторов (рис. 3). Кол-воотражённых (или преломлённых) волн, реально распространяющихся от границыраздела в глубь соответствующей среды, определяется тем, со сколькими полостямипересекается перпендикуляр NN" . Если пересечение с к.-л. полостьюотсутствует, то это означает, что волна соответствующей поляризации оказываетсянеоднородной и энергию от границы не переносит. Перпендикуляр NN" можетпересекать одну и ту же полость в неск. точках (точки a 1 и а 2 на рис. 3). Из возможных положений волнового вектора k r (или k t )реальнонаблюдаемым волнам соответствуют лишь те, для к-рых вектор лучевой скорости,

Рис. 3. Графический метод определения угловотражения и преломления на границе раздела кристаллических сред 1 и 2.L, FT и ST - поверхности волновых векторов для квазипродольных, Как правило, отражённые (преломлённые)волны принадлежат разл. ветвям акустич. колебании. Однако в кристаллахсо значит. анизотропией, когда поверхность волновых векторов имеет вогнутыеучастки (рис. 4), возможно отражение с образованием двух отражённых илипреломлённых волн, принадлежащих одной и той же ветви колебаний.
На опыте наблюдаются конечные пучки звуковыхволн, направления распространения к-рых определяются лучевыми скоростями. NN" кгранице раздела. В частности, отражённый может лежать в плоскости паденияпо ту же сторону от нормали N, что и падающий луч. Предельным случаемтакой возможности является наложение отражённого пучка на падающий принаклонном падении последнего.

Рис. 4. Отражение акустической волны, падающейна свободную поверхность кристалла с образованием двух отраженных волнтой же поляризации: а - определение волновых векторов отражённыхволн (с g - векторы лучевой скорости); б - схемаотражения звуковых пучков конечного сечения.

Влияние затухания на характер О. з. .Коэф. отражения и прохождения не зависят от частоты звука, если затуханиезвука в обеих граничных средах пренебрежимо мало. Заметное затухание приводитне только к частотной зависимости коэф. отражения R, но и искажаетего зависимость от угла падения, в особенности вблизи критич. углов (рис.5, а ). При отражении от границы раздела жидкости с твёрдым теломэффекты затухания существенно меняют угловую зависимость R при углахпадения, близких к рэлеевскому углу (рис. 5,б). На границе сред с пренебрежимо малым затуханием притаких углах падения имеет место и |R |= 1 (кривая 1 на рис. 5, б). Наличие затухания приводит ктому, что |R |становится меньше 1, а вблизи образуется минимум |R |(кривые 2 - 4). По мере увеличениячастоты и соответствующего роста коэф. затухания глубина минимума увеличивается, f 0 , наз. частотой нулевогоотражения, мин. значение |R |не обратится в нуль (кривая 3, рис.5, б ). Дальнейший рост частоты приводит к уширенпю минимума (кривая 4 )ивлиянию эффектов затухания на О. з. практически для любых углов падения(кривая 5). Уменьшение амплитуды отражённой волны по сравнению самплитудой падающей не означает, что падающее излучение проникает в твёрдоетело. Оно связано с поглощением вытекающей волны Рэлея, к-рая возбуждаетсяпадающим излучением и участвует в формировании отражённой волны. Когдазвуковая частота f равна частоте f 0 , вся энергияпадающей волны диссипируется на границе раздела.

Рис. 5. Угловая зависимость |R |на границе вода - сталь с учётом затухания: а - общий характер угловойзависимости |R |; сплошная линия - без учёта потерь, штриховая линия- то же с учётом затухания; б - угловая зависимость | R вблизирэлеевского угла при различных значениях поглощения поперечных волн в стали на длине волны. Кривые 1 - 5 соответствуютувеличению этого параметра от значения 3 x 10 -4 (кривая 1 )до значения = 1 (кривая 5) за счёт соответствующего возрастания частоты падающего УЗ-излучения.

О. з. от слоев и пластин .О. з. от слоя или пластины носит резонансный характер. Отражённая и прошедшаяволны формируются в результате многократных переотражений волн на границахслоя. В случае жидкого слоя падающая волна проникает в слой под углом преломления определяемым из закона Снелля. За счёт переотражений в самом слое возникаютпродольные волны, распространяющиеся в прямом и обратном направлениях подуглом к нормали, проведённой к границам слоя (рис. 6, а ). Угол представляетсобой угол преломления, отвечающий углу падения на границу слоя. Если скорость звука в слое с 2 большескорости звука с 1 в окружающей жидкости, то системапереотражённых волн возникает лишь тогда, когда меньше угла полного внутр. отражения = arcsin (c 1 /c 2). Однако для достаточно тонких слоевпрошедшая волна образуется и при углах падения, больших критического. Вэтом случае коэф. отражения от слоя оказывается по абс. величине меньше1. Это связано с тем, что при в слое вблизи той его границы, на к-рую падает извне волна, возникает неоднороднаяволна, экспоненциально спадающая в глубь слоя. Если толщина слоя d меньшеили сравнима с глубиной проникновения неоднородной волны, то последняявозмущает противоположную границу слоя, в результате чего с неё излучаетсяв окружающую жидкость прошедшая волна. Это явление просачивания волны аналогичнопросачиванию частицы через в квантовой механике.
Коэф. отражения от слоя

где - нормальная компонента волнового вектора в слое, ось z - перпендикулярнаграницам слоя, R 1 и R 2 - коэф. О. з. представляет собой периодич. ф-цию звуковой частоты f и толщиныслоя d. При когда имеет место просачивание волны через слой, | R | при увеличении f или d монотонно стремится к 1.

Рис. 6. Отражение звуковой волны от жидкогослоя: а - схема отражения; 1 - окружающая жидкость; 2- слой; б - зависимость модуля коэффициента отражения |R| отугла падения .

Как ф-ция угла падения значение| R | имеет систему максимумов и минимумов (рис. 6, б). Еслипо обе стороны слоя находится одна и та же жидкость, то в точках минимума R= 0. Нулевое отражение возникает, когда набег фазы на толщине слояравен целому числу полупериодов

и волны, выходящие в верхнюю среду последвух последовательных переотражений, будут находиться в противофазе и взаимногасить друг друга. Наоборот, в нижнюю среду все переотражённые волны выходятс одной и той же фазой, и амплитуда прошедшей волны оказывается максимальной. пропускание имеет место, когдана толщине слоя укладывается целое число полуволн: d = где . =1,2,3,...,- длина звуковой волны в материале слоя; поэтому слои, для к-рых выполненоусловие (8), наз. полуволновымн. Соотношение (8) совпадает с условием существованиянормальной волны в свободном жидком слое. В силу этого полное пропусканиечерез слои возникает, когда падающее излучение возбуждает в слое ту илииную нормальную волну. За счёт контакта слоя с окружающей жидкостью нормальнаяволна является вытекающей: при своём распространении она полностью переизлучаетэнергию падающего излучения в нижнюю среду.
Когда жидкости по разные стороны от слояразличны, наличие полуволнового слоя никак не сказывается на падающей волне:коэф. отражения от слоя равен коэф. отражения от границы этих жидкостейпри их непо-средств. контакте. Помимо полуволновых слоев в акустике, каки в оптике, большое значение имеют т. н. четвертьволновые слои, толщинык-рых удовлетворяют условию ( п= 1,2,...).Подбирая соответствующим образом акустич. импеданс слоя, можно получитьнулевое отражение от слоя волны с заданной частотой f при определённомугле падения её на слой. Такие слои используются в качестве просветляющихакустических слоев.
Для отражения звуковой волны от бесконечнойтвёрдой пластины, погружённой в жидкость, характер отражения, описанныйвыше для жидкого слоя, в общих чертах сохранится. При переотражениях впластине дополнительно к продольным будут также возбуждаться сдвиговыеволны. Углы и ,под к-рыми распространяются соответственно продольные и поперечные волныв пластине, связаны с углом падения законом Снелля. Угл. и частотная зависимости|R | будут представлять собой, как и в случае отражения от жидкогослоя, системы чередующихся максимумов и минимумов. Полное пропускание черезпластину возникает в том случае, когда падающее излучение возбуждает вней одну из нормальных волн, представляющих собой вытекающие Лэмба волны. Резонансныйхарактер О. з. от слоя или пластины стирается по мере того, как уменьшаетсяотличие их акустич. свойств от свойств окружающей среды. Увеличение акустич. и |R(fd )|.

Отражение неплоских волн . Реально существуют только неплоские волны; их отражение может бытьсведено к отражению набора плоских волн. Монохроматич. волну с волновымфронтом произвольной формы можно представить в виде совокупности плоскихволн с одной и той же круговой частотой ,но с разл. направлениями волнового вектора k. Осн. характеристикой падающегоизлучения является его пространственный - набор амплитуд A (k)плоских волн, образующих в совокупности падающую волну. Абс. величина kопределяется частотой ,поэтому его не являются независимыми. При отражении от плоскости z= 0 нормальная компонента k z задаётся тангенциальнымикомпонентами k x , k y: k z =Каждая , входящая в состав падающего излучения, падает награницу раздела под своим углом и отражается независимо от других волн. Поле Ф(r ) отражённой волнывозникает как суперпозиция всех отражённых плоских волн и выражается черезпространственный спектр падающего излучения A(k x , k y )икоэф. отражения R(k x , k y):

Интегрирование распространяется на областьсколь угодно больших значений k x и k y . Еслипространственный спектр падающего излучения содержит (как при отражениисферич. волны) компоненты с k x (или k y ),большими ,то в формировании отражённой волны помимо волн с действительными k z принимают участие также неоднородные волны, для к-рых k, - чистомнимая величина. Этот подход, предложенный в 1919 Г. Вейлем (Н. Weyl) иполучивший своё дальнейшее развитие в представлениях фурье-оптики, даётпоследоват. описание отражения волны произвольной формы от плоской грашщыраздела.
При рассмотрении О. з. возможен такжелучевой подход, к-рый основан на принципах геометрической акустики. Падающееизлучение рассматривается как совокупность лучей, взаимодействующих с границейраздела. При этом учитывается, что падающие лучи не только отражаются ипреломляются обычным образом, подчиняясь законам Снелля, но и что частьлучей, падающих на поверхность раздела под определёнными углами, возбуждаетт. н. боковые волны, а также вытекающие (Рэлея и др.)или вытекающие волноводные (Лэмба волны и др.). Распространяясь вдольповерхности раздела, такие волны вновь переизлучаются в среду и участвуютв формировании отражённой волны. Для практики осн. значение имеет отражениесферич. волн, коллимнрованных акустпч. пучков конечного сечения и фокусированныхзвуковых пучков.

Отражение сферических волн . Картина отражения сферич. волны, создаваемой в жидкости I точечнымисточником О, зависит от соотношения между скоростями звука с 1 и с 2 в соприкасающихся жидкостях I и II (рис. 7). Еслиc t > с 2 , то критич. угол отсутствует и отражениепроисходит по законам геом. акустики. В среде I возникает отражённая сферич. О". образуя мнимое изображениеисточника, а отражённой волны представляет собой часть сферыс центром в точке О".

Рис. 7. Отражение сферической волны награнице раздела двух жидкостей: О и О" - действительный имнимый источники; 1 - фронт отражённой сферической волны; 2 - фронт преломлённой волны; 3 - фронт боковой волны.

Когда c 2 l иимеется критич. угол в среде I помимо отражённой сферич. волны возникает ещё одна компонентаотражённого излучения. Лучи, падающие на границу раздела под критич. углом возбуждают в среде II волну, к-рая распространяется со скоростью с 2 вдоль поверхности - раздела и переизлучается в среду I, формируя т. н. О вдоль ОА и затемперешедшие снова в среду I в разл. точках границы раздела от точки . доточки С, в к-рой в этот момент находится фронт преломлённой волны. СВ, наклонённый к границе под углом и простирающийся до точки В, где он смыкается с фронтом зеркальноотражённой сферич. волны. В пространстве фронт боковой волны представляетсобой поверхность усечённого конуса, возникающего при вращении отрезка СВ вокругпрямой ОО". При отражении сферич. волны в жидкости от поверхноститвёрдого тела подобная же конич. волна образуется за счёт возбуждения награнице раздела вытекающей рэлеевской волны. Отражение сферич. волн - одиниз основных эксперим. методов геоакустики, сейсмологии, гидроакустики иакустики океана.

Отражение акустических пучков конечногосечения . Отражение коллимированных звуковых пучков, волновойфронт к-рых в осн. части пучка близок к плоскому, происходит для большинствауглов падения так, будто отражается плоская волна. При отражении пучка, или рэлеевскому углу наряду с зеркальным отражением происходит эфф. боковой иливытекающей ролеевской волны. Поле отражённого пучка в этом случае являетсясуперпозицией зеркально отражённого пучка и переизлучённых волн. В зависимостиот ширины пучка, упругих и вязких свойств граничащих сред возникает либолатеральный (параллельный) сдвиг пучка в плоскости раздела (т. н. смещениеШоха) (рис. 8), либо существенное уширение пучка и появление тонкой

Рис. 8. Латеральное смещение пучка приотражении: 1 - падающий пучок; 2 - зеркально отражённый пучок;3- реально отражённый пучок.

структуры. При падении пучка под угломРэлея характер искажений определяется соотношением между шириной пучка . ирадиац. затуханием вытекающей рэлеевской волны

где - длина звуковой волны в жидкости, А - числовой множитель, близкийк единице. Если ширина пучка значительно больше длины радиац. затухания происходит лишь смещение пучка вдоль поверхности раздела на величину В случае узкого пучка засчёт переизлучения вытекающей поверхностной волны пучок существенно уширяетсяи перестаёт быть симметричным (рис. 9). Внутри области, занятой зеркальноотражённым пучком, в результате интерференции возникает нулевой минимумамплитуды и пучок распадается на две части. Незеркальное отражение коллимиров.

Рис. 9. Отражение звукового пучка конечногосечения, падающего из жидкости Ж на поверхность твёрдого тела Т под угломРэлея: 1 - падающий пучок; 2 - отражённый пучок; а - областьнулевой амплитуды; б - область хвоста пучка.

В последнем случае незеркальный характеротражения обусловлен возбуждением в слое или пластине вытекающих волноводныхмод. Существенную роль играют боковые и вытекающие волны при отражениифокусированных УЗ-пучков. В частности, эти волны используются в микроскопииакустической для формирования акустич. изображений и проведения количеств, Лит.: 1) Бреховских Л. М., Волныв слоистых средах, 2 изд., М., 1973; 2) Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Гидродинамика,4 изд., М., 1988; 3) Бреховских Л. М., Годин О. А., Акустика слоистых сред, В. М. Левин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

• 
  

Звуковое давление р зависит от скорости v колеблющихся частиц среды. Вычисления показывают, что

где р - плотность среды, с - скорость звуковой волны в среде. Произведение рс называют удельным акустическим импедансом, для плоской волны его называют также волновым сопро­тивлением.

Волновое сопротивление - важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на ее гра­нице.

Представим себе, что звуковая волна попадает на границу раздела двух сред. Часть волны отражается, а часть - преломляется. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны Законам отражения и преломления света. Преломленная волна может поглотиться во второй среде, а может выйти из нее.

Допустим, что плоская волна падает нормально к границе раз­дела, интенсивность ее в первой среде I 1 интенсивность прелом­ленной (прошедшей) волны во второй среде 1 2 . Назовем

коэффициентом проникновения звуковой волны.

Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука опреде­ляется формулой

Если волновое сопротивление второй среды весьма велико по сравнению с волновым сопротивлением первой среды (с 2 р 2 >> с 1 ρ 1), то вместо (6.7) имеем

так как с 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Приведем волновые сопротивления некоторых веществ при 20 °С (табл. 14).

Таблица 14

Используем (6.8) для вычисления коэффициента проникнове­ния звуковой волны из воздуха в бетон и в воду:

Эти данные производят впечатление: оказывается, только очень малая часть энергии звуковой волны проходит из воздуха в бетон и в воду.

Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потолков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отражается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще имеются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения источника называют реверберацией.

Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с другой стороны, чрезмерно длительная реверберация может существенно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концертных залов и т. п. Например, время реверберации заполненного Колонного зала Дома союзов в Москве равно 1,70 с, заполненного в большого театра - 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.

Физика слуха

Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2 (рис. 6.8).В Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. Поясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости

(рис. 6.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к из­менению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматри­ваются в гл. 19). Человек в результате опыта научился ассоцииро­вать изменение спектра звуковой волны с направлением на источ­ник звука (направления А, Б и Б на рис. 6.9).

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и живот­ные способны установить направление на источник звука и в гори­зонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 6.10). Это объ­ясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит раз­ное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (5) и разностью фаз (∆φ) выведена в § 19.1 при объясне­нии интерференции света [см. (19.9)]. Если источник звука нахо­дится прямо перед лицом человека, то δ = 0 и ∆φ = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в дру­гую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае 5 есть расстояние между ушными раковинами. По формуле (19.9) можно рассчитать для v = 1 кГц и δ = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точ­ностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия бинауральному эффекту способству­ет неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы для одного уха. На рис. 6.10 схе­матично показано, что звук от источника попадает в левое

ухо в результате дифракции (гл. 19).

Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично от­ражается от барабанной перепонки 3 (см. рис. 6.8). В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. В этом случае длина волны в четыре раза, больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте

Наиболее существенной частью среднего уха являются барабан­ная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связ­ками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, при­близительно равное волновому сопротивлению воды. Как было по­казано (см. § 6.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слиш­ком мало. Поэтому основное назначение среднего уха - способство­вать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Ис­пользуя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Система косточек (см. рис. 6.8) на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S 1 = 64 мм 2), на дру­гом - стремечком - с овальным окном 7 внутреннего уха (пло­щадь S 2 = 3 мм 2).

На овальное окно внутреннего уха при этом действует сила F 2 , создающая Звуковое давление р 2 в жидкой среде. Связь между ними:
Разделив (6.9) на (6.10) и сопоставляя это соотношение с (6.11), получаем

откуда

или в логарифмических единицах (см. § 1.1)

На таком уровне увеличивает среднее ухо передачу наружного звукового давления внутреннему уху.

Еще одна из функций среднего уха - ослабление передачи ко­лебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществля­ется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.

Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евста­хиеву) трубу.

Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей систе­ме. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразую­щая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат (см. § 4.3), который к слуховой функции отношения не имеет.

Улитка человека является костным образованием длиной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали с 2 3 / 4 завитков. Диа­метр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.

На рис. 6.8 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Дру­гой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия - геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перилимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Простран­ство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улит­ковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 6.8 эти подробности не показаны).

Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразовате­лем механических колебаний в электрический сигнал.

Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана - весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который

представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией, передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространятся приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм. На основании этих наблюдений были разработаны теории, согласно которым восприятие высоты тона определяется положением максимума колебания основной мембраны. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна - колебание перилимфы - сложные колебания основной мембраны - сложные колебания основной мембрны - раздражение волосковых клеток (рецепторы кортиева органа) - генерация электрического сигнала.

Некоторые формы глухоты связаны с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических колебаний. Можно помочь таким глухим, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула.

Такое протезирование основной функции, улитки (кохлеарное протезирование) разра­батывается в ряде стран. В России кохлеар­ное протезирование разработано и осуществ­лено в Российском медицинском университе­те. Кохлеарный протез показан на рис. 6.12, здесь 1 - основной корпус, 2 - заушина с микрофоном, 3 - вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируе­мым электродам.

Когда звуковая волна достигает границы раздела среды, в которой она распространяется (например, падает на стену помещения или из воздуха переходит в воду), происходят следующие процессы. Часть звуковой энергии отражается, при этом угол отражения равен углу падения волны; часть звуковой энергии теряется из-за поглощения; часть проходит через границу раздела в другую среду (рис. 13.4).

Для количественного описания этих процессов вводятся следующие коэффициенты:

– коэффициент отражения – β = I отр /I пад;

– коэффициент поглощения – α = I погл /I пад;

– коэффициент прохождения – γ = I пр /I пад,

где I пад, I отр, I погл, I пр - интенсивности падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волны.

Общая сумма коэффициентов всегда равна единице: α + β + γ = 1.

Каждый из коэффициентов меньше единицы, поскольку отраженная, поглощенная и прошедшая волна имеют меньшую интенсивность, чем волна падающая.

Коэффициенты β и γ – величины безразмерные, однако для коэффициента α используется размерность «сэбин ». Коэффициент поглощения в 1 сэбин равен поглощению звука открытым окном площадью в 1 м 2 .

Величина коэффициента поглощения приводится обычно в справочниках для различных материалов. Например, на частоте 500 Гц коэффициент поглощения дерева равен 0,1, мрамора – 0,01, ковра – 0,23. Следует заметить, что величина коэффициента поглощения зависит от частоты: с повышением частоты она увеличивается. Например, для ковра 0,23 на 500 Гц и 0,43 на 4000 Гц. Кроме того, коэффициент поглощения зависит от величины угла падения звуковой волны - максимальное значение он имеет при угле падения 90°. Поэтому в таблицах обычно приводится значение, усредненное для различных углов падения.

Таким образом, при падении звуковой волны на препятствие (например, стену) отраженная волна имеет меньшую амплитуду и некоторый сдвиг по фазе по отношению к падающей волне. Величина этого сдвига зависит от отношения акустических сопротивлений отражающей среды и среды, где волна распространяется.

Структура звуковых волн, отраженных от стен и других предметов в помещении, определяет акустику концертных залов, студий, помещений прослушивания и др. Подбирая различные соотношения коэффициентов, можно менять структуру отраженных волн и тем самым влиять на качество звучания музыки и речи в помещении.

Общий закон отражения звуковой волны «угол падения равен углу отражения» приводит к тому, что если отражения происходит от негладких (шероховатых) поверхностей, то отраженные волны распространяются в разных направлениях, и в помещении создается диффузное рассеянное звуковое поле, что в ряде случаев улучшает общее качество звучания в зале.

Направление отраженных волн зависит от формы отражающей поверхности. Если выбрать поверхность в виде вогнутой или выпуклой чаши, то можно концентрировать (усиливать) или рассеивать звук в определенной точке или направлении («шепчущие» галереи, открытые эстрады, архитектурные формы – эркеры, ниши, купола и пр.) (рис.13.5).

Интересно отметить, что при падении сферической волны на отражающую плоскую поверхность появляется отраженная сферическая волна с центром, находящимся как бы за барьером. Этот центр называется «мнимый источник» (рис. 13.6). Метод мнимых источников используется при расчетах структуры звукового поля в архитектурной акустике.

Рефракция (преломление)

Рефракция – это изменение направления распространения звуковой волны при переходе из одной среды в другую. Как уже отмечалось, звуковая волна, падая на границу раздела двух сред, частично отражается от нее, частично переходит в другую среду. Если эта среда имеет другие физические свойства, значительно отличающиеся от свойств первой (плотность, температура и пр.), то скорость звука в ней меняется, и звуковая волна вследствие этого меняет направление своего распространения (рис. 13.7). Эффект рефракции имеет место и тогда, когда звуковая волна распространяется в одной среде (например, в атмосфере), физические свойства которой постепенно меняются. Примером может служить звуковая волна, распространяющаяся над поверхностью воды. Поскольку воздух над водой имеет более низкую температуру, чем в более высоких слоях, скорость звуковой волны в более холодных слоях становится меньше и направление распространения волны изменяется вниз (звуковые лучи изгибаются в сторону той среды, где скорость звука меньше) (рис. 13.8).

Соотношение изменения углов распространения звуковой волны (а 1 и а 2) и ее скоростей (С 1 и С 2) выражается следующей формулой:

sin a 1 / sin a 2 = с 1 / с 2 .

Явление рефракции может приводить к различным звуковым эффектам (звуковым миражам, т.е. слышимости на больших расстояниях над морем, пустыней и пр.).

Дифракция звуковых волн

Звуковые волны обладают способностью огибать встретившиеся на их пути препятствия и проникать в область за ними. Эта способность к огибанию препятствий называется дифракцией . Благодаря этому явлению звуковые волны могут огибать углы, проникать через щели и отверстия и распространяться за ними. В противном случае звук можно было бы услышать только в пределах прямой видимости источника (рис. 13.9).

Способность к дифракции зависит от соотношения длины волны (т.е. частоты) и размера препятствия:

Если длина волны много больше размеров препятствия (λ >>d ), то звуковая волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя своей структуры и интенсивности. Так же она проходит и через отверстие, которое в этом случае становится как бы новым источником сферической волны (рис. 13.10);

Если длина волны сопоставима с размерами препятствия (λ ~ d ), то звуковая волна огибает его частично (рис. 13.9), за препятствием ее интенсивность становится меньше, появляются области «акустической тени», в случае отверстия звуковая волна начинает концентрироваться вперед, при этом края ее становятся «размытыми»;

Если длина волны меньше размеров препятствия (λ << d ), то звуковая волна отражается от него, и за препятствием образуется «акустическая тень», а через отверстие проходит только узкий звуковой пучок. Поэтому за балконом или колонной тембр звука меняется (низкие и средние частоты огибают их, а высокочастотные – нет).

Явление дифракции лежит в основе бинауральной локализации звука. Вся современная пространственная стереофония построена на использовании этого явления. Звуки разной частоты огибают голову и ушные раковин по-разному. В то время как низкочастотные звуки проходят без изменения интенсивности, среднечастотные и высокочастотные образуют «акустическую тень» (за счет дифракции), граница между ними находится примерно в области 2 кГц. В связи с этим интенсивность звука и тембр меняются в зависимости от расположения источника по отношению к голове, что и позволяет локализовать его в пространстве. Дифракция звука на корпусе микрофонов, на углах корпусов акустических систем и пр. также имеет существенное значение для качества воспроизведения звука и учитывается при их проектировании.

Рассеяние

Рассеяние – это процесс отражения части звуковой волны от препятствия, в то время как остальная ее часть это препятствие огибает. Например, для сферы радиуса a мощность рассеянной волны в области высоких частот равна

Р а = 2πа 2 I 0 , (13.11)

где I 0 интенсивность падающей плоской волны, а – ее радиус.

В общем случае под рассеянием звука понимается возникновение дополнительных звуковых полей на препятствиях, границах и неоднородностях среды.

Именно эти процессы, т.е. дифракция и рассеяние волны на поверхности микрофона приводят к значительному искажению структуры звукового поля вокруг него и изменению его чувствительности.

Распостранение звука в свободном пространстве

Если источник звука всенаправленный , другими словами, звуковая энергия распространяется равномерно во всех направлениях, как например, звук от самолета в воздушном пространстве, то распределение звукового давления зависит только от расстояния и уменьшается на 6 дБ с каждым удвоением расстояния от источника звука.

Если же источник звука направленный , как, например, рупор, то уровень звукового давления зависит как от расстояния, так и от угла восприятия относительно оси излучения звука.

Взаимодействие звука с препятствием

Звуковые (слышимые) волны, встречая на своём пути препятствие, частично поглощаются им, частично отражаются от него, то есть переизлучаются препятствием обратно в помещение и частично проходят через него насквозь.

Сразу следует отметить, что процентное соотношение этих процессов будет различным для звуковых волн разной длины, что обусловлено особенностями поведения ВЧ, СЧ и НЧ волн. Помимо этого немаловажную роль играют характеристики самого препятствия такие, как его толщина, плотность материала из которого оно изготовлено, а также свойства поверхности (гладкая/рельефная, плотная/рыхлая).

Распостранение звука в замкнутом пространстве

Распространение звука в замкнутом пространстве (в условиях помещения) кардинальным образом отличается от условий его распространения в свободном пространстве, так, как звуковая волна встречает на своём пути множество преград (стены, потолок, пол, мебель, предметы интерьера и т.п.).

Возникающие в результате этого многочисленные отражения основного звука взаимодействуют, как с прямым звуком, исходящим непосредственно из динамика и достигающего ушей слушателя кратчайшим путём, то есть, по прямой, так и между собой. Схематически это различие иллюстрирует следующая диаграмма:

1) Открытое пространство: прямой звук;

2) Замкнутое пространство: прямой звук + ранние отражения + реверберация.

Всем известно, что звук отражается от стен, пола и потолка, но как это происходит?

Как уже было рассмотрено выше, звуковая волна, ударяясь о преграду, частично отражается от неё, частично поглощается, а частично проходит сквозь препятствие.

Естественно, чем тверже и плотнее стена, тем большую часть акустической энергии она будет отражать назад во внутреннее пространство помещения.

Звуковые волны отражаются от препятствий остронаправленно, поэтому в местах их отражений от стен, потолка и пола, то есть, в стороне от основного источника звука появляются его дополнительные "образы" (вторичные, «мнимые» источники звука или, так называемые «фантомы». В некоторых зарубежных источниках информации их также называют «горячими областями»).

Отражения, взаимодействуя между собой и с прямым звуком, искажают его и ухудшают отчетливость звуковой картины. А теперь представьте себе, что происходит, когда многочастотный звук сразу от двух или более акустических систем отражается сразу от шести поверхностей комнаты (четырёх стен, потолка и пола), и Вы поймете, какое колоссальное влияние оказывает акустика помещения на качество звука, воспроизводящегося в нём.

Итак, в замкнутом пространстве (в условиях помещения) выделяют три источника звука:

1. Прямой звук - это звук, исходящий непосредственно из динамиков АС (акустической системы) и достигающий ушей слушателя кратчайшим путём - по прямой, то есть, не отражаясь от поверхностей стен, пола и потолка помещения (условно можно считать его оригинальным звуком, записанном на музыкальном носителе).

2. Ранние отражения (первые отражения) - это отражения основного звука от стен, пола и потолка помещения, а также от предметов интерьера, находящихся в нём, достигающие ушей слушателя самыми короткими путями, то есть, претерпевая одно единственное отражение, благодаря чему они сохраняют достаточно большую амплитуду и формируют в областях отражения на поверхностях стен, пола и потолка помещения «образы» (вторичные, виртуальные, «мнимые» источники, «фантомы») прямого звука. Именно поэтому первые отражения являются наиболее важными в общей структуре отражений и, соответственно, оказывают серьёзное влияние на качество звучания и формирование стереокартины.

3. Реверберационные отражения (поздние отражения, реверберация, эхо) . В отличие от ранних отражений, они являются результатом многократных переотражений основного звука от поверхностей стен, пола и потолка помещения. Они достигают ушей слушателя сложными, длинными путями и поэтому имеют низкую амплитуду.

Под основным звуком подразумевается звук, исходящий непосредственно из динамика, но, в отличие от прямого звука, имеет круговую направленность.

Чем же отличаются ранние и поздние отражения?

Чтобы ответить на данный вопрос, необходимо ознакомиться с некоторыми субъективными особенностями человеческого звуковосприятия, связанными с временной характеристикой звука.

Это - так называемый эффект Хааса (Haas effect) , суть которого состоит в том, что, если звук прибывает от нескольких разноудаленных источников, то наша система ухо/мозг идентифицирует (воспринимает) только тот звук, который пришел раньше.

Если разница во времени прибытия нескольких звуковых сигналов составляет до 50 мс , то ранее прибывший звук доминирует над пришедшим позже, даже в случае, если последний на 10 дБ громче (т.е. громче в 3 раза!!!).

Таким образом, все отражения, достигающие ушей слушателя в течение первых 50 мс вслед за прямым звуком, воспринимаются человеческим ухом слитно с прямым сигналом, то есть, как один общий сигнал.

С одной стороны, это приводит к улучшению восприятия речи и субъективному увеличению её громкости, однако, в случае звуковоспроизведения это значительно ухудшает его качество за счёт искажения оригинальной музыкальной информации сливающимися с ней отражёнными звуковыми сигналами.

Если же отражения поступают с задержкой больше, чем 50 мс и имеют сопоставимый уровень с прямым сигналом, человеческое ухо воспринимает их как повторение прямого сигнала, то есть - в виде отдельных звуковых сигналов. В таких случаях эти отражения называют «эхом» (реверберацией) . Эхо существенно ухудшает разборчивость речи и восприятие музыкальной информации.

1) Особое практическое значение имеют ранние отражения (первые отражения) , достигающие уха слушателя во временном промежутке до 20 мс. после прямого сигнала.

Как уже говорилось, они сохраняют большую амплитуду и воспринимаются человеческим ухом слитно с прямым сигналом и, следовательно, искажают его первоначальную (оригинальную) структуру. Таким образом, первые отражения являются одним из основных врагов качественного звука .

Геометрические характеристики ранних отражений напрямую зависят от формы помещения, местоположения источника звука (в нашем случае это АС) и слушателя в нём, являясь уникальными для каждой конкретной точки данного помещения.

Амплитудные же характеристики первых отражений зависят от:

Расстояния между источником звука и отражающей поверхностью;

Расстояния от ушей слушателя до отражающей поверхности;

От акустических свойств самой отражающей поверхности.

Таким образом, акустическая характеристика каждой точки внутреннего пространства помещения, главным образом, определяется сочетанием характеристик прямого звука и ранних отражений, приходящих в данную точку.

2) Реверберация (поздние отражения, эхо).

При воспроизведении звука в помещении мы слышим не только прямой звук от источника и ранние отражения, но и более слабые (тихие) отражённые сигналы, являющиеся результатом многократных длительных переотражений основного звука от стен, пола и потолка помещения. Естественно, что эти звуковые сигналы достигают ушей слушателя с большим опозданием относительно момента прибытия прямого звука и первых отражений. Субъективно это воспринимается в
виде эха.

Таким образом, эффект, при котором затухание звука происходит не сразу, а постепенно, за счет многочисленных его переотражений от стен, пола и потолка помещения, называется реверберацией .

Спектральный состав отраженных сигналов в больших и малых помещениях отличается, так как реверберация несёт в себе информацию о размерах помещения. Помимо этого спектр реверберационных сигналов также содержит информацию о свойствах материалов, из которых изготовлены отражающие поверхности.

Например, реверберация с высоким уровнем высокочастотных составляющих, ассоциируется с комнатой, имеющей твердые стены, которые хорошо отражают высокие частоты. Если же звук реверберации глухой, то слушатель приходит к выводу, что стены комнаты покрыты коврами или драпировками, поглощающими высокие частоты.

Также следует отметить, что спектр реверберационных сигналов позволяет определить расстояние до источника звука.

Наша система ухо/мозг, автоматически оценивая соотношение между уровнями прямого звука и реверберации, самостоятельно делает вывод о том, находится ли источник звука близко (слабая реверберация) или далеко (сильная реверберация).

Кроме того, орган слуха человека устроен таким образом, что качество звуковосприятия зависит не только от количественного соотношения между прямым звуком и реверберацией, но также и от времени запаздывания реверберационного сигнала по отношению к моменту восприятия прямого звука.

Время реверберации представляет собой промежуток времени, в течение которого звуковая волна, многократно переотражаясь эхом по комнате, постепенно затухает. Этот параметр является одним из главных критериев акустической характеристики помещения.

Этот параметр характеризует размеры помещения: в малых помещениях за единицу времени происходит большее количество переотражений, что, в отличие от ситуации в больших комнатах, ведёт к быстрому ослаблению и последующему затуханию реверберации. А также и свойства его отражающих поверхностей: твёрдые глянцевые поверхности, в отличие от рельефных и мягких, хорошо отражают звук, практически не ослабляя его, что в свою очередь, естественно, продлевает время реверберации.

Для обозначения данного параметра было принято сокращение RT60 , то есть время (в секундах), за которое уровень звукового давления (SPL) в помещении снижается на 60 дБ, после того, как источник звука прекратит излучение.

Многократное эхо субъективно воспринимается как гулкость помещения . Чем меньше затухание, тем больше время реверберации и, соответственно, тем сильнее гулкость.

Как уже отмечалось, время реверберации определяется не только размерами помещения, но и отражающей способностью его стен, пола и потолка. Вам приходилось замечать, как непривычен звук в пустой комнате, подготовленной для ремонта, или в громадном ангаре, где имеет место сильная реверберация?

В связи с вышесказанным, целесообразно рассмотреть ещё одну категорию, а именно, радиус гулкости . Что это такое?

Речь идёт о соотношении уровней прямого и отражённого звука. В общем, чем ближе находится слушатель к источнику звука, тем громче прямой звук и, соответственно, тише - отражённый. По мере удаления от источника звука прямой звук ослабевает, а отражённый, наоборот, усиливается.

Логически следуя данному принципу, можно вполне справедливо предположить, что на некотором определённом расстоянии от источника звука прямой и отражённый звук будут восприниматься слушателем с одинаковой громкостью. Так вот окружность, с радиусом, соответствующим радиусу гулкости, и является границей между двумя областями: внутренней с преобладанием прямого звука и наружную, где доминирует отражённый звук.

Особенности поведения звуковых волн разной длины в условиях замкнутого пространства

Очевидно, что поведение звука в музыкальной студии подчиняется законам его распространения в замкнутом пространстве. Рассмотрим этот процесс более детально.

Поведение звуковых волн в замкнутом пространстве зависит от их длины и, соответственно, от частоты их колебаний, варьирующих в пределах от 17 метров (20 Гц - в начале слышимого басового диапазона) до 17 миллиметров (20 КГц - в конце слышимого высокочастотного диапазона).

Упрощенно поведение звуковых волн внутри помещения, в зависимости от их длины, можно представить в виде двух независимых моделей.

Одна - для НЧ выглядит как чисто волновой процесс - интерференция (сложение) всех источников НЧ (как баса от динамиков, так и низкочастотных отражений от стен, пола и потолка), приводящий к образованию трёхмерной картинки для каждой частоты подобно горному рельефу с чередующимися пиками и провалами громкости.

Вторая - для ВЧ, подобна излучению света с известными законами преломления, отражения и дифракции. Она использует наглядные методы геометрической оптики, поскольку в этих областях действуют аналогичные правила. Например, часть энергии звуковой волны, достигшей твердой поверхности, отражается ею под углом, равном углу падения.

Общую картину дополняет смешение этих двух процессов для СЧ.

Средне- и высокочастотные волны (волны малой длины).

Как уже говорилось, поведение звуковых волн ВЧ диапазона в общих чертах подчиняется законам распространения света. Это напрямую относится к волнам ВЧ диапазона и более или менее справедливо по отношению к ВСЧ поддиапазону.

Первой особенностью звуковых волн данного диапазона является их выраженная направленность , то есть изменение (усиление или ослабление) восприятия уровня ВЧ даже при незначительном отклонении от оси их излучения. Проще говоря, высокие частоты распространяются в направлении слушателя подобно лучу прожектора.

Направленность растёт с увеличением частоты сигнала, достигая максимума на самых высоких частотах. Именно направленность определяет основную значимость ВЧ волн в формировании стереокартины.

Второй характерной особенностью ВЧ, является способность к многократному отражению от твёрдых поверхностей, подобно рекошетящей пуле или бильярдному шару, что, в свою очередь, обуславливает их лёгкую рассеиваимость (диффузию).

Третья особенность - лёгкая поглощаемость даже тонкими мягкими поверхностями, такими как, непример, шторы.

Именно благодаря направленности и способности к отражению ВЧ, как отмечалось выше, принимают активное участие в формировании реверберационной картины.

Низкочастотные или басовые волны (волны большой длины).

Итак, поведение НЧ в условиях замкнутого пространства выглядит как чисто волновой процесс, в основе которого лежит интерференция, то есть, процесс сложения (наложения) звуковых волн, исходящих абсолютно от всех НЧ источников, находящихся в помещении, а также множества НЧ-отражений от стен, пола и потолка данного помещения.

Это обусловлено тем, что в отличии от СЧ и ВЧ волн, являющихся направленными, басовые волны равномерно распространяются во всех направлениях подобно сферам, расходящимся от излучающего центра. Таким образом, НЧ звуковые волны являются всенаправленными , именно поэтому, с закрытыми глазами невозможно определить местоположение вуфера.

Это свойство НЧ волн объясняет неспособность участия их в формировании стереокартины.

Помимо этого, благодаря большой длине волны и высокой энергии, НЧ волны способны не только огибать препятствие, но и, частично отражаясь, «проходить» насквозь даже через бетонные стены (это как раз тот случай, когда Ваши дальние соседи по «многоэтажке» слышат низкочастотное «гудение», во время прослушивания Вами музыки).

Таким образом, в отличии от ВЧ, которые легко отражаются от твёрдых поверхностей, басовые волны отражаются гораздо хуже, частично поглощаясь и частично проходя сквозь препятствие, причём с понижением частоты они всё больше утрачивают способность к отражению и предпочитают «идти напролом».

А ещё НЧ волны «умеют» «вытекать» из помещения через открытые оконные и дверные проёмы, а также легко проникать через стекло, как будто его вообще нет.

Учитывая все вышеперечисленные моменты, а также принимая во внимание тот факт, что длины НЧ волн соизмеримы с линейными размерами комнаты (длиной, шириной и высотой), становится понятным, почему на поведение басовых волн основное влияние оказывают именно параметры помещения.

Если длина волны звукового сигнала в два раза больше одного из линейных размеров комнаты, то на её частоте между данной парой стен возникает самое грозное и трудноподавляемое акустическое явление, буквально, «убивающее» звук, - резонанс воздушного объёма .

Субъективно это выражается в усилении сигнала этой конкретной частоты по отношению к уровню остальных частот и появлению гулкости звучания.

Низкочастотные резонансы и стоячие волны возникают между двумя параллельными поверхностями (например, между фронтальной и тыловой стенами или между боковыми стенами, или между полом и потолком) при возбуждении в данном помещении звуковой волны с соответствующей частотой.

Причём абсолютно неважно, что возбудит эту волну: воспроизведение музыки, игра на музыкальном инструменте, тембр голоса при разговоре, звуки коммуникаций или проходящего мимо транспорта, работа электробытовых приборов и т.д.).

Низкочастотные звуковые волны распространяются всенаправленно («... мы не можем локализовать басы, ниже 80 Гц...» - Anthony Grimani) и они обладают огромной энергией. Самые низкие из них - басовые частоты, практически не отражаясь, способны проходить через любые препятствия.

По мере повышения частоты их способность к отражению возрастает, а проникающая способность снижается.

«Считается, что звук распространяется прямолинейно, как любые волны. Но это справедливо лишь для лишенного препятствий широкого пространства. В реальности движение звуковых волн неизмеримо сложнее. Они сталкиваются с препятствиями и друг с другом, и порой распространяются, образуя вихри, по неописуемым траекториям.

На мой взгляд, тем, кто занимается аудиотехникой, необходимо обладать пространственным воображением, чтобы ясно представлять визуальные образы звуковых волн и их поведение, которое невозможно объяснить, опираясь только на теорию электричества.

Похоже, по сей день, огромное количество факторов, влияющих на звуковоспроизведение, остаются неизученными, бросая вызов всем накопленным знаниям и опыту звукоинженеров. Чем больше я размышляю над этим, тем отчетливее понимаю, что мир звука намного глубже, чем мы можем себе представить.»

Как во всяком волновом процессе, при падении звуковых волн на препят-ствие ограниченных размеров помимо интерференции наблюдается их отраже-ние (рис.1.10). При этом углы падения и отражения равны друг другу. Следова-тельно, плоские и выпуклые поверхности рассеивают звук (рис.1.10 а, б и в.), а вогнутые – фокусируя, концентрируют его в некоторой точке (рис.1.10 г) .

Рис.1.10 Отражение звуковых волн от поверхностей различной формы

При падении волн на границу двух сред (рис.1.11) часть звуковой энергии отражается, а часть проходит во вторую среду.

Рис. 1.11 Отражение и прохождение волн на границе двух сред

Согласно закону сохранения энергии сумма прошедшей Е прош. и отражен-ной Е отр. энергий равна энергии падающей волны Е пад, , т.е.

Епад = Еотр. + Епрош.

(1.59)

Разделим правую и левую части формулы на Е пад .

1 = (Е отр./ Епад) +(Епрош/ Епад)

Слагаемые в вышеприведенном соотношении показывают, какая доля па-дающей энергии отразилась, и какая доля прошла дальше. Они представляют собой коэффициенты отражения и прохождения. Вводя для них обозначения η и τ соответственно, получим

На рис.1.12 показано изменение коэффициентов отражения и прохожде-ния в зависимости от соотношения акустических сопротивлений граничащих сред. Из графика видно, что величина коэффициентов зависит только от абсо-

лютного значения отношений акустических сопротивлений сред, но не зависит от того, какое из этих сопротивлений больше. Этим можно объяснить тот факт, что звук, распространяющийся в какой-либо массивной стенке, претерпевает такое же отражение от границы раздела с воздушной средой, что и звук, рас-пространяющийся в воздухе, при отражении от этой стены.

Рис. 1.12. Коэффициенты η и τ в зависимости от соотношения акустических сопротивлей граничаших сред (Z 1 /Z 2)

В ряде случаев представляет интерес знать, как изменится звуковое дав-ление или колебательная скорость частиц при прохождении через границу двух сред. Поскольку интенсивность звуковой энергии пропорциональна квадратам звукового давления и виброскорости, то очевидно коэффициент отражения для давления и скорости можно найти по формуле

Вышеприведенные формулы для коэффициентов отражения и прохождения можно использовать в расчетах одномерных звуководов при изменении их се-чения (рис.1.13), если площади сечения S 1 и S 2 не слишком отличаются. При

Рис.1.13. Изменение сечений звуковода

Звукопоглощение

Поглощение звука (демпфирование, диссипация) - превращение звуко-вой энергии в тепло. Оно вызывается как теплопроводностью и вязкостью (классическое поглощение), так и внутримолекулярным отражением. При очень больших амплитудах, которые встречаются лишь вблизи очень мощных источ-ников звука или при сверхзвуковом ударе, возникают нелинейные процессы, приводящие к искажению формы волны и к усиленному поглощению.

Для звука в газах и жидкостях поглощение имеет практически важное значение только тогда, когда звук распространяется на большие расстояния (как минимум несколько сотен значений длины волны) или если на пути звука встречаются тела с очень большой поверхностью.

Рассмотрим процесс прохождения звука через препятствие (рис.1.14). Энергия падающего звука Е пад . разделяется на энергию отраженную от пре-пятствия Е отр , поглощенную в нем Е погл и энергию прошедшую через препят-

Согласно закону сохранения энергии

Рис.1.14. Распределение энергии при падении звука на препятствие.

Этот процесс можно оценить отношениями энергий прошедшей, погло-щенной и отраженной к энергии, падающей на препятствие:

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

Как уже было сказано выше, первые два отношения называют коэффици-ентами прохождения τ и отражения η . Третий коэффициент характеризует долю поглощенной энергии и называется коэффициентом поглощения α. Оче-видно, что из (1.66) следует

α + η + τ = 1

(1.68)

Поглощение звука обусловлено переходом колебательной энергии в теп-ло вследствие потерь на трение в материале. Потери на трение велики в порис-тых и рыхлых волокнистых материалах. Конструкции из таких материалов уменьшают интенсивность отраженных от поверхности звуковых волн. Звуко-поглотители, расположенные внутри помещения, могут уменьшать также ин-тенсивность прямого звука, если они располагаются на пути распространения звуковых волн.

Резонаторы.

Эффективным поглотителем звуковых волн, а в некоторых случаях их усилителем может служить так называемый резонатор. Под резонатором пони-

мается система типа "масса-пружина", в которой роль колеблющейся массы играет масса воздуха в узком отверстии или в щели пластины, а роль пружины

– упругий объем воздуха в полости за пластиной. Схематическое изображение резонатора Гельмгольца приведено на рис.1.15

Рис. 1.15. Резонатор Гельмгольца

Рассмотрим простейший воздушный резонатор, т.е. сосуд с жесткими стенками и узким горлом. При падении на него звуковой волны определенной частоты воздушная "пробка" в горле сосуда приходит в интенсивное колеба-тельное движение. Колебательная скорость частиц в горле в несколько раз пре-вышает колебательную скорость в свободном звуковом поле ξ . Во внутреннем объеме резонатора в это время соответственно увеличивается давление р . Если подвести к внутренней полости резонатора трубку, то воспринимаемый звук будет громче.

В тоже время, при достаточно больших потерях на трение резонатор мо-жет выполнять функции не усилителя, а поглотителя звуковой энергии. Если в горло резонатора ввести слой звукопоглощающего материала, то поглощение заметно возрастет.

Собственная круговая частота ω о с массой m на пружине с жесткостью s можно найти по известной формуле

правки, величина которых зависит от формы горлышка и площади его попе-речного сечения. Таким образом, собственная частота резонатора определится как

fo =	с о			S	(1.72)
2π			V (l + l i + l α )

В таких резонансных системах в присутствии внешнего источника звука заключенный в полости воздух колеблется с ним в унисон с амплитудой, зави-сящей от соотношения между величинами периодов собственного и вынужден-ного колебаний. При отключении источника резонатор отдает назад накоплен-ные внутри него колебания, становясь на короткое время вторичным источни-ком.

В зависимости от характеристик, резонатор может либо усиливать, либо поглощать звуковые колебания на той или иной частоте.

Звукопоглощение резонатора описывается с помощью условной характе-ристики звукопоглощающего сечения А . Под ним понимается условная пло-щадь сечения, перпендикулярного направлению распространения падающей волны, через которую свободной волной (при отсутствии резонатора) передает-ся мощность, равная поглощаемой резонатором.

Положим, что размеры резонатора малы по сравнению с длиной падаю-щей волны. Тогда, в первом приближении, можно пренебречь рассеянием зву-ковой энергии на корпусе резонатора. Если принять отверстие резонатора за-крытым акустически жестко, то звуковое давление в горлышке p h = p l , а ко-лебательная скорость υ = p h / Z h (если резонатор находится на экране, то в приведенных формулах добавится множитель 2 ).

Импеданс горлышка резонатора складывается из внутреннего потерь R i , активного сопротивления излучения R r и реактивных сопротивлений массы и упругости.

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