Fizičke osnove akustike

Priroda zvučnih vibracija i talasa

Zvuk- vrsta oscilatornih kretanja (talasa) u vazduhu, vodi i čvrstim materijama. vibrirajuće tijelo (žica muzički instrument, glasne žice itd.) neprekidno emituju elastične talase u vazduhu.

Zvučni valovi su uzdužni - to je kada se vibracije čestica javljaju duž prostiranja vala.

Glavne karakteristike

Na praksi zvučni talasi su okarakterisani

1) talasna dužina,

2) frekvencija oscilovanja

3) brzinu njihove distribucije.

1) T je period oscilacije talasa, With

2) a- amplituda talasa - udaljenost za koju oscilirajuća čestica odstupa od ravnotežnog položaja, m;

3) λ - talasna dužina je udaljenost koja se širi u vremenu T, m;

zvučne frekvencije

Ljudsko uho percipira vibracije sa frekvencijom unutar f = 20 ÷ 20 000 Hz, što odgovara λ = 17 m ÷ 1,7 cm.

Zvučne vibracije sa frekvencijom:

f< 20 Гц - инфразвук; f >20.000 Hz - ultrazvuk.

Brzina zvuka kroz atmosferski pritisak

With= √1,41 (p/ ρ ), gdje

1,41 - odnos toplotnih kapaciteta vazduha pri konstantan pritisak sa p i konstantnom zapreminom sa υ;

p - atmosferski pritisak, Pa;

ρ - gustina vazduha. kg/m 3.

Omjer p/ ρ zavisi od temperature vazduha, tada se brzina zvuka u vazduhu može izraziti kroz temperaturu:

c = 20√ T o .

T o - temperatura u Kelvinima (razlika 273 o sa temperaturom u Celzijusima).

Kako temperatura raste, brzina se povećava.

(Na 0 o C s = 331,5 m / s; na 18 o C s = 342 gospođa).

Brzina zvuka kroz talasnu dužinu

λ - talasna dužina, m;

s je brzina zvuka, m/s;

T - period oscilovanja, s.

Frekvencija i talasna dužina

Fizičko stanje okoline u zvučnom polju (zona širenja zvuka) karakteriše zvučni pritisak(p) i vibracione brzine čestica(υ).

U izotropnim medijima, brzina zvuka With je povezan sa frekvencijom oscilovanja čestica f jednadžba:

f = c / λ, gdje je λ talasna dužina.

Odnos između frekvencije i talasne dužine može se prikazati grafički (slika 4).

Rice. četiri Grafička zavisnost frekvencije zvučnih talasa i talasne dužine.

Izvori zvuka (buka)

Izvori zvuka (šuma) u otvorenom prostoru (slobodno zvučno polje) dijele se na tačkaste i linearne.

tačka, ako su njegove dimenzije male u odnosu na udaljenost do prijemnika zvuka. Iz takvih izvora energija zvuka divergira u svim smjerovima (slika 5 lijevo),

Rice. 5 Vrste zvučnih talasa

linijski izvor to je izvor buke proširen u jednom smjeru koji ima kontinuiranu emisiju zvuka, na primjer, cjevovod, pokretna struja, vlak, takvi izvori obično emituju cilindrične zvučne valove (slika 5 desno).

Ukupna ocjena zvuka

Zvuk karakteriše:

vrijednost zvučnog pritiska p,

Jačina (intenzitet) zvuka I,

Zvučna snaga izvora zvuka P

Oni se veoma razlikuju, teško ih je koristiti apsolutno e vrijednosti, dakle, u tehničkoj akustici ove vrijednosti se procjenjuju u relativne logaritamske jedinice- decibele dBa

Uvođenje nivoa zvučnog pritiska omogućilo je pretvaranje ogromnog opsega zvučnog pritiska u praktično pogodan iz 0 do 120 dBa.

Idealna distribucija zvuka

difuzno zvučno polje- zvučni talasi se više puta reflektuju, formirajući složeno zvučno polje. U takvoj prostoriji, u bilo kojoj tački, prosječan nivo zvučnog pritiska i protok zvučne energije koja dolazi do slušaoca u bilo kojem smjeru je konstantan - idealno stanje.

Materijal za apsorpciju zvuka

Kada naiđu na površinu, zvučni valovi se mogu reflektirati od površine ili apsorbirati od površine. Kada se apsorbuju, zvučni talasi gube deo svoje energije. Koliko - ovisi o materijalu i karakterizira ga koeficijent apsorpcije zvuka α.

Fiziološke karakteristike zvuka.

Osjetljivost ovog organa u mnogočemu nadmašuje svojstva najboljeg elektroakustičkog aparata. Prag sluha je, na primjer, toliko nizak da bi malo dalje smanjenje dovelo do percepcije buke. praćeno varenjem (Slika 6).

Rice. 6

Prema intenzitetu i percepciji od strane osobe, zvukovi se dijele u grupe:

od praga sluha do nivoa zvučnog pritiska u 40 dBa - ljudsko uho nije jako osjetljivo na njihovu percepciju;

nivoi zvučnog pritiska od 40 do 80-90 dBa - najveći deo zvukova i buke (radio, televizijski prenos, razgovor, buka u domaćinstvu, itd.) - ljudsko uho ima povećanu sposobnost da razlikuje i analizira ove zvukove;

zvuci velikog intenziteta - više od 80-90 dBa do praga boli 120-130 dBa - nadražujuće dejstvo na osobu, izaziva brzi zamor i nervozu.

Jačina zvuka

Subjektivni kvalitet slušnog osjeta naziva se glasnoća. Jačina zavisi od:

1) zvučni pritisak R;

2) frekvencije zvučni talas f;

3) zvučni talasi;

4) trajanje zvuka.

Za kvantifikacija nivo glasnoće, koristi se metod subjektivnog poređenja izmerenog zvuka sa referentnim zvukom određene frekvencije; jedinica pozadini.

Nivo volumena Sg = 20lgR pod / 2 10 -4. gdje

Ret - zvučni pritisak koji stvara standard kada se postigne ista jačina zvuka.

Vrijednost koja vam omogućava da procijenite omjer glasnoće različitih zvukova, prema Međunarodni odnosi, odabrana zapremina je određena formulom

Sg \u003d 2 (L -40) / 10.

Jedinica zapremine - san. Volumen jednak 1 sonu, ima zvuk sa jačinom zvuka Sg jednakim 40 pozadine. Prema formuli, može se utvrditi da se s povećanjem razine glasnoće za 10 pozadina jačina zvuka mijenja za 2 puta.

Obavještavamo sve zainteresovane da trenutno grupa kompanija TECHNOSONUS (OOO Korda-Volga, Vladimir, NPO KORDA, Moskva i neke druge) putem interneta distribuira lažne informacije u vezi sa kompanijom OOO "RUS "KORDA" i proizvedenim materijalom "ThermoZvukoIzol".

Možemo zvanično proglasiti to LLC preduzeće «RUS «KORDA", i ranije LLC" NPTO "KORDA"„proizvode i prodaju termoizolacioni i zvučno izolacioni materijal „TermoZvukoIzol“ od 1998. godine do danas po zakonskoj osnovi.

Kao osnova za proizvodnju korišćen je patent br. 2077368 za pronalazak "Termozvučni izolacioni i filterski materijal". Termozvučkoizol"(prioritet od 1996.) i Specifikacije 36.12.22-71-95" Toplotno i zvučno izolacijski materijal Termozvukoizol.

Materijal TermoZvukoIzol je od 1998. godine doživio razne promjene u veličini, materijalima i tehnologiji proizvodnje. Ali nikada proizvodnja" ThermoSoundIsola' nije prekinut.

U 2006-2007, T (tehnički) U (uslovi) za proizvodnju materijala" TermoZvukoIzol» 5763-001-18697935-2007. Oni koji su barem malo upućeni u pitanja proizvodnje trebali bi shvatiti da organizacija koja objavljuje materijal od 1996. godine, objavljujući izmjene Tehničkih uslova za proizvodnju materijala 2006-2007., barem ne krši NIŠTA u pogledu prioriteta (prioritet) proizvodnje .

Stoga DOO "RUS" KORDA "nastavlja sa proizvodnjom i prodajom materijala" TermoZvukoIzol"i poziva SVE zainteresovane za moderan (uprkos 20-godišnjoj istoriji proizvodnje) jeftin i efikasan materijal" TermoZvukoIzol» na saradnju.

1. Zvuk. Glavne karakteristike zvučnog polja. širenje zvuka

ALI. Parametri zvučnog talasa

Harmonične oscilacije sa amplitudom amax i frekvencija f pozvao ton.

Kompleksne fluktuacije karakteriše efektivna vrijednost na vremenskom periodu T

Za sinusoidni proces, relacija

Za krivulje drugog oblika, omjer efektivne vrijednosti i maksimalne vrijednosti je od 0 do 1.

U zavisnosti od načina pobuđivanja oscilacija, razlikuju se:

· ravni zvučni talas , stvoreno ravnom oscilirajućom površinom;

· cilindrični zvučni talas, stvorena radijalno oscilirajućom bočnom površinom cilindra;

· sferni zvučni talas , generiran tačkastim izvorom oscilacija tipa pulsirajuće kugle.

Glavni parametri koji karakterišu zvučni talas su:

· zvučni pritisak str zv, Pa;

· intenzitet zvukaI, W/m 2.

· talasna dužina zvuka l , m;

· brzina talasa With, gospođa;

· frekvencija oscilovanja f, Hz.

Ako u kontinuum pobuđuju vibracije, one se razilaze u svim smjerovima. Dobar primjer su vibracije valova na vodi. U ovom slučaju treba razlikovati brzinu širenja mehaničkih vibracija u (u našem slučaju vidljive poprečne vibracije vode) i uznemirujuća brzina širenja akcije With(longitudinalne akustične oscilacije).

Sa fizičke tačke gledišta, širenje vibracija se sastoji u prijenosu impulsa s jednog molekula na drugi. Zbog elastičnih međumolekularnih veza, kretanje svake od njih ponavlja kretanje prethodne. Za prijenos impulsa potrebno je određeno vrijeme, zbog čega se kretanje molekula na tačkama promatranja događa sa zakašnjenjem u odnosu na kretanje molekula u zoni pobuđenog oscilovanja. Dakle, vibracije se šire određenom brzinom. Brzina zvučnog talasa With je fizičko svojstvo okoline.

Talasna dužina l jednaka je dužini puta koju pređe zvučni talas u jednom periodu T:

gdje With - brzina zvuka , T = 1/f.

Zvučne vibracije u zraku dovode do njegovog kompresije i razrjeđivanja. U područjima kompresije tlak zraka raste, a u područjima razrjeđivanja opada.Razlika između tlaka koji postoji u poremećenom mediju str cf trenutno, i atmosferski pritisak str se zove bankomat zvučni pritisak (Sl.3.3) . U akustici je ovaj parametar glavni kroz koji se određuju svi ostali.

str sv = str vjenčanje - str atm.(3.1)

Sl.3.3. Zvučni pritisak

Zvučni val je nosilac energije u smjeru njegovog kretanja. Količina energije koju zvučni val prenese u jednoj sekundi kroz dio od 1 m 2 okomit na smjer kretanja naziva se intenzitet zvuka . Intenzitet zvuka je određen omjerom zvučnog pritiska i akustične impedancije medija W/m2:

Za sferni talas iz izvora zvuka sa snagom W, W intenzitet zvuka na površini sfere poluprečnika r je jednako

I= W / (4 strr 2),

Vrlo često u prolazu koriste takve naizgled razumljive pojmove kao što su spektar, faza, frekvencija i drugi. Ali često ne razumijemo u potpunosti šta je to zapravo. Šta ovi pojmovi zapravo znače, kako se može "osjetiti" njihovo pravo značenje? Možete otići u biblioteku i čitati knjige o teoriji radiotehnike i digitalnoj obradi signala, ali uvijek nema dovoljno vremena ni za važnije stvari. Stoga se autor trudio da čitaocu pruži izvode iz radiotehničkih udžbenika, objašnjene „na prste“ i sam minimum formula (ako nekoga zanima „matematičkiji“ prikaz gradiva).

Talasni oblik signala (zvuka). Period. Frekvencija

Šta je zvuk? Ovo je promjenjivi zvučni (vazdušni) pritisak bubna opna. Uho kao zvuk percipira samo promjenu pritiska. Kada se oglasi samo jedna nota, pritisak periodično raste i opada, a ovaj proces se ciklički ponavlja.

Period(T, sec) - trajanje ovog ciklusa.

Frekvencija(f, Hz, Hertz) - broj perioda koji se uklapaju u jednu sekundu. 1 Hertz je 1 ciklus u sekundi.

f = 1 / T(formula frekvencije)

Štaviše, zakon (oblik) promjene zvučnog pritiska se ne mijenja iz perioda u period.

Ako imamo melodiju, tada se valovi generirani različitim notama (koje se pojavljuju ili nestaju) sabiraju jedni s drugima u zajednički val, koji više nema menstruaciju(ciklus ponavljanja).

Ali šta je buka?

Buka- ovo je signal(talasni oblik nema period) koji u bilo kom trenutku Ima slučajna vrijednost zvučni pritisak. Buka nema menstruaciju.

Zvuk, kao što je poznato širi se sa zakašnjenjem, koji zavisi od udaljenosti od izvora do ljudskog uha. Kako se to događa?

Talasna dužina

Mehaničke vibracije izvora zvuka (muzički instrument ili zvučnik zvučnika) komprimiraju / razrjeđuju (guraju / povlače) zrak oko sebe. Komprimirani zrak počinje da se širi dalje od izvora zvuka, komprimirajući susjedno područje zraka. Na taj način, područje komprimovanog zraka putuje od izvora zvuka do uha.

Razdaljina, između područja jednake kompresije zraka pozvao talasna dužina zvuka.

L=M/f(formula talasne dužine),

L je talasna dužina u metrima;

M je brzina zvuka (331,46 m/s) u metrima u sekundi;

f je frekvencija zvuka u hercima.

Talasna dužina za:

20 Hz L20 = (331,46 m/s) / (20 Hz) = 16,5 m.

100 Hz L100 = (331,46 m/s) / (100 Hz) = 3,3 m.

1000 Hz L1000 = (331,46 m/s) / (1000 Hz) = 0,33m=33cm.

10000 Hz L10000 = (331,46 m/s) / (10000 Hz) = 0,033 m = 3,3 cm.

20000 Hz L10000 = (331,46 m/s) / (20000 Hz) = 0,017 m = 1,7 cm.

Da bi "pritisnula" uho, komprimiranom zvučnom području mora proći neko vrijeme da putuje od muzičkog instrumenta do uha. Ovo objašnjava kašnjenje zvuka.

Udaljenost uvodi kašnjenje u širenju zvuka koje ne ovisi o frekvenciji, jer je brzina zvuka na različitim frekvencijama ista.

Dt = l / M (formula kašnjenja širenja zvuka),

Dt - kašnjenje u sekundama;

l - udaljenost u metrima;

M je brzina zvuka (331,46 m/s) u metrima u sekundi.

1 metar uvodi kašnjenješirenje zvuka

Dt= (1 m) / (331,46 m/s) = 0,003 sekunde ili 3 milisekunde(gospođa).

Frekvencijski opseg organa sluha različiti ljudi neujednačen, posebno na gornjoj granici. Ne čuje svako škripu komarca ili šišmiša, cvrkut cikada, koji odgovaraju frekvencijama od 12.000-16.000 herca. Drugi mogu uživati ​​u potpunoj tišini južnog parka, dok će treći osjetiti da je park ispunjen cvrkutom cikada i škripom mušica. Ali u prosjeku se vjeruje da osoba čuje frekvencije od 15-16 do 16.000 herca. Ove frekvencije odgovaraju talasnim dužinama od 21 m do 2,1 cm. Talas groma ima talasnu dužinu od oko 21 m, a škripa komaraca ima talasnu dužinu od oko 2 cm.

Ljudski glas je sposoban da proizvodi zvučne talase u dužini od oko 4 m do 28 cm, računajući na osnovne frekvencije. Međutim, zvuci našeg glasa sadrže mnogo viših tonova (predtonova) koji mu daju tembarsku boju, zahvaljujući kojoj možemo prepoznati osobu po glasu. Talasna dužina prizvuka je mnogo kraća od osnovnih frekvencija.

Jedan od naših najboljih radio prijemnika "Mir" reprodukuje zvučne talase od 5,67 m do 5,2 cm (60-6500 herca) bez većeg slabljenja.

Navikli smo da zvučne talase karakterišemo frekvencijom, a ne dužinom. Je li to zaista samo zbog navike, ili nas na to primoravaju neke uvjerljivije okolnosti?

Dužina zvučnog talasa zavisi od brzine širenja zvuka (pogledajte prethodni odeljak), a ova brzina je promenljiva. Brzina zvuka u vazduhu zavisi od niza faktora: temperature, atmosferskog pritiska, vlažnosti. Ispod je tabela koja prikazuje brzine širenja zvučnih talasa u suvom vazduhu pri normalnom atmosferskom pritisku, kao i odgovarajuću dužinu zvučnog talasa.

Iz ove tabele se vidi da brzina zvuka, a time i dužina zvučnog talasa, dosta jako zavisi od temperature. U rasponu temperatura vazduha koji se zapravo posmatra u uslovima naše klime, brzina zvuka se menja za oko 15%. „Budući da na brzinu zvuka ne utiče samo temperatura, već i stepen vlažnosti vazduha i magnitude atmosferski pritisak(sa povećanjem vlažnosti i pritiska povećava se i brzina zvuka), u stvari, moguće promene dužine zvučnih talasa će biti još veće.

Iz rečenog možemo zaključiti da ako MI želimo da karakterišemo zvuk talasnom dužinom, onda bismo morali posebno da odredimo temperaturu, vlažnost i druge uslove, bez kojih bi bilo nemoguće povezati talasnu dužinu sa bilo kojim određenim tonom.

Najteže i tečna tijela zvuk putuje mnogo brže nego u vazduhu. Ispod su brzina zvuka i dužina zvučnih talasa u različitim medijima.

Kao što se može vidjeti iz tabele, brzina zvučnih valova u gumi je oko 6 puta manja nego u zraku na uobičajenim temperaturama, a u čeliku, staklu i drvu oko 15 puta veća.

Čitajući sve što je rečeno o dužini i frekvenciji zvučnih valova, prirodno se postavlja pitanje: griješimo li kada elektromagnetne oscilacije određujemo po talasnoj dužini, a ne po frekvenciji?

Građevinski govoreći, također je ispravnije definirati elektromagnetne oscilacije frekvencijom, a ne talasnom dužinom. Od grešaka nas spašava samo činjenica da je brzina širenja elektromagnetnih oscilacija u praznini i zraku praktično ista i ne ovisi o temperaturi, pritisku i drugim razlozima. Ali ako bismo se morali baviti širenjem elektromagnetnih valova u drugom mediju, gdje se njihova brzina značajno razlikuje, tada bi bilo nezgodno koristiti talasnu dužinu, budući da su dužine; talasi ne bi odgovarali frekvencijama na koje smo navikli.

Uzmimo jedan primjer. Brzina radio talasa u praznini, kao što znate, iznosi 300.000 km u sekundi (tačnije, prema najnovijim podacima, 299.776 km u sekundi), au vodi - 9 puta manje. Frekvencija od 1.000 kiloherca u praznini i vazduhu odgovara talasnoj dužini od 300 m, au vodi - 33 m. Kao što vidite, razlika je veoma značajna.

Vrlo malo živih bića koja naseljavaju našu planetu može se pohvaliti spominjanjem u radiotehničkoj literaturi. To uključuje, na primjer, šišmiša, živi prototip lokacijske stanice. Oni uključuju komarce.

Zašto je komarac poznat?

Komarci su poznati po svojoj škripi. Škripa komaraca u smislu njegove visine i jačine zvuka leži na granici frekvencija i nivoa jačine koje percipira ljudsko uho. Stoga, škripe komaraca često počinju ili završavaju akustične tablice i koriste se za popularna akustička poređenja i primjere.

Koji brojevi karakterišu škripu komarca?

Zvuk koji nazivamo škripom komaraca proizvode krila letećeg komarca. Njegova frekvencija se kreće od oko 12-16 kiloherca. Ove frekvencije su ograničavajuće za ljudsko uho. Ne čuju ih svi. U djetinjstvu osoba čuje više frekvencije nego u odrasloj dobi. Stoga ni u najboljim, najkvalitetnijim akustičnim uređajima ne postižu reprodukciju zvučnih frekvencija iznad 12-15 kiloherca.

Ali na kraju krajeva, naše uho percipira daleko od sve zvučne energije koju emituje komarac, već samo njen izuzetno mali dio. Eksperimenti pokazuju da osoba sa dobrim sluhom može čuti škripu komarca na udaljenosti od dva metra. Zvučna snaga koju proizvodi komarac se zatim raspoređuje na kuglu polumjera 2 m, čija je površina približno 5 x 105 cm2. Snaga škripe komaraca na 1 cm2 površine ove sfere (1 cm2 je površina ulaznih kanala ušiju) je samo 25 10-16 vati.

Ovo je prag čujnosti na takvim frekvencijama.

Zanimljivo je primijetiti da masa zraka ulazi oscilirajuće kretanje, jednako je otprilike 44 kg.

Šišmiš se u popularnoj naučnoj literaturi slavi zbog svojih lokacijskih svojstava. Utvrđeno je da se njegova izuzetna sposobnost samouvjerenog leta u potpunom mraku objašnjava korištenjem lokacijskih metoda: šišmiš emituje ultrazvuk i hvata njihov odraz s prepreka. Iz vremena proteklog između slanja zvuka i njegovog povratka ona procjenjuje udaljenost do prepreke i uz pomoć usmjerenog djelovanja ušiju određuje smjer do prepreke. U ovoj sposobnosti slepih miševa može se pronaći zanimljiva analogija sa jednim od novijih dostignuća tehnologije - radarom. Ova analogija postaje potpuna kada se šišmiš uporedi sa morskim ultrazvučnim lokatorom - asdikom.

Koji su podaci o "lokaciji" šišmiša?

Šišmiš koristi ultrazvuk na frekvenciji od oko 50 kiloherca za potrebe lociranja, što odgovara talasnoj dužini (u vazduhu) od oko 7 mm. Dakle, koristeći radiotehničku terminologiju, možemo reći da lokacijska stanica šišmiša radi na milimetarskim valovima.

U radiotehnici, signali koje šalju lokacijske stanice nazivaju se sondirajućim impulsima. Učestalost slanja "sondirajućih impulsa" od strane slepih miševa nije ista. Stacionarni miš šalje oko deset ultrazvučnih "impulsa" u sekundi. U letu se učestalost rafala povećava i ovisi o udaljenosti do prepreke. U prosjeku, tokom leta, šišmiš šalje oko 30 "impulsa" svake sekunde, ali, kada pronađe prepreku na putu leta, ubrzava slanje. Na udaljenosti od oko 1 m od prepreke već pravi oko 60 parcela u sekundi.

Trajanje svakog rafala je otprilike 1 milisekunda, intervali između rafala su u prosjeku 30 milisekundi. U zavisnosti od učestalosti slanja, trajanje intervala varira.

Brzina zvuka u zraku je oko 340 m u sekundi, odnosno udaljenost od 1 m se savladava zvukom za 3 milisekunde. Sa udaljenosti do prepreke od 0,5 m, reflektirani impuls će se vratiti nakon 3 milisekundi. Dakle, šišmiš ima sposobnost da procijeni vremenske raspone od 2-3 milisekunde.

ultrazvučne vibracije na vazduhu se prilično brzo raspadaju; kao rezultat toga, šišmiš ima sposobnost da otkrije prepreke na udaljenosti ne većoj od 20-25 m.

Testovi su pokazali da slepi miševi percipiraju ultrazvučne frekvencije do 70 kiloherca.

Zanimljivo je da su neki noćni insekti koji služe kao hrana šišmišima razvili osjetljivost na ultrazvučno zračenje, što im pomaže da pobjegnu od napada. Kada su zračeni ultrazvukom, ovi insekti odmah polete. U ovom slučaju može se uočiti i analogija sa radio opremom aviona, brodova itd., koja omogućava detekciju izloženosti radarskim signalima.

Šišmiš nije jedini živi lokator. Postoje i druga živa bića koja emituju zvučne impulse i hvataju njihov odraz. To uključuje, na primjer, nilsku ribu dugog nosa i južnoameričku pticu guacharo.