Глава 11. Звуковые явления (распространение, отражения, дифракция, интерференция).
Из консультации. Знать, что скорость звука от частоты не зависит. В распространении сказать, что в сферич волне давление падает 1/r, в плоской относит. постоянно, а в цилиндрич 1 на корень из r. + сказать, что при распространении происходит постепенное затухание за счет теплообмена и трения. Затухание звука от частоты зависит. Допустим когда мы сидим далеко, НЧ и ВЧ придут одновременно к нам, но НЧ придут тихими, потому что по своему пути они потеряют часть энергии за счет вязкости и теплопроводности.
1) Распространение зв. волн.
· Звуковые волны – процесс распространения механических колебаний в упругой среде (чаще всего в воздушной). Зв. волны распространяются в среде со скоростью 343 м/с. Область пространства в кот. распространяются зв. волны – звуковое поле.
· На НЧ и близких расстояниях вокруг каждого источника образуется сферическая волна. На ВЧ (или на больших расстояниях) эти же источники создают плоскую зв. волну. Если источник звука сильно вытянут в одном направлении (например зв. колонка), то вокруг него формируется зв. поле сферич. волны.
2) Отражение, поглощение и прохождение зв. волн.
· Когда зв. волна достигает границы раздела среды (например, падает на стену помещения, или переходит из воздуха в воду и др.), часть зв. энергии отражается (угол падения = углу отражения), часть теряется на поглощение, часть проходит через границу раздела в другую среду.
|
|
|
· Колл-венно эти процессы описываются коэффициентами:
ü Коэфф. отражения - 
= I отраж/ I пад;
ü Коэфф. поглощения - 
= I погл/ I пад;
ü Коэфф. прохождения - 
= I прош/ I пад,
Где I пад, I отраж, I погл, I прош-интенсивность падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волны.
· Коэфф. , - безразмерны, однако измеряется в ед. «Сэбин» (коэфф. поглощения в 1 Сэбин = поглощению звука открытым окном площадью 1 квадратный метр).
· Величина коэфф. поглощения дается в справочниках и таблицах для разных материалов на разных частотах. Пример: для ковра на частоте 500Гц = 0,23, а на частоте 4000Гц = 0,43. Также коэфф. поглощения зависит от угла падения зв. волны (имеет макс. значение для угла 90 град.).
· Исходя из закона «угол пад.=углу отраж.» если отраж. происходят от неровных поверхностей, то зв. волны отражаются в разные направления, следовательно в помещении создается диффузное/рассеянное зв. поле, что часто улучшает кач-во звучания в помещении.
3)Дифракция – способность зв. волн огибать встретившиеся препятствия и проникать в область за ними.
· Способность к дифракции зависит от соотношения длины волны (т.е. частоты) и размера препятствия:
ü Если длина волны больше размера препятствия 
то зв. волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя структуры и интенсивности. Также она проходит через отверстие, кот. просто становится как бы новым источником сферич. волны.
|
|
|
ü Если длина волны = размерам препятствия 
то зв. волна огибает его частично, за препятствием интенсивность становится меньше, появляется область «акустич. тени», в случае отверстия, зв. волна концентрируется вперед, а края ее «размыты».
ü Если длина волны меньше препятствия 
то зв. волна отражается от него, за препятствием образуется акустич. тень, через отверстие же проходит только узкий зв. пучок.
Явление дифракциии лежит в основе бинауральной локализации звука, а также в основе всей пространственной стереофонии.
4) Интерференция.
· Волны от 2-х источников способны проходить одна через другую, слух. система различает разные зв. сигналы, приходящие от разных источников, за счет принципа суперпозиции, (каждая молекула воздуха участвует одновременно в нескольких колебательных процессах: если, например, одна зв. волна вызывает ее макс. смещение в одну сторону, а в это время другая зв. волна смещение в противоположную, то данная молекула среды остается на месте, т.е. не будет сдвигаться из своего положения равновесия.
|
|
|
· Если же частота волн от 2-х источников одинакова и разность фаз колебаний с течением времени не изменяется, то эти волны называются когерентными.
· Интерференция волн – сложение когерентных волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов амплитуды колебаний.
· В тех точках, где 2 пришедшие волны находятся в одинаковой фазе, будет сложение колебаний, т.о. образуются максимумы колебаний (конструктивная интерференция) 
т.е. когда фазы совпадают.
· В точках, где встречаются 2 волны с противоположно направленными фазами (разность фаз = 
), = нуль суммарной амплитуды, или образуется «минимум» (деструктивная интерференция) 
т.е. когда фазы не совпадают/противофаза.
· Если волны не когерентны и разность фаз между ними быстро и беспорядочно меняется, то в этом случае интерференционная картина (расположение максимумов и минимумов) размывается, среднее значение амплитуды результирующей (образованной из 2-х и более) волны выравнивается в разных точках пространств, при этом происходит сложение потоков энергии (интенсивностей) составляющих волн (а не их амплитуд).
Другие виды зв. явлений (знать и уметь ответить если спросят):
|
|
|
5) Стоячие волны- особый случай интерференции, представляющий собой сложение зв. волн одинаковой частоты и амплитуды, но распространяющихся в противоположных направлениях. В отличие от бегущей волны, в стоячей волне не происходит переноса энергии , а осуществляется лишь пространственная перекачка одного вида энергии в другой.
· Отраженная волна взаимодействует с прямой т.о., что суммарная волна в одних определенных точках будет иметь макс. смещение, а в других – нулевое.
· Если удельное акустич. сопротивление отражающей среды больше, чем в первичной среде (например волна отражается от жесткой стенки на закрытом конце трубы), то прямая и отраженная волна не сдвигаются по фазе (сдвиг по фазе=0), следовательно в точке отражения будет максимум зв. давления (минимум скорости). Рис.:стоячая волна при отражениях, без сдвига по фазе:
· Если отражающая среда наоборот имеет меньшее сопротивление (например, открытый конец трубы муз. инструмента) , то происходит сдвиг по фазе на 180град. и в этой точке будет минимум зв. давления (максимум скорости).
Рис. стоячая волна со сдвигом на 180град:
· Стоячие волны возникают в помещениях на НЧ (т.о. неравномерно распределяется зв. давление и звук окрашивается), также возникают в трубах духовых муз. инструментов на их резонансных частотах и т.д.
6) Затухание звуковых волн.
· В реальной среде уровень зв. давления (интенсивность) постепенно уменьшается с расстоянием, следовательно звук постепенно затухает из-за поглощения его энергии за счет вязкости и теплопроводности воздуха.
ü При сжатии частиц воздуха часть энергии расходуется на преодоление внутреннего трения между молекулами (вязкость).
ü Также в области сжатия частиц воздуха в зв. волне повышается давление , следовательно и температура, а в области разрежения давление и температура понижаются, происходит теплообмен – часть энергии затрачивается на нагревание воздуха (теплопроводность).
ü При распространении звука на очень большие расстояния - играет роль турбулентность воздуха (потоки воздуха, ветер и др.).
ü Зв. волны сильнее затухают при распространении вдоль поглощающей поверхности, при этом ВЧ поглощаются быстрее.
· Уменьшение давления в распространяющейся волне происходит по экспоненциальному закону 
- коэфф. поглощения в среде; коэфф. определяется как 
- расстояние, на кот. амплитудное значение зв. давления р уменьшается в е раз (е=2,71828…). Коэфф. поглощения зависит от частоты 
т.е. ВЧ составляющие звука затухают быстрее, чем НЧ (поэтому с расстоянием меняется тембр.
7) Рефракция (преломление) – изменение направления распространения зв. волны при переходе из одной среды в другую. Часть зв. волны переходит в другую среду, если эта среда сильно отличается по физ. свойствам от 1-й (плотность, температура и др.), то скорость зв. в ней меняется и зв. волна меняет направление распространения.
· Рефракция имеет место и при распространении зв. волны в одной среде, физич. свойства кот. постепенно меняются (например, при смене температуры).
· Соотношения изменения углов распространения зв. волны 
и ее скоростей 
выражается формулой: 
· Рефракция может приводить к таким эффектам, как зв. миражи, т.е. слышимость на больших расстояниях.
8) Биения- особый случай амплитудной модуляции. Возникают при сложении 2-х гармонических колебаний с близкими частотами.
· Если разница между колебаниями 15Гц и меньше, суммарное колебание воспринимается слухом как 1 сигнал с усредненной от 2-х колебаний частотой 
и амплитудной модуляцией с частотой = разности частот ( f 1 – f 2).
9)Рассеяние – когда часть зв. волны отражается от препятствия, а другая часть огибает его.
· В общем случае под рассеянием звука понимается «возникновение дополнительных звуковых полей на препятствиях, границах и неоднородностях среды».
10 ) Эффект Доплера. Когда источник или слушатель движутся относительно друг друга , слушатель слышит изменение высоты тона.
· Если источник создает колебания с частотой 1000Гц, то мимо слушателя проходит 1000 волн (сжатий-разрежений) в секунду. Но если слушатель движется на встречу источнику , то в секунду он пересекает больше фронтов зв. волн (встречает больше зон сжатия-разрежения), т.е. воспринимает более высокую частоту и слышит более высокий тон. То же самое происходит, когда на встречу слушателю движется источник.
· Если же источник или слушатель удаляется, число зв. волн проходящих в секунду уменьшается, высота тона падает.
· Формула определения измененной (частоты) высоты тона 
когда слушатель движется на встречу источнику со скоростью 
· Когда слушатель проходит мимо источника, в формуле меняется числитель на 
· Если источник движется на встречу слушателю, то формула имеет вид: 
рость источника, fs – частота источника, f ’ – воспринимаемая слушателем частота. В этом случае при прохождении источника мимо слушателя числитель также меняется на противоположный при скорости Vs , при этом частота меняется скачком.
· Если источник и слушатель движутся на встречу друг другу, то изменение частоты определяется так: 
· Эти формулы действуют, если скорости слушателя (приемника) и источника относительно малы. Если эти условия не соблюдаются, т.е. 
то формируются ударные волны (например при движении сверхзвуковых самолетов).
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 1180; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!