Звуковое поле

Звуковое поле - это область пространства, в которой распространя­ются звуковые волны, т.е. происходят акустические колебания частиц уп­ругой среды (твердой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. Звуковое поле определяется изменением в каждой его точке одного из па­раметров, характеризующих звуковую волну, - колебательная скорость ча­стиц, звуковое давление и т.п.

Понятие звукового поля применяется для пространства, размеры ко­торого порядка или больше длины звуковой волны.

Энергетически звуковое поле характеризуется плотностью звуковой энергии. Картина звукового поля зависит не только от акустической мощ­ности и характеристики направленности излучателя - источника звука, но и от положения и свойств границ среды и поверхностей раздела различных упругих сред, если такие поверхности имеются. В неограниченной одно­родной среде звуковое поле одиночного источника является полем бегу­щей волны.

Акустика помещений существенно отличается от акустики свободно­го пространства. Если источник звука расположен в помещении, то звуко­вые волны будут распространяться от источника звука до тех пор, пока не достигнут границ помещения или расположенных в нем ограждений, где часть звуковой энергии будет отражена, часть поглощена, а часть передана через несущие конструкции.

Количественно поглощенная, отраженная и прошедшая через ограж­дения часть звуковой энергии определяется коэффициентами a, b и t.

Отношение поглощенной звуковой энергии к падающей называется коэффициентом звукопоглощения:

α = (W_пад-W_отр)/W_падгде

W_пад и W_otр - соответственно, энергия падающих и отраженных волн. Коэффициент а можно записать и так:

α = (W_погл - W_прош )/W_пад ,где

W_погл и W_прош - поглощенная энергия и прошедшая через ограждения энергия.

Отношение энергии прошедшего звука W_прош к W_пад называется коэф­фициентом звукопередачи (звукопроницаемости):

τt = W /W

прош пад

Отношение энергии отраженного звука W_o к W_пад представляет со­бой коэффициент отражения:

β= W /W

отр пад

Введенные таким образом коэффициенты называются диффузными, так как характеризуют усредненный эффект поглощения, отражения или прохождения звуковых волн, падающих на поверхности под всевозможны­ми углами. Если рассматривать падение отдельной плоской звуковой вол­ны на поверхность, то коэффициент звукопоглощения зависит от материа­ла поверхности, частоты звуковой волны и от угла падения.

В помещениях необходимо различать прямой звук, приходящий в рас­сматриваемую точку непосредственно от источника, и отраженный от по­верхностей.

В результате многократных отражений звуковых волн и суммирова­ния энергий прямых и отраженных волн в помещении формируется диф­фузное звуковое поле.

Таким образом,звуковое поле,созданное источником звука в помеще-нии,состоит из двух компонентов - прямого поля и реверберационного.

Для измерения звукового поля применяются микрофоны, гидрофоны и т.п.

Некоторые особенности распространения звуковых волн в свободном пространстве

При анализе возможных каналов утечки информации за счет акусти­ческого канала необходимо учитывать особенности распространения зву­ковых волн, вызываемые различными окружающими условиями (ветром, давлением, температурой).

Существенное изменение в распространение акустических волн может внести рефракция звука - искривление звуковых лучей в атмосфере. Звуко-

вые лучи всегда загибаются в сторону слоя с меньшей скоростью звука. Это определяет ход звуковых лучей при нормальном изменении температуры атмосферы - понижением температуры с высотой и соответственно умень­шением скорости звука в вышерасположенных слоях атмосферы. В этом случае лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху, и звук, начиная с некоторого расстояния, перестает быть слышен (рис. 2.7а).

В ряде случаев, когда возникает температурная инверсия и температу­ра воздуха с высотой увеличивается, то лучи подобного источника загиба­ются вниз и звук распространяется на большие расстояния (рис. 2.76).

На изменение хода звука может повлиять и ветер. При распростране­нии звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру - загибаются к земной поверхности (рис. 2.8), что может привести к созданию (в первом случае) зон молчания, а во втором существенно улуч­шить слышимость звука и дальность распространения

- источник-звука

б)

Рис. 2.7. Ход звуковых лучей при убывании температуры воздуха с высотой (а) и при возрастании температуры воздуха с высотой (б).

• - источник звука

Рис. 2.8. Влияние ветра на ход звуковых лучей. Затухание воздушной звуковой волны

Затухание звука - уменьшение интенсивности звуковой волны (а, сле­довательно, и амплитуды) по мере ее распространения связано с несколь­кими причинами:

а) так называемым расхождением волны, связанным с тем, что на боль­ ших расстояниях от источника поток излучаемой звуковой энергии по мере распространения распределяется на все увеличивающуюся волновую по­ верхность и соответственно уменьшается интенсивность звука;

б) рассеиванием звука на препятствиях в среде и ее неоднородностях, размеры которых малы или сравнимы с длиной волны;

в) поглощением звука, которое происходит в результате необратимо­ го перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии (преимуществен­ но в теплоту).

Для сферической волны (рис.2.9а) энергия излучения расходуется на приведение в колебательное движение частиц среды, расположенных на сферической поверхности. С увеличением расстояния эта поверхность уве­личивается пропорционально квадрату радиуса и, следовательно, интенсив­ность сферической волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Для сферической волны амплитуда убывает пропорционально

1/г, для цилиндрической

волны пропорциональ­но 1/г1/2.

Для направленного звукового пучка (рис. 2.96) площадь попереч­ного сечения пучка, а следовательно, и интен­сивность звука должны практически не зависеть от расстояния до источ­ника.

Рис. 2.9. Распространение сферической (а) и направленной (б) волн.

Однако и в этом случае наблюдается за-

тухание звука, связанное с различными необратимыми процессами, проис­ходящими в звуковой волне.

При колебательных движениях частиц упругой среды между ними воз­ни кают силы внутреннего трения (вязкость), и за счет работы последних чисть звуковой энергии непрерывно переходит в тепло. Кроме того, как уже указывалось выше, в звуковой волне в каждый данный момент в сосед­стве находятся разогретые области сжатия и охлажденные области разре­жения. Вследствие теплопроводности среды разность температур между этими областями выравнивается, что снижает максимальное давление и максимальное разрежение, т.е. амплитуду звуковой волны. Это в свою оче­редь связано с уменьшением энергии колебаний, переходящей в тепло. Та­ким образом, внутреннее трение (вязкость) и теплопроводность среды при­водят к поглощению звуковой энергии и непрерывному уменьшению ин­тенсивности распространяющейся звуковой волны. Если I (х) есть сила (по­ток) звука, прошедшего в поглощающей среде путь х, то при прохождении следующего элементарного слоя dx часть этого потока, пропорциональная dx, поглотится и поток изменится на величину

dI = - aIdx,

где а - линейный коэффициент поглощения звука данной средой. По­лученное соотношение для дифференциалов можно преобразовать к виду

0 = dI/l + adx = d(ln I) + d(ax) = d(ln I + ax),

откуда

In I + ax = eonst = In I_o,

г де I_o есть начальная сила звука, входящего в среду, при х = 0. Потен­цируя последнее равенство, получаем окончательное выражение для изме­нения силы звука с расстоянием:

I(х) = I₀е^-ax

Рис. 2.10. Каналы утечки акустического

сигнала за счет создания структурного

звука в стенах и перекрытиях здания.

а) одномерный случай; б) двухмерный

случай; в) трехмерный случай.

101

Величина а возрастает пример­но пропорционально квадрату час­тоту звука, поэтому низкие звуки распространяются дальше высоких. Особенно сильно поглощаются уль­тразвуки. Так, при частоте 1 МГц = 106 Гц ультразвук распространяет­ся в воздухе на 5 см. Коэффициент поглощения звука в воде примерно в 700 раз меньше, чем в воздухе. Со­ответственно, во столько же раз больше дальность распространения звука. Так, при частоте 0,1 МГц рав­на в воде 3 км. Это обстоятельство позволяет осуществлять связь и гид­ролокацию в воде на ультразвуко­вых частотах, при которых легче создать направленные пучки и избе­жать уменьшения интенсивности с расстоянием.

В пористых материалах (войлок, бархат, штукатурка и т.п.) воздух заключен в огромном числе канальцев неправильной формы. При звуко­вых колебаниях эти отдельные объемы воздуха испытывают сильное тре­ние о стенки канальцев, поэтому подобные материалы интенсивно погло­щают падающие на них звуковые волны.