Колебания мембраны
Мембрана – это гибкая тонкая пленка, натянутая по периметру. Спектр звука, излучаемого колеблющейся мембраной, определяется ее формой, размерами, натяжением и поверхностной плотностью.
Частоты собственных колебаний прямоугольной мембраны, закрепленной по контуру, равны:
(4.4)
где T – натяжение по краю мембраны (Н/м), σ – поверхностная плотность мембраны (кг/м2), а и b – стороны мембраны, m и n – целые числа. На рисунке 4.2 изображены несколько собственных колебаний такой мембраны.
Рисунок 4.2 – Собственные колебания прямоугольной мембраны
4.1.3 Электродинамический громкоговоритель (динамик)
Наибольшее распространение в качестве излучателей звука получили электроакустические преобразователи, в которых энергия электрических колебаний преобразуется в энергию упругих колебаний твердого тела (мембраны, пластинки и др.), которое и излучает в окружающую среду акустическую волну. Простейшее устройство такого типа – электродинамический громкоговоритель (рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 – Устройство электродинамического громкоговорителя
1 – магнит; 2 – подвижная система (диффузор); 3 – звуковая катушка; 4 – центрирующая шайба
Работа электродинамического громкоговорители (динамика) основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током в подвижной катушке, в которую подаются электрические колебания звуковой частоты. Катушка и жёстко соединённый с ней диффузор образуют подвижную систему громкоговорителя. Механические колебания катушки и соответственно диффузора сопровождаются излучением звуковых волн либо непосредственно, либо через рупор.
4.1.4 Механический шум
Особым видом звука, возбуждаемого колеблющимися телами, является механический шум.
Механический шум вызывается силовыми воздействиями неуравновешенных вращающихся тел, ударами в сочленениях деталей, стуками в зазорах, движением материалов в трубопроводах, колебаниями деталей машин и тому подобное.
Поскольку возбуждение механического шума носит обычно ударный характер, а излучающие его конструкции и детали представляют собой распределенные системы с многочисленными собственными частотами колебаний, спектр механического шума практически сплошной и занимает широкую область частот. Мощность излучаемого шума зависит от массы и скорости соударяющихся тел и их упругих свойств.
Гидродинамические излучатели звука
Принцип действия гидродинамических излучателей звука основан на преобразовании кинетической энергии струи газа или жидкости в энергию акустических колебаний.
4.2.1 Сирена
Действие сирены основано на периодическом механическом прерывании струи газа или жидкости.
В пульсирующих сиренах перекрытие потока движущихся в трубе жидкости или газа производится заслонкой, совершающей возвратно-поступательное движение. Управление движением заслонки осуществляется электромеханическим или электромагнитным преобразователем. Основная частота излучаемого звукового сигнала при этом равна частоте движения заслонки.
Схема устройства вращающейся сирены приведена на рисунке 4.4. Сжатый воздух от компрессора подается в камеру 1 высокого давления; в камере на оси электромотора вращается ротор сирены 3 – диск, по краю которого расположено большое количество отверстий; неподвижный диск - статор 4 с отверстиями отделяет камеру высокого давления от окружающей среды. При равномерном вращении ротора его отверстия периодически совпадают с отверстиями статора. В эти моменты происходит выброс сжатого воздуха, что и приводит к возбуждению звука.
Частота звука определяется числом отверстий ротора (и статора) m и частотой вращения n: f = m·n. Поскольку при запуске сирены частота вращения ротора постепенно нарастает, основной тон звучания сирены меняется от низкого до некоторого стационарного высокого. При выключении сирены наблюдается обратный процесс.
Частотный диапазон, в котором работают сирены, очень широк: от 200-300 Гц до 80-100 кГц. Мощность излучения достигает десятков киловатт.