Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
umm_2299.pdf
Скачиваний:
290
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
1.66 Mб
Скачать

1 Основные понятия физической акустики

1.1 Излучение и распространение звука

Звук – это упругие волны, колебательные движения частиц в упругой среде, вызванные каким-либо источником [5].

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. [5].

Воздушный звук – звуковое поле, обусловленное передачей звука от источника к точке наблюдения по воздуху или через ограждающие конструкции

[5].

Звуковым лучом называют линию распространения звуковых волн, а фронтом звуковой волны– поверхность, объединяющую точки с одинаковой фазой колебания [5]. По форме фронта различают три типа звуковых волн:

а) плоские – фронт в виде плоскости, нормальной к направлению распространения волны); б) сферические – сферический фронт;

в) цилиндрические – фронт в виде боковой поверхности цилиндра. Поскольку тип звуковой волны влияет на ее затухание в пространстве,

на практике важно определить вид волны хотя бы приближенно. Если плоский источник звука имеет большие размеры, то вблизи него возникают плоские волны, и в этой области звуковое давление постоянно. По мере удаления от источника, плоская звуковая волна переходит в сферическую, распространяющуюся во всех направлениях. Фронт волны может определяться не только размерами источника звука, но и частотой (длиной звуковой волны). При низких частотах (большая длина волны) фронт, как правило, сферический, а при высоких частотах и малой длине волны – плоский.

Характер распространения звуковых волн зависит также от некоторых особенностей окружающего пространства. На открытом пространстве в отсутствии препятствий распространяется бегущая волна, при наличии препятствия возникают отраженные звуковые волны.

Излучение звука источниками, а также элементами шумозащитных конструкций имеет сложный характер. Но в каждом случае для них могут быть использованы упрощенные модели.

Так, все источники можно свести к трем простейшим (рисунок 1.1):

-протяженная пластина, совершающая синфазные, то есть имеющие одинаковую фазу по всей поверхности, колебания;

-точечный источник;

-линейный источник.

7

Рисунок 1.1 – Виды источников звука и схематическое изображение фронта волны:

a – протяженная пластина; b – точечный источник; c – линейный источник

Аппроксимация реального источника упрощенным зависит от характера излучения, расстояния от источника до точки наблюдения, частоты излучаемого звука и пр.

Жесткой протяженной пластине можно уподобить источники, размеры которых в несколько раз превосходят длину звуковой волны в воздухе(например, толстые стенки, излучающие колебания высокой частоты, стенки капота или акустический экран, расположенные вблизи точки приема). В этом случае волна имеет плоский фронт.

Точечный источник – синфазно пульсирующая сфера, радиус которой меньше длины излучаемой звуковой волны. Это, например, отверстия выпускных труб при измерении на расстоянии R³2d (d – диаметр отверстия).

При распространении звука от протяженного источника конечных размеров образуется волновой фронт, каждая точка которого действует как вторичный источник звука и излучает энергию во всех направления, что приводит к расхождению звуковой волны. На больших расстояниях от источника все звуковые волны превращаются в сферические. Звуковая волна от излучателя, занимающая промежуточное положение между плоской и сферической, соответствует цилиндрической.

Плоские волны при распространении не меняют форму и амплитуду, сферические не меняют форму(амплитуда уменьшается как 1/r), цилиндрические меняют и форму, и амплитуду (убывает как 1/ r ).

Таким образом, для реальных излучателей конечных размеров существует несколько зон звуковых полей.

Ближнее (или квазистационарное) звуковое поле – область, примыкающая к излучателю, – характеризуется неравномерным распределением давлений и этим значительно отличается от плоского поля. Можно пренебречь ближним звуковым полем на расстоянии свыше 0,3 м от пластины.

8

За ближним звуковым полем следуют область дифракции Френеля(плоская звуковая волна), переходная область (цилиндрическая волна) и область дифракции Фраунгофера – дальнее звуковое поле (сферическая звуковая волна).

Если обозначить максимальный размер источника звука какa, минимальный как b, то на расстоянии b/p от источника звуковая волна плоская, от b/p до a/p – цилиндрическая, а при расстоянии более a/p – сферическая. От источника, характеризуемого линейным размером c, на расстоянии до с/p распространяется цилиндрическая звуковая волна. При каждом удвоении расстояния от точечного источника уровень звукового давления снижается на6 дБ, а от линейного – на 3 дБ.

Снижение уровня звукового давления по мере удаления от источника различной формы показано на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Зависимость уровня звукового давления от расстояния до источника шума:

a– точечного; b – линейного; c – плоского

1.1.1Распространение звука в помещении

В классической акустике рассматривается образование звукового поля источником, расположенным в помещении. Акустика помещений существенно отличается от акустики свободного пространства. Звуковые волны в закрытых помещениях, многократно отражаясь от границ, образуют сложное поле колебательного движения воздуха, зависящее не только от источника звука, но также от геометрических размеров, формы помещения и способности пола, потолка, окон и дверей поглощать или отражать акустическую энергию.

При распространении звука в закрытых помещениях возможны явления отражения звука, преломления, поглощения звука, рефракции звука, а также дифракции и интерференции.

При этом в помещении возникает совокупность вынужденных стоячих волн на частотах источника звука. При выключении источника стоячие волны

9

начинают затухать, приобретая характер свободных колебаний. Свободными называются колебания, происходящие в системе после вывода ее из положения равновесия и предоставления самой себе. Колебания происходят на собственных частотах, возбужденных перед выключением источника звука. Затухание свободных колебаний в замкнутом объеме называется реверберацией.

С повышением частоты f число частот собственных колебаний в замкнутом объеме увеличивается. Поэтому на низких частотах возникают одиночные или немногие колебания воздушного объема, на высоких частотах число одновременно возбужденных колебаний становится большим, а спектр сплошным.

Если размеры помещения не слишком малы по сравнению с длиной волны, то собственные частоты располагаются настолько плотно, что любая составляющая спектра источника шума возбуждает ряд собственных колебаний объема. Акустическое поле, образующееся в этом случае, называется диффузным. Для диффузного поля постулируется важное свойство: все звуковые волны в нем некогерентные, поэтому отсутствует явление интерференции. Диффузное звуковое поле – основное понятие статистической теории, с помощью которой выполняются расчеты звука в помещениях. Данное поле характеризуется изотропностью (равновероятностью направлений прихода звука в любую точку помещения) и однородностью (равномерным распределением уровня звука и уровня звукового давления по объему помещения). Это позволяет применять в акустических расчетах метод энергетического суммирования: в любой точке объема уровни звука и уровни звукового давления суммировать по специальному закону.

При проведении измерений и расчетов в децибелах необходимо учитывать, что децибел – логарифмическая единица, и поэтому, например, два источника, каждый из которых имеет уровень звука90 дБ, в сумме дают не 180, а 93 дБ.

Расчет совместного действия(сложение) источников с одинаковыми уровнями звука (далее УЗ) или уровнями звукового давления(далее УЗД) по шкале децибел (энергетическое суммирование) выполняется согласно формуле

Lå = L1 +10lg n ,

(1.1)

где L1 =L2 =...=Ln – УЗ (УЗД) одного из источников, дБ; n – число источников.

Из формулы (1.1) видно, что если энергетически складываются два источника с одинаковыми УЗД, то суммарный шум будет выше каждого из них на 3 дБ, если 10 источников – на 10 дБ, если 100 источников – на 20 дБ и т. д.

Если источники имеют различающиеся УЗ(УЗД), то сложение их осуществляется по формуле

L =10lg(100,1L1 +100,1L2 + ...+100,1Ln ),

(1.2)

10

где L1 =L2 =...=Ln – УЗ (УЗД) первого, второго, …, n-го источников шума. Для удобства расчетов можно использовать таблицу 1.1.

Таблица 1.1 – Сложение УЗ (УЗД) источников шума

Разность УЗД (УЗ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

двух складываемых

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

источников, дБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Добавка (D) к боль-

3

2,5

2,1

1,8

1,5

1,2

1,0

0,8

0,6

0,5

0,4

шему УЗД (УЗ), дБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из анализа таблицы 1.1 видно, что если разница УЗ (УЗД) складываемых источников превышает 10 дБ, то меньший из них можно не учитывать.

Основы статической теории были заложены У. Сэбином в начале ХХ века. Сэбин установил важную связь между объемом помещения и его акустическими характеристиками. Акустические волны в помещении могут многократно отражаться от стен и предметов, как бы блуждая по помещению и затухая. Такое явление называется реверберацией, а время замирания звука – временем

реверберации. Время реверберации определяет качество помещения с точки зрения акустики.

Формула У. Сэбина определяет стандартное время реверберации Т в помещении, то есть время, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 106 раз, а уровень звукового давления падает на 60 дБ:

T =

0,16V

,

(1.3)

 

 

A

 

где А – эквивалентная площадь звукопоглощения в помещении.

При очень большом времени реверберации звуки«бродят» по помещению, накладываясь друг на друга и заглушая источник основного звука, помещение становится слишком гулким. Малое время реверберации тоже плохо– акустические волны поглощаются несущими конструкциями и от того звуки получаются глухими, теряют свою выразительность. Время реверберации изменяется с изменением частоты звука. Это связано с тем, что поглощение звука любым конкретным материалом зависит от частоты звука. Тщательно подбирая материалы для облицовки помещения, можно добиться нужного времени реверберации.

Оптимальное для речевого сигнала время реверберации составляет для различных по объему помещений 0,5–1 с.

Помимо статической теории для расчета звуковых полей используются волновая и геометрическая теории акустики.

Волновая акустика рассматривает описание звуковых процессов с позиции волновой природы звука как строгую физическую задачу. Сложность математического аппарата не позволяет получить инженерные методики расчета. Эта теория изучает идеальные процессы и условия(например, идеальные гра-

11

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]