5. Содержание отчета

В отчет необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему измерительной установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4)графики частотных характеристик громкоговорителя при шумовом и гармоническом сигналах; 5) усредненную ЭАХ по всем точкам измерений в макете кинотеатра.

6.Контрольные вопросы

1.Чем характеризуется замкнутый объем помещения с точки зрения волновой теории?

2.Какие типы волн существуют в замкнутом объеме и какова сравнительная длительность процесса затухания для каждого из типов волн?

3.Что такое плотность спектра собственных частот помещения и как она зависит от частоты?

4.Что такое явление вырождения собственных частот? Как оно влияет на субъективные характеристики звуковоспроизведения?

5.Что такое электроакустическая характеристика тракта звуковоспроизведения?

6.Как влияют собственные колебания объема помещения на электроакустическую характеристику тракта?

7. Литература

1. Акустика: Учебник для вузов. / Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. Ю.А. Ковалгина. – М.: Горячая линия. Телеком, 2009.

2. Алдошина И.А. и др. Электроакустика и звуковое вещание. Учебное пособие для высших учебных заведений. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.

3. Смирнова Н.А., Уваров В.К. Архитектурная акустика. Учебное пособие для студентов заочного отделения специальности «Звукорежиссура». – С-Пб.: СПбГУКиТ, 2008.

4. РТМ 19-77-94. Руководящий технический материал. Развитие и техническое оснащение киносети. – М.: Госком по кинематографии, 1994.

Работа № 6 Измерение коэффициента звукопоглощения и акустического сопротивления материалов

1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения коэффициента звукопоглощения и акустического сопротивления материалов при нормальном и диффузном падении звуковых волн.

2. Общие сведения

Звукопоглощающие материалы и конструкции применяются в строительной практике для акустической обработки производственных, общественных и бытовых помещений с целью уменьшения мультипликативных и аддитивных помех. Согласно требованиям [1] звукопоглощающие материалы классифицируются по следующим основным признакам: назначению, форме, жёсткости (величине относительного сжатия), возгораемости и структуре.

С точки зрения использования для акустической обработки помещений основной качественной характеристикой материалов и конструкций является энергетический коэффициент звукопоглощения α – КЗП. В соответствии со стандартом материалы и изделия с коэффициентом звукопоглощения α > 0.8 в диапазоне низких частот (63 ... 250 Гц), средних (500 ... 1000 Гц) и высоких (2000 ... 8000) частот относятся к первому классу звукопоглотителей. Для второго класса в тех же частотных областях величина α должна быть в пределах 0.4 ... 0.8, а для третьего – 0.2 ... 0.4.

Измерения КЗП в настоящее время производятся с помощью ряда различных методов, из которых наиболее распространёнными являются методы измерения нормального (в поле плоских «стоячих» волн) и реверберационного (в диффузном поле затухающих волн) коэффициентов звукопоглощения.

Так достаточно простой метод стоячих волн [2] заключается в применении интерференционной трубы круглого или квадратного сечения, на одном конце которой располагается источник звука, а на другом – цилиндрический образец испытуемого материала. Если стенки трубы достаточно жёсткие, а её диаметр и образца d не превышает длину волны λ возбуждаемого источником синусоидального звука для высшей частоты измерений, т.е.

(6.1)

то вдоль трубы распространяется плоская волна и падает на испытуемый материал по нормали.

При нормальном падении звука граничные условия для амплитуд колебательных скоростей и давлений ; в падающей, отражённой и прошедшей через материал волнах, соответственно, имеют вид [3]

или (6.2)

где - акустическое (удельное) сопротивление образца материала; - акустическое (волновое) сопротивление воздуха (произведение плотности воздуха на скорость звука в воздухе).

После несложных преобразований из (6.2) можно найти известное выражение для коэффициента отражения по давлению

(6.3)

а при использовании величины коэффициента отражения по интенсивности I (энергии) можно получить выражение для энергетического коэффициента звукопоглощения при нормальном падении звуковых волн

(6.4)

Непосредственная связь и со значениями давления в максимуме (пучности) |p_макс| = p_пад + p_отр и минимуме (узле) |p_мин| = p_пад - p_отр стоячей волны в трубе позволяет легко оценить их по коэффициенту стоячей волны (КСВ) n = p_макс / p_мин

(6.5)

и, очевидно, измерить (в стоячей волне переноса энергии не происходит) путём

регистрации напряжений U на выходе микрофона, помещаемого в пучность (U_макс) и узел (U_макс) давлений, которые в пространстве (по длине трубы) разнесены на расстояние, как минимум, равное четверти длины волны λ_н для низшей частоты измерений.

Как видно, при β_I = 1 (полное отражение от образца) p_макс = 2 p_пад, а p_мин = 0 – условие чисто стоячих волн. Если β_I < 1, p_отр < p_пад , p_макс < 2 p_пад и p_мин > 0, то в трубе возникает так называемая псевдостоячая волна (сумма стоячих и бегущих волн, свидетельствующая о переносе энергии в результате звукопоглощения в материале. При этом из-за возникающей разности фаз между p_пад и p_отр вся система стоячих волн (её максимумов и минимумов) смещается на некоторое расстояние от образца материала вдоль трубы.

Измерение этого расстояния ∆l_min (между образцом и первым минимумом давления), характеризующего сдвиг по фазе (в радианах) между p_пад и p_отр вследствие поглощения, позволяет вычислить и нормированные (относительно ) составляющие комплексного акустического сопротивления образца материала из соотношений

(6.6)

Измерение звуковых давлений должно производиться так, чтобы не было искажений звукового поля внутри трубы. Поэтому для измерений используется малогабаритный микрофон или специальный акустический зонд, в виде длинной трубочки, один конец которой вставляется в трубу, а другой присоединяется к микрофону. Выход микрофона присоединяется к вольтметру через перестраиваемый полосовой фильтр, пропускающий колебания лишь той частоты, на которой производятся измерения. В противном случае результаты измерений (особенно в минимумах давления) могут быть искажены из-за возникновения стоячих волн на высших гармониках излучения источника и проникновения в трубу постороннего шума.

Частотный диапазон измерений α₀ по этому методу, как отмечалось, ограничен снизу значением частоты, длина λ_н звуковой волны которой равна длине трубы, а сверху λ_в – частотой поперечного резонанса (6.1). Поэтому для перекрытия звукового диапазона обычно используется три трубы: 1) для Δf=50...500 Гц: d = 0.25 и l = 7м ; 2) для Δf=125...2000 Гц : d = 0.1 и l = 1м ; 3) для Δf=1600...8000 Гц : d = 0.025 и l = 0.25м.

Метод стоячих волн отличается простотой и даёт большую точность, а имеющаяся достаточно определённая связь (рис.1) между нормальным и диффузным КЗП, позволяет его широко использовать в лабораторной и промышленной практике.

Рис.6.1.Примерная взаимосвязь между нормальным и диффузным коэффициентами звукопоглощения

Более достоверные данные по звукопоглощению тех или иных строительных материалов и конструкций обеспечивает так называемый реверберационный метод, являющийся нормативным по ряду отечественных и международных стандартов, например [2, 3]. В этом методе используется воздействие на испытуемые образцы хаотически падающих звуковых волн, возникающие только в диффузном поле специальных реверберационных камер (РК). При этом предполагается, что волновое давление звука в камере, а также в дальнем поле помещений достаточно большого объёма, имеет эргодический характер, т.е. амплитуды и фазы, налагающихся друг на друга волн, распределены более или менее хаотически, без наличия каких-либо преобладающих направлений колебательного движения и, соответственно, равномерного распределения отражённой энергии. Поэтому в реверберационных камерах с объёмом не менее 150 м³ все отражающие поверхности являются непараллельными и выполняются из материалов с большой плотностью и малым собственным КЗП (не более 0,06) во всём частотном диапазоне измерений.

Именно в таких камерах определяют диффузный (точнее – реверберационный) коэффициент звукопоглощения материалов и конструкций, представляющий собой отношение звуковой энергии (не давления), поглощённой в материале, к энергии , диффузно падающей на него. Такое звукопоглощение определяют путем измерения времени реверберации как в пустой камере Т₁, так и Т₂ при внесенном звукопоглощающем материале, площадью S_м. Тогда можно найти величину диффузного коэффициента звукопоглощения этого материала, если принять, что (среднего коэффициента звукопоглощения поверхностей пустой РК), т.е.

(6.7)

Измерения Т₁, Т₂ проводятся по процессам затухания звуковой энергии после выключения источника (см. раб. №1) от начальных высоких уровней, создаваемых в стационарном (установившемся) режиме до минимальных уровней -60 (-30) дБ. В ряде случаев это приводит к заметным погрешностям измерений из-за проникновения в камеру более интенсивных низкочастотных помех. Особенно такое воздействие наблюдается при использовании моделей РК или камер малого объема с недостаточной звукоизоляцией [4]. Здесь прибегают к методу стационарного режима при сравнении энергии , пропорциональной квадрату звукового давления в пустой камере, с энергией в камере с образцом звукопоглощающего материала площадью при одной и той же акустической мощности источника , т.е.

(6.8)

где - эквивалентное звукопоглощение, вносимое всей поверхностью камеры площадью и средним коэффициентом звукопоглощения ;

- эквивалентное звукопоглощение камеры с учетом звукопоглощения образца материала.

Понятно, что при внесении в камеру испытуемого материала давление уменьшится, так как звукопоглощение увеличится за счет поглощения образца материала, а поглощение участка поверхности , на которой смонтирован образец, обычно мало (). Тогда из (6.8) получим

откуда найдем значение искомого коэффициента звукопоглощения испытуемого материала при диффузном падении звуковых волн

(6.9)

Последнее выражение можно привести к рабочей зависимости, если полагать, что используемый при измерениях приемник давления (микрофон) является линейным преобразователем, тогда

(6.10)

где , - соответственно, среднеквадратическое значение квадратов действующих значений напряжений на выходе микрофона при его размещении не менее, чем в пяти () точках камеры без образца ЗПМ и с ним для одной и той же полосы шумовых колебаний.

Для того, чтобы внесение материала не снижало степени диффузности поля (за счет неравномерного распределения поглощения), обычно берут три образца, которые размещают на поверхностях, образующих трехгранный угол.

Во избежание дифракционных явлений линейные размеры образцов должны быть достаточно велики по сравнению с длиной волны звуковых колебании, на которых производятся измерения. Края испытуемого материала закрывают. В противном случае возможно возникновение так называемого «кромочного эффекта», за счет которого вычисленный коэффициент поглощения может оказаться значительно завышенным.