Глава 12.

Излучение звука.

Акустическое короткое замыкание (К.З.).

Передняя и задняя поверхности колеблющегося поршня излучают колебания в противофазе: когда передняя поверхность в момент времени t₁ создает сжатие среды, то противоположная поверхность поршня, в этот же момент t₁, создает разрежение.

Сжатие и разрежение распространяются в разные стороны (Рис.30). При определенных условиях, например, если длина волны излучаемого звука больше диаметра поршня, огибая поршень, волны интерферируют с колебаниями, возникшими с противоположной стороны (фазы) и их сумма стремится к нулю. Это явление называют - акустическим коротким замыканием (АКЗ).

Акустическое короткое замыкание будет отсутствовать, если излучающий поршень будет излучать за счет изменения толщины. В этом случае картина излучения кардинально изменяется, поскольку противофазных фронтов не создается.

Если поршень излучает два противофазных фронта волны, то возникновение АКЗ уменьшает отдачу акустической мощности излучателя (поршня) в области тех частот, при которых длина излучаемой волны велика по сравнению с размерами поршня (условия дифракции). Это явление возникает на низких частотах НЧ звуковой волны.

На самых низких частотах, то есть там, где длина волны превышает диаметр поршня более чем в 10 раз, из-за короткого замыкания вообще не может быть излучения звуковой волны. В этом случае правомерно говорить даже об отсутствии среды для излучения в нее звуковой волны.

Например, если диаметр излучателя меньше 3,5 мм, то его излучение еще можно обнаружить приборами при частоте излучения более 10000 Гц. На более низких частотах, например, на частоте 20 Гц (λ=170 м = 0,017 м) среда не может создать сколько-нибудь заметного сопротивления излучению и поэтому звуковая волна не может родиться и тем более существовать. Сравните поведение жидкости в стакане и свои впечатления от процесса при ее перемешивании зубочисткой и чайной ложкой.

Акустическое оформление «Бесконечный щит».

Чтобы избежать АКЗ на низких частотах, необходимо установить экран, чтобы колебания из области сжатия не огибали поршень и исключили явление интерференции.

Абстрактное устройство с такими характеристиками – бесконечный щит. Например, щит бесконечной ширины и бесконечной высоты, в центре которого расположен излучатель. Кроме этого практически невыполнимого условия есть еще несколько так же невыполнимых

• Толщина щита равна нулю.

• Щит не может изгибаться.

• Щит не сжимается и не растягивается.

Эти условия обеспечивают отсутствие акустической связи между средами за и перед щитом. Поэтому звуковые поля в этих средах будут взаимно независимыми и, следовательно, не влияющими друг на друга.

Реализовать подобные условия невозможно. Однако до некоторой степени приблизиться к ним возможно используя акустический экран.

Экран устанавливается в сочетании с излучателем. Такой прием получил название акустического экранного оформления. Простейшим видом оформления является щит (Рис.31).

На рис. 31.1 показано взаимодействие полей на границе Раздела сред, созданной экранирующим щитом. Звуковые колебания фронтальной среды компенсируются звуковыми колебаниями тыловой среды.

Чтобы практически полностью устранить АКЗ, необходимо установить щит, у которого линейные размеры плоскости были больше половины длины звуковой НЧ волны λ:

.

Величина а = d - длина пути, по которому, в силу явления дифракции, звуковые волны огибают щит. Если щит имеет размеры менее половины длины волны, или:

d = a,

то АКЗ компенсирует прямое излучение обратным противофазным. С ростом частоты (уменьшением длины волны) компенсация прямого излучения обратным уменьшается, поскольку увеличивается отношение d/λ.

Использование щита позволяет исправить АЧХ излучения в области низких частот, что показано на рисунке (Рис. 31.2).

Рис. 31.2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) свободного излучателя и излучателя на щите.

Однако, как следует из рисунка, неравномерность АЧХ акустический щит не изменяет.

Для примера определим размеры щита для излучателя звука частотой ƒ_НЧ = 50Гц и выше:

м.

Щит длиной 3,4 метра очень громоздкий.

Достоинства

• ослабление акустического КЗ.

Недостатки:

• громоздкий и неудобный в работе,

• не используется звуковая энергия, создаваемая тыльной стороной излучателя,

• нет защиты излучателя от случайных механических повреждений и загрязнений.

Применяются щиты в радиолах, телевизорах и др. В кино применять не рекомендуется. Стандартный акустический экран по ГОСТ 16122-84 имеет размер 1350х1650 м. Нижняя частота рабочего диапазона частот такого экрана равна

Акустическое оформление «Закрытый ящик».

Акустическое КЗ может быть устранено, если поршень поместить в отверстии стенки закрытого ящика (Рис.32).

Однако такое устройство характеризуется существенным недостатком. Воздух заключенный внутри ящика имеет некоторую массу и гибкость и поэтому оказывает упругую реакцию Х_с на перемещение поршня.

.

Это вызывает уменьшение общей гибкости подвеса поршня (общая гибкость меньше наименьшей)

,

что приводит к повышению резонансной частоты излучения ƒ₀, а, следовательно, и нижней граничной частоты ƒ_н рабочего диапазона.

Кроме того, воздух заключенный внутри ящика оказывает демпфирующее (сглаживающее) влияние на АЧХ излучения (Рис. 32.1).

Использование закрытого ящика позволяет исправить АЧХ не только в области низких частот за счет исключения акустического короткого замыкания, но и во всем диапазоне рабочих частот за счет демпфирования уменьшить неравномерность АЧХ. При этом конечно уменьшается звуковое давление.

Рис. 32.1. Амплитудно-частотная характеристика свободного излучателя и излучателя в закрытом ящике.

Ящики большого объема вызывают незначительное повышение резонансной частоты и незначительное демпфирование. Для того чтобы уменьшить резонансные явления внутри ящика на средних и высоких частотах, внутренние поверхности стенок ящика покрываются звукопоглотителем (Рис.32).

Достоинства:

1. Устраняет акустическое короткое замыкание(АКЗ).

2. Меньшие, чем у щита габариты.

3. Выравнивает АЧХ во всем диапазоне рабочих частот.

4. Защищает излучатель от механических повреждений с тыловой стороны.

Недостатки:

1. Повышается нижняя граница полосы частот ƒ_н.

2. Уменьшается звуковое давление во всем диапазоне частот.

3. Основная часть тылового излучения излучателя поглощается внутри ящика.

Применение:

• Фойе.

• Подзвучивание отдельных мест в зале.

• Контроль в аппаратной, передвижные станции.