Презентация на тему "Вопросы акустики"

Содержание

• 
  Слайд 1

  ВОПРОСЫ АКУСТИКИ

  1

• 
  Слайд 2
  

  Слуховые органы человека способны оценивать громкость звука, его высоту и тембр. Исследуя различные звуки с помощью электронного осциллографа, можно детально сопоставить объективную и субъективную оценки звука. Так как звук есть результат колебаний воздуха, то его можно исчерпывающим образом описать графиком изменения амплитуды (смещения, скорости колебания или давления - это довольно безразлично) во времени. Объективная и субъективная характеристики звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 2

• 
  Слайд 3
  

  Подобный гра­фик дает возможность выяснить, является ли процесс периодиче­ским, и если да, то определить основной тон колебания. Изучая форму кривой периодического колебания, можно установить, ка­кие обертоны и с какими амплитудами присутствуют. Иначе говоря, график зависимости колебания от времени позволяет найти спектр колебания, т.е. узнать, какие в нем присут­ствуют частоты и какими амплитудами они представлены в спек­тре. Объективная и субъективная характеристики звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 3

• 
  Слайд 4
  

  График можно получить с помощью микрофона, присое­диненного к осциллографу. В более совершенных установках возможно автоматическое преобразование графика колебания в его спектр. Линейчатыми спектрами обладают периодические колебания, сплошными -колебания, не имеющие периода. К первым отно­сятся музыкальные звуки, ко вторым - различного рода шумы. Объективная и субъективная характеристики звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 4

• 
  Слайд 5
  

  Один и тот же музыкальный тон, взятый на разных инструмен­тах, будет иметь одну и ту же основную частоту, но разный спектр. Тембровая окраска звука определяется распределением интенсивностей обертонов: Объективная и субъективная характеристики звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 5

• 
  Слайд 6
  

  Чем сложнее спектр, тем богаче тембр звука в музыкальном отношении. Интересно, что фа­зовые сдвиги обертонов не влияют на субъективное восприятие звука. Ухо чувствует только силу обер­тонов. Анализ шумов имеет практическое значение. Если известны ча­стоты, особенно сильно представленные в шуме, то это облегчает установление причин шума, а значит, и его устранение. Объективная и субъективная характеристики звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 6

• 
  Слайд 7
  

  На рисунке жирными кривыми ограничена область колебаний, воспринимаемых Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 7 наслух средним человеком. По оси ординат отложеныдве однозначно связанные величины: амплитуда звукового давления и сила (интенсивность) звука.

• 
  Слайд 8
  

  Звуковое давление ри сила звука Iсвязаны в простейшем случае формулой   Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 8 Действительно, интенсивность волны , где w- плотность энергии, т. е. w=ru2/2. Но и=p/rc. Делая подстановку, мы получим написанную выше формулу.  

• 
  Слайд 9
  

  Сила звука может быть измерена в Вт/см2. Для воздуха rc=41. Сильнейшие звуки, вызывающие Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 9 болевое ощущение, создаются давлением порядка 2000 бар, очень слабые звуки, но все же воспринимаемые средним человеком, имеют давле­ние 2·10-4бар (1 бар = 1 дин/см2).

• 
  Слайд 10
  

  Мы получим для предельных интенсивностей звука цифры от 0,5·10-2Вт/см2 до 0,5·10-16Вт/см2. Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 10 Столь большой диапазон интенсивностей делает целесообразным введение логарифмической шкалы.

• 
  Слайд 11
  

  Пусть сила одного звука I1адругого I2. Говорят, что I2 громче I1 на Кдецибелов, если   Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 11 Величину Кназывают уровнем громкости.Таким образом, если силы звука отличаются в миллион раз, то по громкости они различаются на 60 децибелов.

• 
  Слайд 12
  

  Оценивая силу звука в децибелах, надо указать нулевой уровень. Обычно берут величину, близкую Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 12 к порогу слышимости (10-16Вт/см2), тогда шепот обладает громкостью порядка 15 дБ, а шум самолета - 120 дБ.

• 
  Слайд 13
  

  Возвращаясь еще раз к диаграмме слуховых восприя-тий, отме­тим, что область речи за-ключена в более Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 13 узкие рамки как по часто­там (от 100 до 10000 Гц), так и по силам (от 40 до 80 дБ). Звуки разной частоты обладают различной слышимостью. Лучше всего ухо воспринимает частоты в несколько тысяч Герц.

• 
  Слайд 14
  

  Ниже 20 Гц лежит область инфразвука, выше 10000 - 20000 Гц — область ультра­звука. Примерные значения звукового давления р,интенсив­ности Iи громкости звука К: Сила и громкость звука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 14

• 
  Слайд 15
  

  В одних помещениях произносимая речь звучит неразборчиво, хотя и громко, в других залах оратору надо возвышать голос, чтобы быть услышанным. Представляют интерес поиски физических кон­стант помещения, характеризующих его акустические свойства. Опыт показывает, что важнейшим фактором такого рода является так называемое время реверберации- время, в течение которого произнесенный звук ослабляется в миллион раз по отношению к пер­воначальной силе. Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 15

• 
  Слайд 16
  

  В акустическом отношении помещение наилуч­шее, если время реверберации tсоставляет 0,5 - 1,5 с. Если tменьше 3 с, помещения считают хорошими. Если же tпревосходит 5 с, то акустика такого помещения очень плоха, она характеризуется «гулким звучанием». Произнесенный в каком-либо месте большого зала звук отра­жается от стенок, пола и потолка комнаты, отражается от мебели, от драпировок, от одежды сидящих в зрительном зале людей. Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 16

• 
  Слайд 17
  

  Если при каждом отражений звук теряет большую долю энергии, то зату­хание звука произойдет очень быстро. Время реверберации в этом случае очень мало, звук будет «глухим». Гулкость возникнет в том случае, если звук будет многократно отражаться с малым затуха­нием. Слушатель будет улавливать звуковую волну, непосредственно достигшую уха, двукратно отраженную, трехкратно отраженную и т. д. Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 17

• 
  Слайд 18
  

  Если время между приходом этих звуковых волн не превысит 1/15с, то ухо услышит не два или три звука, как в хорошо извест­ном явлении эха, а воспримет размазанный и, следовательно, нечеткий звук. Очевидно, что вопрос о времени затухания звука определяется поглощением его окружающими телами. Так как звук отражается многократно, через короткое время постоянного звучания какого-либо источника все помещение более или менее равномерно запол­нится звуковой, т.е. колебательной, энергией. Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 18

• 
  Слайд 19
  

  Через короткий срок установится равновесие между энергией, отдаваемой источником, и энергией, поглощаемой средой. Заметим, кстати, что при отсутствии поглощения звуковая энергия в закрытом помещении возрастала бы неограниченно при постоянном звучании источника. Представим себе, что источник звука прекратил свою работу. Тогда будет происходить лишь одно явление, а именно, поглощение звуковой энергии поверхностью тел, находящихся в помещении. Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 19

• 
  Слайд 20
  

  Каждый из материалов, принимающих участие в этом процессе, об­ладает характерным для него коэффициентом поглощения a. Если в помещенииимеется открытое окно, то для него коэффициент поглощения можно принять равным 1, так как звук полностью уходит (а это все равно, что поглощается) из помещения. Для гладкой и твердой стены коэффициент aблизок к нулю (для бетона 0,015). Теперь поглощение звука, характерное для всего помещения, можно описать величиной A=a1S1+a2S2+a3S3+... . Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 20

• 
  Слайд 21
  

  В этой сумме учи­тываются все поверхности, ограничивающие помещение. Теория показывает, что время реверберации зависит от величины Аи от объема помещения V,а именно,. В этой формуле объемнадо выразить в кубических метрах, а величину А— в квадратных метрах (0,16 - размерный коэффициент). С помощью последней формулы нетрудно найти типичные зна­чения времен реверберации.   Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 21

• 
  Слайд 22
  

  Коэффициент поглощения для бетона мы привели только что; не намного больше (до 3%) энергии погло­щают стекло, дерево, штукатурка. Резкое увеличение поглощения происходит при внесении в помещение мягких материалов. Так, одежда одного человека поглощает столько же звука, сколько 20 м2 стены. Для мягких материалов коэффициенты поглощения колеблются от 0,5 до 0,9. Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 22

• 
  Слайд 23
  

  Для решения акустических проблем при строительстве зданий большое значение имеют пори­стые материалы, коэффициент поглощения которых может прибли­зиться к aдля мягких материалов (пеностекло, пенобетон). Архитектурная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 23

• 
  Слайд 24
  

  Если волна переходит из одной среды в другую, то она меняет направление распространения в соответствии с законом преломле­ния. Угол, на который меняется направление распространения, определяется показателем преломления, т.е. отношением скоростей распространения. Известно, что скорость распространения звука чувствитель­но зависит от температуры. Изменение температуры на 1°С меняет скорость звука примерно на 0,5 м/с. Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 24

• 
  Слайд 25
  

  В различных слоях зем­ной атмосферы температура имеет, как правило, разные значения. Значит, в разных слоях воз­духа звук будет иметь раз­личную скорость. Как же ска­жется на распространении звука то обстоятельство, что он движется в среде, где коэф­фициент преломления непре­рывно меняется? Ответ на этот вопрос да­ет схема, изображенная на следующем слайде. Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 25

• 
  Слайд 26
  

  Представим себе, что звук проходит через серию слоев, внутри которых показатель преломления постоянен, Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 26 а при переходе от слоя к слою ме­няется скачком. Путь звуковой волны представится ломаной линией. Если же толщины слоев будут малы и различия в коэффици­ентах преломления начнут уменьшаться, то ломаная линия будет неотличима от кривой.

• 
  Слайд 27
  

  Значит, в среде переменного показателя преломления звуковые волны распространяются, вообще говоря, по Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 27 кривым линиям. При этом линия загибается всегда таким образом, что от точки к точке волна движется кратчайшее время (это положение носит название принципа Ферма). В этом случае прямая линия в известном смысле не является кратчайшей.

• 
  Слайд 28
  

  Покажем справедливость этого принципа для случая двух сосед­них участков ломаной кривой, которую мы только что рассматрива­ли. Для простоты положим, что оба участка имеют равные толщины d и разные скорости распространения v1и v2. Время, затрачиваемое волной, чтобы пройти указанный на рисунке путь, равно   Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 28

• 
  Слайд 29
  

  Время выражено через независимую переменную х.Придавая хразлич­ные значения, мы будем получать разные преломления и разные вре­мена перехода от той же начальной точки к той же конечной точке. Наименьшим время будет при условии, что , т. е. при условии   Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 29

• 
  Слайд 30
  

  Ho есть синус угла падения, а - синус углапреломления. Таким образом, мы доказали, что преломление волны происходит так,чтобы время ее движения стало минимальным. Следует подчеркнуть,что этот результат справедлив для всех волновых процессов, а нетолько для упругих волн.   Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 30

• 
  Слайд 31
  

  Таким образом, волна, идущая в неоднородной среде, меняет свое направление так, чтобы удлинить свой путь в среде с большой ско­ростью распространения и сократить его в слоях, где скорость рас­пространения меньше. Иначе говоря, слои с большой скоростью рас­пространения будут проходиться по возможности полого, а слои с малой скоростью распространения - по возможности отвесно. Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 31

• 
  Слайд 32
  

  Эти замечания делают вполне понятными рисунки, на которых схематически представлен ход звуковой волны для Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 32 случая, когда температура воздуха убывает с высотой (что обычно имеет место днем) и когда температура возрастает с высотой (ночные условия).

• 
  Слайд 33
  

  В данном случае большая скорость распространения звука имеет место в слоях, близких к земле. Если проследить за Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 33 распростране­нием звуковой волны, вышедшей из надземного пункта под неболь­шим углом к вертикали, то обнаружится следующая картина.

• 
  Слайд 34
  

  Каж­дый последующий слой отклоняет волну все дальше и дальше от вер­тикали. Когда угол падения достигнет Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 34 угла a0, для которого ,преломление прекращается, происходит полное отражение.  

• 
  Слайд 35
  

  То есть волна не только не распро-страняетсявдоль земной поверхности, но, напротив, поворачивается и Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 35 направляется вверх. Фор­мально причины полного отражения понятны: не может стать большим единицы.  

• 
  Слайд 36
  

  Физическую сущность этого явления мы рассмотрим позже на примере электромагнитных волн. Нарисованная Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 36 картина делает понятным образование «зон молчания». Ночью путь звуковой волны обращен выпуклостью кверху. Поэтому слышимость ночью много выше, чем днем.

• 
  Слайд 37
  

  Если же звук распространяется над отражающей поверхностью (воднаягладь), то несильные звуки могут быть слышны за несколько кило­метров. Путь волны представляет тогда последовательность выпуклых дуг Атмосферная акустика ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 37

• 
  Слайд 38
  

  Колебательная энергия в единице объема звуко-вого поля пропор­циональна квадрату частоты. Действительно, плотность колебатель­ной энергии ,но амплитуда скорости и0=Аw,а следова­тельно, пропорциональна. Сильные источники ультразвука способны создать колеба-нияс амплитудой давления в десятки атмо­сфер. Таким образом, в микрообъемах вещества несколько тысяч раз в секунду напряжение дости-гаетдесятков атмосфер сжатия, падает до нуля, достигает десятков атмосфер растяжения и т. д.   Действие ультразвука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 38

• 
  Слайд 39
  

  Ясно, что такое сильное механическое действие может привести к ряду специфических явлений. К ним относится явление кавитации. В момент колебания, соответствующий предельному растяжению в жидкости, находящейся в ультразвуковом поле, происходит микро­скопический разрыв, куда устремляются растворенные газы и пар. В момент колебания, соответствующий сжатию, в области этих раз­рывов возникают колоссальные давления порядка тысяч атмосфер. Действие ультразвука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 39

• 
  Слайд 40
  

  Столь существенные действия ультразвука могут быть использо­ваны для преодоления сил, действующих между молекулами. Эмульсии (жир в воде, бензол в воде и пр.) диспергируются под дей­ствием ультразвука. В частице, взвешенной в воде, рано или поздно наступает кавитационныйразрыв. Дробящее действие ультразвука находит широкое применение в промышленности. Действие ультразвука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 40

• 
  Слайд 41
  

  Однако и при отсутствии кавитации действие ультразвука может быть немаловажным. Если ультразвуковая волна проходит через аэрозоль (газ со взвешенными твердыми частицами, например дым) - то результатом является осаждение частиц. Ультразвуковые коле­бания собирают твердые частицы в узлах звукового давления, ча­стицы слипаются и становятся достаточно тяжелыми, чтобы опу­ститься на землю. Действие ультразвука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 41

• 
  Слайд 42
  

  Нахождение раковин, внутренних трещин и других дефектов ме­таллов с помощью ультразвукового просвечивания является также важной областью применения ультразвука. Метод основан на отра­жении ультразвука границей среда - воздух или основной металл - включение. Заметный эффект будет получен лишь в том случае, если размеры дефекта больше длины волны. Чтобы увидеть дефект размером в 1 мм, нужна длина волны менее 0,1 мм и, значит, частоты порядка 109 Гц. Действие ультразвука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 42

• 
  Слайд 43
  

  Обычно работают на много меньших частотах (107 Гц) и применяют метод для обнаружения крупных пороков. Широко известно применение ультразвука в эхолотах и гидро­локаторах. Действие ультразвука ВОПРОСЫ АКУСТИКИ 43