Основные характеристики звуковых волн

Звуковыми (или акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде волны, обладающие частотами^; в пределах 16—20 000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Волны с v < 16 Гц ( инфразвуковые ) и v >>20 кГц ( ультразвуковые ) органами слуха человека не воспринимаются. Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия растяжения. В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так поперечными, так как твердые тела обладаютупругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Интенсивностью звукаI (или силой звука – называется величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

. (23.1)

Единица интенсивности звука в СИ — [ I ] = (Вт/м²).

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение.

Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая ( порог слышимости ) и наибольшая ( порог болевого ощущения ) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое восприятие. На рис.23.1 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости.

Если интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей волновой процесс, то субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. По физиологическому закону Вебера — Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности:

, (23.2)

где I ₀— интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10^-12 Вт/м².

Величина L называется уровнем интенсивности звука и выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими,— децибелами (дБ).

Рис.23.1.

Физиологической характеристикой звука является уровень громкости, который выражается в фонах (фон). Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Например, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует «90 фон, а шепот на расстоянии 1 м — 20 фон.

Некоторые данные об интенсивности звука от различных источников, а также в примечании некоторые советы.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, как показано на рис.23.2. т. е. звук обладает акустическим спектром, который может быть сплошным, в некотором интервале присутствуют колебания всех частот (рис.23.2(б)) и линейчатым, где присутствуют отделенные друг от друга определенные частоты (рис.23.2(а)).

 

 

Источники звука	Уровень громкости дБ	Интенсивность Вт/м2	Примечание
Реактивный самолет (на расстоянии 30 м от него)			Строительство зданий и жилых домов в районе аэропортов не рекомендуется
Источник звука на пороге болевого ощущения			Вредно для здоровья человека т.к. порог вредности 90 дБ смертельный уровень 180 дБ.
Рок музыка в закрытом помещении			Вредно для здоровья человека т.к. порог вредности 90 дБ
Интенсивное уличное движение		1 10-5	Использование эффекта, что стоячая волна не переносит энергию, можно использовать для борьбы с шумами уличного движения. Между щитами, поставленными с рассчитанным расстоянием и под определенным углом к магистрали, можно создать стоячую волну (пример, Каширское шоссе, Московской обл.). На этом же эффекте сконструирован глушитель автомобиля “Toyota”
Шум в салоне автомобиля движущегося со скоростью 100 км/ч		3, 10-5
Обычный разговор		3 10-6
Родио (негромкое)		1 10-8
Шум листвы		1 10-11
Любой источник звука на пороге слышимости		1 10-12
а	б
Рис.23.2. Акустический спектр звуковых частот (а) – линейчатый; (б)-сплошной

Звуковое ощущение характеризуется помимо громкости еще высотой и тембром. Высота звука — качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустического спектра и распределения энергии между определенными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустический спектр, т. е. они имеют различный тембр.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).

Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле

,(23.3.)

где R — газовая постоянная М — молярная масса, γ =с_p/с_v — показатель адиабаты, Т — термодинамическая температура. Согласно (23.3) выходит, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Например, при Т = 273К скорость звука в воздухе (М = 29×10^-3 кг/моль) u =331 м/с, в водороде (М = 2×10^-3 кг/моль), u = 1260 м/с. Выражение (23.3) соответствует опытным данным.

При распространении звука в атмосфере необходимо учитывать целый ряд факторов: скорость и направление ветра влажность воздуха, молекулярную структуру газовой среды, явление преломлен и отражения звука на границе двух сред. Кроме того, любая реальная среда обладает вязкостью, поэтому наблюдается затухание звука, т. е. уменьшение его амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание звука обусловлено в значительной мере его поглощением в среде, связанным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основном в тепловую).

Скорость распространения звука в жидкостях

, (23.4.)

где k - коэффициент сжимаемости жидкости, ρ- плотность среды.

Для твердых тел

, (23.5.)

где Е - модуль Юнга, ρ - плотность среды.

Основной особенностью акустических процессов в замкнутых помещениях является наличие многократных отражений звука от ограничивающих поверхностей (стен, потолка), в помещении средних размеров волна претерпевает несколько сот отражений, прежде чем ее энергия уменьшается до порога слышимости. В больших помещениях звук достаточной силы может быть слышен после выключения источников в течение нескольких десяткой секунд за счет существования отраженных волн, движущихся во всевозможных направлениях Совершенно очевидно, что такое постепенное замирание звука, в одной стороны выгодно, так как звук усиливается за счет энергии отраженных волн; однако, с другой стороны, чрезмерно временное замирание может существенно ухудшить восприятие связанного звучания (речи, музыки) вследствие того, что каждая новая часть связанного контекста (например, каждый новый слог речи) перекрывается еще не отвечавшими предыдущими. Для создания хорошей слышимости время отзвука в аудитории должно иметь некоторую оптимальную величину.

При каждом отражении часть энергии теряется вследствие поглощения. Отношение поглощенной энергии звука к падающей называют коэффициентом поглощения звука. Приведем значения для ряда случаев.

Открытое окно	1,00
Отштукатуренная кирпичная стена	0,025
Стекло обычной толщины	0,.027
Известь по деревянной обрешетке	0,034
Линолеум	0,12
Ковер	0,2
Войлок(толщиной 2,5 см на расстоянии 8 см от стены)	0,78
Паркет	0,06
Бетон	0,015

Очевидно, что чем больше коэффициент поглощения звука, характерный для стен какого либо помещения, и чем меньше размеры этого помещения, тем короче время отзвука.

Время отзвука, в течение которого интенсивность звука убывает до порога слышимости, зависит не только от свойств помещения, но и от начальной силы звука. Чтобы внести определенность в расчет акустических свойств аудиторий принято (совершенно словно) рассчитывать время, в течение которого плотность звуковой энергии уменьшается до одной миллионной доли начального значения. Это время называют временем стандартной реверберации или просто реверберацией. Оптимальное значение реверберации, при котором слышимость может считаться наилучшей, многократно определялась экспериментально. В малых помещениях (объемом не выше 350 м³) оптимальной является реверберация 1,06с. При дальнейшем увеличении объема оптимальная реверберация растет пропорционально .

Борьба с уличными шумами Борьба с шумом, излучаемым автомобильным транспортом является важной проблемой. Вопросы сооружения и конструирования придорожных барьеров рассматриваются при проектировании дороги. Обычно акустический барьер имеет форму вертикальной стенки, хотя широкое применение получили и иные формы, делались попытки улучшить эстетические, нежели экранирующие, характеристики барьеров. При проектировании эффективного звукового барьера ставят следующие цели: барьер должен иметь достаточную массу для ослабления звука, быть доступным для текущего обслуживания и ремонта; установка барьера не должна приводить к росту несчастных случаев. Чтобы обеспечить оптимальную степень звукозащищенности, барьер должен располагаться вблизи источника шума или вблизи объекта, защищаемого от шума. Хотя масса барьера не должна быть значительной, важно обеспечить тщательное уплотнение всех просветов в конструкции барьера. Дырка или просвет в конструкции барьера может привести к существенному уменьшению его экранирующей возможности, а наличие указанных дефектов может вызвать резонансные эффекты, что может привести, в свою очередь, к изменению характера преобразованного барьером звука, при котором произойдет изменение широкополосного шума в шум, содержащий дискретные тона.

 

Эффект Доплера

Эффектом Доплера называетсяизменение частоты колебаний, воспринимаемой приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга.

Например, из опытаизвестно, что гудка поезда повышается но мере его приближения к платформе и понижается; при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемни ка (уха) изменяет частоту принимаемых: колебаний. Для рассмотрения эффекта Доплера предположим, что источник и приемник звука движутся вдоль соединяющей их прямой; υ_ист и υ_пр — соответственно скорости движения источника и приемника причем они положительны, если источник (приемник) приближается к приемнику (источнику), и отрицательны, если удаляется. Частота колебаний источника равна ν ₀.

1. Источник и приемник покоятся относительно среды, т.е. υ_ист= υ_пр= 0. Если υ — скорость распространения звуковой волны в рассматриваемой среде, то длина волны . Распространяясь среде, волна достигнет приемника и вызовет колебания его звукочувствительного элемента с частотой

. (23.6)

Следовательно, частота ν звука, которую зарегистрирует приемник, равна частоте ν_о, с которой звуковая волна излучается источником.

2. Приемник приближается к источнику, а источник покоится, т.е.

υ_ист = 0 υ_пр >0, в данном случае скорость распространения волны относительно приемника станет равной υ+υ_пр. Так как длина волны притом не меняется, то

, (23.7.)

т.е. частота колебаний, воспринимаемых приемником, в раз больше частоты колебаний источника.

3. Источник приближается к приемнику, а приемник покоится, т.е. υ_ист > 0, υ_пр = 0.Скорость распространения колебаний зависит лишь от свойств среды, поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние υT (равное длине волны λ)независимо от того, движется ли источник или покоится. За это же время источник пройдет в направлении волны расстояние υ_ист Т, т.е. длина волны в направлении движения сократится и станет равной тогда

, (23.8.)

т.е. частота ν колебаний, воспринимаемых приемником, увеличится в раз.

4. Источник и приемник движутся относительно друг друга. Используя результаты, полученные для случаев 2 и 3, можно записать выражение для частоты колебаний, воспринимаемых источником:

(23.9)

причем верхний знак берется, если при движении источника или приемника происходит их сближение, нижний знак — в случае их взаимного удалении.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука (УЗ), при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗ-вых волн, второе – с активным воздействием на вещество и третье – с обработкой и передачей сигналов.

Ультразвуковая очистка. Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, а при ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места (например, паровые котлы, бойлеры, радиаторы отопления и т.д.), хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.

Ультразвуковая очистка – сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.

Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить УЗ-вой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они сливаются, и размер их увеличивается. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные и утяжеленные частицы специальными фильтрами.

Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов. Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов.

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

Ультразвуковая сварка. Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае УЗ-вая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при УЗ-вой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью УЗ можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры).

Ультразвуковая пайка и лужение. В промышленности все большее значение приобретает УЗ-вая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.

В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применением УЗ производится без флюса. Введение механических колебаний ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности.

Принцип УЗ-вой пайки алюминия заключается в следующем. Между паяльником и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием УЗ-вых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла.