К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.
На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.
От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.
Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.
Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.
Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу – угол отражения равен углу падения – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.
Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.
Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.
Звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают. В этом легко убедиться на простом опыте. Если электрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которого откачен воздух, мы никакого звука не услышим. Но как только колпак наполнится воздухом, возникает звук.
Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя».
Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.
В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.
Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке50, в воздухе330, в воде1450, а в стали - 5000 метров в секунду. Если бы мы, находились в Москве, могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до Петербурга, то нас услышали бы там только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся в стали, то он был бы принят через две минуты.
На скорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той же среды. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450 метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Или возьмем сталь. Здесь тоже скорость звука зависит как от температуры, так и от качественного состава стали: чем больше в ней углерода, тем она тверже, тем звук в ней распространяется быстрее.
Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны, идущие из воздуха, почти полностью отразятся от поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегося в воде, отражаются от нее вниз.
Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения и наоборот.
В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящийся сферической волны, которая заполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные источниками звука, передаются массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны - распространяются дальше.
При увеличении толщины стенки звуколокация на низких средних частотах увеличивается, но «коварный» резонанс совпадения, вызывающий удушение звуколокации, начинает проявляться, более низких частотах и захватывает более широкую их область.
Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Воздух является упругой средой, передающей звук.
Если между источником и приёмником удалить звукопередающую среду, то звук распространяться не будет и, следовательно, приёмник не воспримет его. Продемонстрируем это на опыте.
Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник (рис. 80). Пока в колоколе находится воздух, звук звонка слышен ясно. При откачивании воздуха из-под колокола звук постепенно слабеет и, наконец, становится неслышимым. Без передающей среды колебания тарелки звонка не могут распространяться, и звук не доходит до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон.
Рис. 80. Опыт, доказывающий, что в пространстве, где нет вещественной среды, звук не распространяется
Хорошо проводят звуки упругие вещества, например металлы, древесина, жидкости, газы.
Положим на один конец деревянной доски карманные часы, а сами отойдём к другому концу. Приложив ухо к доске, услышим ход часов.
Привяжем к металлической ложке бечёвку. Конец бечёвки приложим к уху. Ударяя по ложке, услышим сильный звук. Ещё более сильный звук услышим, если бечёвку заменим проволокой.
Мягкие и пористые тела - плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. В качестве прослоек используют войлок, прессованную пробку, пористые камни, различные синтетические материалы (например, пенопласт), изготовленные на основе вспененных полимеров. Звук в таких прослойках быстро затухает.
Жидкости хорошо проводят звук. Рыбы, например, хорошо слышат шаги и голоса на берегу, это известно опытным рыболовам.
Итак, звук распространяется в любой упругой среде - твёрдой, жидкой и газообразной, но не может распространяться в пространстве, где нет вещества.
Колебания источника создают в окружающей его среде упругую волну звуковой частоты. Волна, достигая уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя её колебаться с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожания барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущение звука.
Напомним, что в газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Звук в воздухе, например, передаётся продольными волнами, т. е. чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука.
Звуковая волна, как и любые другие механические волны, распространяется в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью. В этом можно убедиться, например, наблюдая издалека за стрельбой из ружья. Сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое звуковое колебание. Измерив промежуток времени t между моментом возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он доходит до уха, можно определить скорость распространения звука:
Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 0 °С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с.
Скорость звука в газах тем больше, чем выше их температура. Например, при 20 °С скорость звука в воздухе равна 343 м/с, при 60 °С - 366 м/с, при 100 °С - 387 м/с. Объясняется это тем, что с повышением температуры возрастает упругость газов, а чем больше упругие силы, возникающие в среде при её деформации, тем больше подвижность частиц и тем быстрее передаются колебания от одной точки к другой.
Скорость звука зависит также от свойств среды, в которой распространяется звук. Например, при 0 °С скорость звука в водороде равна 1284 м/с, а в углекислом газе - 259 м/с, так как молекулы водорода менее массивны и менее инертны.
В настоящее время скорость звука может быть измерена в любой среде.
Молекулы в жидкостях и твёрдых телах расположены ближе друг к другу и сильнее взаимодействуют, чем молекулы газов. Поэтому скорость звука в жидких и твёрдых средах больше, чем в газообразных.
Поскольку звук - это волна, то для определения скорости звука, помимо формулы V = s/t, можно пользоваться известными вам формулами: V = λ/T и V = vλ. При решении задач скорость звука в воздухе обычно считают равной 340 м/с.
Гидроакустика (от греч. hydor - вода, akusticoc - слуховой) - наука о явлениях, происходящих в водной среде и связанных с распространением, излучением и приемом акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания гидроакустических средств, предназначенных для использования в водной среде.
Компоненты события появления эхосигнала.
Начало всесторонних и фундаментальных исследований по распространению акустических волн в воде было положено в годы Второй мировой войны, что диктовалось необходимостью решения практических задач военно-морских флотов и в первую очередь подводных лодок. Экспериментальные и теоретические работы были продолжены и в послевоенные годы и обобщены в ряде монографий. В результате этих работ были выявлены и уточнены некоторые особенности распространения акустических волн в воде: поглощение, затухание, отражение и рефракция.
Поглощение энергии акустической волны в морской воде обуславливается двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей. Первый процесс преобразует энергию акустической волны в тепловую, а второй - преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты акустического колебания. Наличие в воде взвешенных частиц, микроорганизмов и температурных аномалий приводит также к затуханию акустической волны в воде. Как правило, эти потери невелики, и их включают в общее поглощение, однако иногда, как, например, в случае рассеяния от следа корабля, эти потери могут составить До 90 %. Наличие температурных аномалий приводит к тому, что акустическая волна попадает в зоны акустической тени, где она может претерпеть многократные отражения.
Наличие границ раздела вода - воздух и вода - дно приводит к отражению от них акустической волны, причем, если в первом случае акустическая волна отражается полностью, то во втором случае коэффициент отражения зависит от материала дна: плохо отражает илистое дно, хорошо - песчаное и каменистое. На небольших глубинах из-за многократного отражения акустической волны между дном и поверхностью возникает подводный звуковой канал, в котором акустическая волна может распространяться на большие расстояния. Изменение величины скорости звука на разных глубинах приводит к искривлению звуковых «лучей» - рефракции.
|
Рефракция звука в воде: а - летом; б - зимой; слева - изменение скорости с глубиной. Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин. Звуковые лучи, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде: летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии; зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени. Различают несколько типичных случаев ВРСЗ: |
Распространение звука в подводном звук. канале: а - изменение скорости звука с глубиной; б - ход лучей в звуковом канале. На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы и т. д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеивание звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации , сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания. Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение: часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т. п.; другая часть связана с морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика. |
Дальность распространения звуковых волн является сложной функцией частоты излучения, которая однозначно связана с длиной волны акустического сигнала. Как известно, высокочастотные акустические сигналы быстро затухают благодаря сильному поглощению водной средой. Низкочастотные сигналы напротив способны распространяться в водной среде на большие расстояния. Так акустический сигнал с частотой 50 Гц способен распространяться в океане на расстояния в тысячи километров, в то время как сигнал с частотой 100 кГц, обычный для гидролокатора бокового обзора, имеет дальность распространения всего 1-2 км. Приблизительные дальности действия современных гидролокаторов с различной частотой акустического сигнала (длиной волны) приведены в таблице:
Гидроакустика получила широкое практическое применение, поскольку ещё не создано эффективной системы передачи электромагнитных волн под водой на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц и ультразвуками от 10000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрические и магнитострикционные.
Наиболее существенные применения гидроакустики:
ЛИТЕРАТУРА:
Звук в воде поглощается в сотни раз меньше, чем в воздухе. Тем не менее слышимость в водной среде значительно хуже, чем в атмосфере. Объясняется это особенностями восприятия звука человеком. В воздухе звук воспринимается двумя путями: передачей колебаний воздуха барабанным перепонкам ушей (воздушная проводимость) и так называемой костной проводимостью, когда звуковые колебания воспринимаются и передаются в слуховой аппарат костями черепа.
В зависимости от типа водолазного снаряжения водолаз воспринимает звук в воде с преобладанием или воздушной, или костной проводимости. Наличие объемного шлема, заполненного воздухом, позволяет воспринимать звук путем воздушной проводимости. Однако при этом неизбежна значительная потеря звуковой энергии в результате отражения звука от поверхности шлема.
При спусках без снаряжения или в снаряжении с облегающим шлемом преобладает костная проводимость.
Особенностью звукового восприятия под водой является также утрата способности определять направление на источник звука. Это связано с тем, что человеческие органы слуха приспособлены к скорости распространения звука в воздухе и определяют направление на источник звука благодаря разнице во времени прихода звукового сигнала и относительному уровню звукового давления, воспринимаемых каждым ухом. Благодаря устройству ушной раковины человек в воздушной среде способен определить, где находится источник звука - спереди или сзади, даже одним ухом. В воде все происходит по-иному. Скорость распространения звука в воде в 4,5 раза больше, чем в воздухе. Поэтому разница во времени приема звукового сигнала каждым ухом становится настолько малой, что определить направления на источник звука становится практически невозможно.
При использовании в составе снаряжения жесткого шлема возможность определения направления на источник звука вообще исключается.
Биологическое воздействие газов на организм человека
Вопрос о биологическом воздействии газов поставлен не случайно и обусловлен тем, что процессы газообмена при дыхании человека в обычных условиях и так называемых гипербарических (т. е. под повышенным давлением) существенно отличаются.
Известно, что обычный атмосферный воздух, .которым мы дышим, непригоден для дыхания летчиков в высотных полетах. Ограниченное применение он находит и для дыхания водолазов. При спусках на глубины более 60 м он заменяется специальными газовыми смесям.
Рассмотрим основные свойства газов, которые как в чистом виде, так и в смеси с другими используются для дыхания водолазов.
По своему составу воздух является смесью различных газов. Основными составляющими воздуха являются: кислород - 20,9%, азот - 78,1%, углекислый газ - 0,03%. Кроме того, в небольших количествах в воздухе содержатся: аргон, водород, гелий, неон, а также пары воды.
Входящие в состав атмосферы газы по их воздействию на человеческий организм можно разделить на три группы: кислород - постоянно потребляется для "поддержания всех жизненных процессов; азот, гелий, аргон и др. - не участвуют в газовом обмене; углекислый газ - при повышенной концентрации для организма вреден.
Кислород (О2) -бесцветный газ без вкуса и запаха с плотностью 1,43 кг/м3. Имеет важнейшее значение для человека как участник всех окислительных процессов в организме. В процессе дыхания кислород в легких соединяется с гемоглобином крови и разносится по всему организму, где непрерывно потребляется клетками и тканями. Перерыв в снабжении или даже уменьшение поступления его к тканям вызывает кислородное голодание, сопровождающееся потерей сознания, а в тяжелых случаях - прекращением жизнедеятельности. Такое состояние может наступить при снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе при нормальном давлении ниже 18,5%. С другой стороны, при увеличении содержания кислорода во вдыхаемой смеси или при дыхании под давлением, сверх допустимого, кислород проявляет токсические свойства - наступает кислородное отравление.
Азот (N) -газ без цвета, запаха и вкуса с плотностью 1,25 кг/м3, является основной частью атмосферного воздуха по объему и массе. В Обычных условиях физиологически нейтрален, не принимает участия в обмене веществ. Однако по мере повышения давления с ростом глубины погружения водолаза азот перестает быть нейтральным и на глубинах 60 и более метров проявляет ярко выраженные наркотические свойства.
Углекислый газ (СО2) - бесцветный газ с кислым привкусом. Он в 1,5 раза тяжелее воздуха (плотность 1,98 кг/м3), в связи с чем может скапливаться в нижних частях закрытых и плохо вентилируемых помещений.
Углекислый газ образуется в тканях как конечный продукт окислительных процессов. Определенное количество этого газа всегда имеется в организме и участвует в регуляции дыхания, а избыток переносится кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом. Количество выделяемого человеком углекислого газа з основном зависит от степени физической нагрузки и функционального состояния организма. При частом, глубоком дыхании (гипервентиляции) содержание углекислого газа в организме снижается, что может привести к остановке дыхания (апноэ) и даже к потере сознания. С другой стороны, увеличение его содержания в дыхательной смеси более допустимого приводит к отравлению.
Из других газов, входящих в состав воздуха, наибольшее применение у водолазов получил гелий (Не). Это инертный газ без запаха и вкуса. Обладая малой плотностью (около 0,18 кг/м3) и значительно меньшей способностью вызывать наркотическое воздействие при высоких давлениях, он широко используется как заменитель азота для приготовления искусственных дыхательных смесей при спусках на большие глубины.
Однако применение гелия в составе дыхательных смесей приводит к другим нежелательным явлениям. Его высокая теплопроводность, а следовательно, повышенная теплоотдача организма требуют повышенной теплозащиты или активного обогрева водолазов.
Давление воздуха . Известно, что окружающая нас атмосфера имеет массу и оказывает давление на поверхность земли и все предметы, находящиеся на ней. Измеренное на уровне моря атмосферное давление уравновешивается в трубках сечением Г см2 столбиком ртути высотой 760 мм или воды высотой 10,33 м. Если взвесить эту ртуть или воду, их масса будет равна 1,033 кг. Это значит, что "нормальное атмосферное давление равно 1,033 кгс/см2, что в системе СИ эквивалентно 103,3 кПа *.(* В системе СИ единицей давления является паскаль (Па). При необходи-сти пересчета используются соотношения: 1 кгс/см1 = 105 Па = 102 кПа = =* 0,1 МПа.).
Однако в практике водолазных расчетов пользоваться такими точными единицами измерения неудобно. Поэтому за единицу измерения давления принимают давление, численно равное 1 кгс/см2, которое называют технической атмосферой (ат). Одна техническая атмосфера соответствует давлению 10 м водяного столба.
Воздух при повышении давления легко сжимается, уменьшая объем пропорционально давлению. Давление сжатого воздуха измеряется манометрами, которые показывают избыточное давление , т. е. давление сверх атмосферного . Единица избыточного давления обозначается ати. Сумма избыточного и атмосферного давления называется абсолютным давлением (ата).
В обычных земных условиях воздух со всех сторон равномерно давит на человека. Учитывая, что поверхность тела человека в среднем равна 1,7-1,8 м2, сила давления воздуха, приходящаяся на него, составляет 17-18 тыс. кгс (17-18 тс). Однако человек не ощущает этого давления, так как тело его на 70% состоит из практически несжимаемых жидкостей, а во внутренних полостях - легких, среднем ухе и др. - оно уравновешивается противодавлением находящегося там и сообщающегося с атмосферой воздуха.
При погружении в воду человек подвергается воздействию избыточного давления, находящегося над ним столба воды, которое увеличивается на 1 ати через каждые 10 м. Изменение давления может вызывать болевые ощущения и обжим, для предупреждения которых водолазу необходимо подавать воздух для дыхания под давлением, равным абсолютному давлению окружающей среды.
Поскольку водолазам приходится иметь дело со сжатым воздухом или газовыми смесями, уместно вспомнить основные законы, которым они подчиняются, и привести некоторые формулы, необходимые для практических расчетов.
Воздух, как и другие реальные газы и газовые смеси, с известным приближением подчиняется физическим законам, абсолютно справедливым для идеальных газов.
ВОДОЛАЗНОЕ СНАРЯЖЕНИЕ
Водолазным снаряжением называют комплект устройств и изделий, надеваемых водолазом, для обеспечения жизнедеятельности и работы в водной среде в течение заданного промежутка времени.
Водолазное снаряжение отвечает своему назначению, если оно может обеспечить:
дыхание человека при выполнении им работы под водой;
изоляцию и тепловую защиту от воздействия холодной воды;
достаточную подвижность и устойчивое положение под водой;
безопасность при погружении, выходе на поверхность и в процессе работы;
надежную связь с поверхностью.
В зависимости от решаемых задач водолазное снаряжение разделяется:
по глубине использования - на снаряжение для малых (средних) глубин и глубоководное;
по способу обеспечения дыхательной газовой смесью - на автономное и шланговое;
по способу теплозащиты - на снаряжение с пассивной теплозащитой, электро- и водообогреваемое;
по способу изоляции - на снаряжение с водогазонепроницае-мыми гидрокомбинезонами «сухого» типа и проницаемыми «мокрого» типа.
Наиболее полное представление о функциональных особенностях работы водолазного снаряжения дает его классификация по способу поддержания необходимого для дыхания состава газовой смеси. Здесь различают снаряжение:
вентилируемое;
с открытой схемой дыхания;
с полузамкнутой схемой дыхания;
с замкнутой схемой дыхания.
Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.
Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.
Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.
Способность волны огибать препятствие называется дифракцией .
Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.
Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.
Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.
В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D , или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.
Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.
В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.
Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени .
Отражённый от препятствия звук называется эхом .
Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.
Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.
Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.
Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.
Выпуклая поверхность звук рассеивает.
Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.
Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.
Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.
Изменение направления распространения звука называется преломлением . Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.
Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.
где i – угол падения,
r – угол отражения,
v 1 – скорость распространения звука в первой среде,
v 2 – скорость распространения звука во второй среде,
n – показатель преломления.
Преломление звука называют рефракцией .
Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о, то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.
Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.
В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.
При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.
Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин . Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.
Уоллес Сэбин
Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации .
Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации .
Самой важной характеристикой помещения является время реверберации , которое ввёл и вычислил Сэбин.
где V – объём помещения,
А – общее звукопоглощение.
где a i – коэффициент звукопоглощения материала,
S i - площадь каждой поверхности.
Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.
По результатам своих вычислений Сэбин расположил звукопоглощающие материалы таким образом, что уменьшился «эффект эха». А Симфонический Зал Бостона, при создании которого он был акустическим консультантом, до сих пор считается одним из лучших залов в мире.
