Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

Основным в получении сильного ультразвукового сигнала явля­ ется резонансный эффект. Смещения под действием статического поля в тысячи раз меньше резонансных смещений, а ведь энергия колебания пропорциональна квадрату смещения.

Если повышать частоту генератора, можно последовательно воз­ будить пластинку на всех ее обертонах. Частоты наиболее распро­ страненных промышленных ультразвуковых генераторов лежат в пределах от сотен до тысяч килогерц.

Г Л А В А 8

ВОПРОСЫ АКУСТИКИ

§ 46. Объективная и субъективная характеристики звука

Слуховые органы человека обладают способностью 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 колебательного процесса, происхо­ дящего в воздухе, то его можно описать исчерпывающим образом графиком изменения амплитуды (смещения, скорости колебания или давления — это довольно безразлично) во времени. Подобный гра­ фик дает возможность выяснить, является ли процесс периодиче­ ским, и если да, то определить основной тон колебания. Изучая

Рис. 68.

форму кривой периодического колебания, можно установить, ка­ кие обертоны присутствуют и с какими амплитудами. Иначе и более широко говоря, график зависимости колебания от времени позволяет всегда найти спектр колебания, т. е. узнать, какие в нем присут­ ствуют частоты и с какими амплитудами они представлены в спек­ тре. Получение графика происходит с помощью микрофона, присое­ диненного к осциллографу. В более совершенных установках про­ исходит автоматическое преобразование графика колебания в его спектр.

Упрощенная схема такого анализатора показана на рис. 68. Входной звуковой сигнал, превращенный микрофоном в электриче-

ский, усиливается предварительным усилителем ПУ и попадает в устройство, состоящее из большого числа фильтров . Ф1-^-Ф27, каждый из которых пропускает определенную полосу частот, на­ пример 7а октавы (36—48, 48—60, 60—72 Гц и т. д.).

| п — "

I

,. . . . I 1 1 .

ОS00 1000 1500 ЯО0О &5003000 3500

Про фильтры можно сказать, что они раскладывают сигнал в спектр и при этом с тем большей разрешающей способностью, чем меньше частотный интервал фильтра. Выделенная фильтром часть спектра

отклоняющие электронный луч по вертикали. Если бы на вторую пару пластин осциллографа напряжение не подавалось, то при вклю­ чении каждого из фильтров электронный луч отклонялся бы на

связаны в простейшем случае формулой

где w — плотность энергии, т. е. w=pu2/2. Но (см. стр. 101) u=plpc. Делая подстановку,"мы получим написанную выше формулу. Сила звука может быть измерена в Вт/см2 .

Для воздуха рс=41 . Сильнейшие звуки, вызывающие болевое ощущение, создаются давлением порядка 2000 бар, очень слабые звуки, но все же воспринимаемые средним человеком, имеют давле­ ние 2 - Ю " 4 бар (1 бар = 1 дин/см2 ). Мы получим для предельных ин-

Столь большой диапазон интенсивностей делает целесообразным

звука отличаются в миллион раз, то по громкости они различаются на 60 децибелов.

Оценивая силу звука в децибелах, надо указать нулевой уровень.

Возвращаясь еще раз к диаграмме слуховых восприятий, отме­ тим, что область речи заключена в более узкие рамки как по часто­ там (от 100 до 10 000 Гц), та.к и по силам (от 40 до 80 дБ). Звуки разной частоты обладают различной слышимостью. Лучше всего ухо воспринимает частоты в несколько тысяч герц. Ниже 20 Гц лежит

§48. Архитектурная акустика

Водних помещениях произносимая речь звучит неразборчиво, хотя и громко, в других залах оратору надо возвышать голос, чтобы быть услышанным. Представляют интерес поиски физических кон­ стант 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 пер­ воначальной силе. В акустическом отношении помещение наилуч­ шее, если время реверберации т составляет 0,5—1,5 с. Если т меньше 3 с, помещения считают хорошими. Если же время реверберации превосходит 5 с, то акустика такого помещения очень плоха, она характеризуется «гулким звучанием».

Произнесенный в каком-либо месте большого зала звук отра­ жается от стенок, пола и потолка комнаты, отражается от мебели, от драпировок, от одежды сидящих в зрительном зале людей. Если при каждом отражении звук теряет большую долю энергии, то зату­ хание 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 затуха­ нием. Слушатель будет улавливать звуковую волну, непосредственно достигшую уха, двукратно отраженную, трехкратно отраженную и т. д. Если время между приходом этих звуковых волн не превысит

Очевидно, что вопрос о времени затухания звука определяется поглощением его на окружающих телах. Так как звук отражается многократно, то через короткое время постоянного звучания какоголибо источника все помещение более или менее равномерно запол­ нится звуковой, т. е. колебательной, энергией. 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. Каждый из материалов, принимающий участие в этом процессе, об­

коэффициент поглощения равным 1, так как звук полностью уходит (а это все равно, что поглощается) из помещения. Дл я гладкой и твердой стены коэффициент а близок к нулю (для бетона 0,015). Теперь поглощение звука, характерное для всего помещения, можно описать величиной A =oc 1 S 1 +a 2 S 2 +cc 3 S 3 + .. . ; в этой сумме учи­ тываются все поверхности, ограничивающие помещение. Теория

показывает, что время реверберации зависит от величины Л и от объема помещения V, а именно, т —0,16-^-. В этой формуле объем

надо выразить в кубических метрах, а величину Л — в квадратных метрах (0,16—размерный коэффициент).

Нетрудно с помощью последней формулы найти типичные зна­ чения времен реверберации. Коэффициент поглощения для бетона мы привели только что; не намного больше (до 3%) энергии погло­ щают стекло, дерево, штукатурка. Резкое увеличение поглощения происходит при внесении в помещение мягких материалов. Доста­ точно сказать, что одежда одного человека поглощает столько же звука, сколько 20 м'2 стены. Для мягких материалов коэффициенты поглощения колеблются от 0,5 до 0,9. Для решения акустических проблем при строительстве зданий большое значение имеют пори­ стые материалы, коэффициент поглощения которых может прибли­ зиться к а для мягких материалов (пеностекло, пенобетон).

§ 49. Атмосферная акустика

Если волна переходит из одной среды в другую, то она меняет направление распространения в соответствии с законом преломле­ ния. Угол, на который меняется направление распространения, определяется показателем преломления, т. е. отношением скоростей распространения.

Известно (§ 32), что скорость распространения звука чувствитель­ но зависит от температуры. Изменение температуры на 1 °С увели­ чивает скорость звука примерно на 0,5 м/с. В различных слоях зем­ ной атмосферы температура имеет, как правило, разные значения.

Значит, в разных слоях воз­ духа звук будет иметь раз­ личную скорость. Как же ска­ жется на распространении звука то обстоятельство, что он движется в среде, где коэф­ фициент преломления непре­ рывно меняется?

звук проходит через серию слоев, внутри которых показатель преломления постоянен, а при переходе от слоя к слою ме­ няется скачком. Путь звуковой волны представится ломаной линией. Если же толщины слоев будут малы и различия в коэффици­ ентах преломления начнут уменьшаться, то ломаная линия будет неотличима от кривой. Значит, в среде переменного показателя преломления звуковые волны распространяются, вообще говоря, по кривым линиям. При этом линия загибается всегда таким образом, что от точки к точке волна движется кратчайшее время (это положе-