Звукоизлучение и формирование акустического поля источника

Передача колебательной энергии твердых тел в окружающую воздушную среду – звукоизлучение, представляет одну из наиболее сложных задач акусти-ки. До настоящего времени точные решения получены лишь для небольшого ряда идеальных источников звука (мембран, пластин, струн, стержней, цилинд-рических оболочек, точечных источников). Объясняется это тем, что в твердых телах распространяются как поперечные, так и продольные волны, а в воздуш-ной среде - только продольные. Кроме того, существенно отличаются и скоро-сти распространения колебаний в твердой и воздушной средах. Как показывают исследования решений волнового управления на границе двух сред, не всякое колебание частиц твердых тел может быть причиной возникновения воздушно-го звука, даже если оно происходит с частотой слышимого диапазона волн. Ко-лебательная энергия частиц твердой среды передается частицам воздуха и рас-пространяется дальше тогда и только тогда, когда длина волны в твердом теле и

длина волны этой же частицы в воздухе совпадают. Частота, на которой выпол-няется это условие, называется граничной частотой.

Для пластин, граничная частота определяется выражением

f	гр	= с2	/ 2π =	m / D	(1.48)

где m – масса на единицу площади; D– изгибная жесткость (см. 1.10).

На более низких частотах энергия колебаний частиц твердого тела затра-чивается на перетекание частиц окружающей среды вдоль поверхности тела между соседними участками, движущимися в противофазе (рис.1.3).

а–бесконечная пластина; б–бесконечная пластина, возбуждаемая сосредоточенной силой; в–пластина в жестком экране (сплошные стрелки указывают перетекание среды;штриховые – излучение звука)

Рис. 1.3. Схема взаимодействия изгибно колеблющейся пластины и воздушной среды

Колебательная энергия частиц не передается дальше, поэтому эту часть акустического излучения принято называть "безваттной". Интенсивность звука уменьшается здесь с расстоянием по экспоненциальной зависимости. На близ-ком расстоянии от источника звука преобладает именно "безваттное" звукоиз-лучение.

На частотах выше граничной энергия колебания частиц, расположенных вблизи поверхности твердого тела, полностью передается в окружающую среду

и распространяется на большое расстояние. При этом интенсивность звука из-меняется обратно пропорционально квадрату расстояния (для сферических и плоских волн) или первой степени от расстояния (для цилиндрических волн). Принимая во внимание определение уровней акустических величин (см. п.1.3, формула 1.32), можно утверждать, что уровень интенсивности изменится на ве-личину ΔL = 10lg (r₂/ r₁)²= 20 lg r₂/ r₁ . При удвоении расстояния (r₂/ r₁= 2) для сферических волн ΔL= 20 lg 2 = 6 дБ (Рис.1.4).

В соответствие с вышесказанным, принято разделять акустическое поле источника звука на акустически ближнее и дальнее поля (рис.6 )

Рис. 1.4. Изменение уровня звукового давления с расстоянием

В акустически ближнем поле фазы звукового давления и скорости частиц не совпадают и для интенсивности звука несправедливо соотношение (1.27), т.е. не выполняется условие пропорциональности интенсивности квадрату зву-кового давления (см. 1.33). Таким образом, интенсивность может быть опреде-лена лишь в том случае, когда помимо звукового давления известна и разность фаз (φ_р– φ_v) между давлением и скоростью частиц. Практически получить эти данные весьма затруднительно.

1 – источник звука; 2 – геометрически ближнее поле; 3 – геометрически дальнее поле; 4 – акустически ближнее поле; 5 – акустически дальнее поле

Рис.1.5. Структура акустического поля источника

Согласно вышесказанному, в области ближнего поля не выполняются и соотношения (1.1.36), т.е. измерения уровней звукового давления не дают воз-можности определить ни уровень интенсивности, ни уровень акустической мощности источника звука. Это важно помнить при планировании проведения экспериментальных работ, в противном случае могут быть получены искажен-ные значения искомых величин L_I и L_p. Критерием выбора места расположения измерительных точек считается выполнение условия

r > λ

(1.49)

где r - расстояние от ближайшей точки поверхности источника.

Здесь следует также отметить еще одно разделение акустического поля в зависимости от размеров реального источника звука. Поскольку на практике источники звука имеют вполне определенные размеры, принято рассматривать две зоны акустического поля: геометрически ближнее и дальнее. Геометриче-ски дальним полем называется область, в которой акустические характеристики поля не зависят от размеров самого источника, т.е. его можно считать точеч-

ным. Границы геометрически ближнего поля определяется из условия
R << l max	(1.50)

где lmax

- максимальный размер источника. Практически границу принимают

равной (3-5) l_max

В геометрически ближнем поле нельзя в общем виде рассчитать уровни звукового давления, поскольку вблизи источника конечных размеров поверхно-сти равных уровней звукового давления повторяют форму источника. Фронт волны нельзя считать здесь ни сферическим, ни плоским. Поэтому измерения уровней звукового давления с целью получения в дальнейшем путем пересчета уровней звука на различных расстояниях от источника звука, следует прово-дить в зоне геометрически дальнего поля, т.е. на расстоянии r >> l_max.