Отражение, поглощение и прохождение звуковых волн

Когда звуковая волна достигает границы раздела среды, в которой она распространяется (например, падает на стену помещения или из воздуха переходит в воду), происходят следующие процессы. Часть звуковой энергии отражается, при этом угол отражения равен углу падения волны; часть звуковой энергии теряется из-за поглощения; часть проходит через границу раздела в другую среду (рис. 13.4).

Для количественного описания этих процессов вводятся следующие коэффициенты:

– коэффициент отражения – β = I_отр/I_пад;

– коэффициент поглощения – α = I_погл/I_пад;

– коэффициент прохождения – γ = I_пр/I_пад,

где I_пад, I_отр, I_погл, I_пр - интенсивности падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волны.

Общая сумма коэффициентов всегда равна единице: α + β + γ = 1.

Каждый из коэффициентов меньше единицы, поскольку отраженная, поглощенная и прошедшая волна имеют меньшую интенсивность, чем волна падающая.

Коэффициенты β и γ – величины безразмерные, однако для коэффициента α используется размерность «сэбин». Коэффициент поглощения в 1 сэбин равен поглощению звука открытым окном площадью в 1 м².

φ

φ

φ

Iотр

Iпогл

Iпр

Iпад

Рис. 13.4. Отражение, поглощение и прохождение звуковой волны на плоской поверхности

Величина коэффициента поглощения приводится обычно в справочниках для различных материалов. Например, на частоте 500 Гц коэффициент поглощения дерева равен 0,1, мрамора – 0,01, ковра – 0,23. Следует заметить, что величина коэффициента поглощения зависит от частоты: с повышением частоты она увеличивается. Например, для ковра 0,23 на 500 Гц и 0,43 на 4000 Гц. Кроме того, коэффициент поглощения зависит от величины угла падения звуковой волны - максимальное значение он имеет при угле падения 90°. Поэтому в таблицах обычно приводится значение, усредненное для различных углов падения.

Таким образом, при падении звуковой волны на препятствие (например, стену) отраженная волна имеет меньшую амплитуду и некоторый сдвиг по фазе по отношению к падающей волне. Величина этого сдвига зависит от отношения акустических сопротивлений отражающей среды и среды, где волна распространяется.

Структура звуковых волн, отраженных от стен и других предметов в помещении, определяет акустику концертных залов, студий, помещений прослушивания и др. Подбирая различные соотношения коэффициентов, можно менять структуру отраженных волн и тем самым влиять на качество звучания музыки и речи в помещении.

Общий закон отражения звуковой волны «угол падения равен углу отражения» приводит к тому, что если отражения происходит от негладких (шероховатых) поверхностей, то отраженные волны распространяются в разных направлениях, и в помещении создается диффузное рассеянное звуковое поле, что в ряде случаев улучшает общее качество звучания в зале.

Направление отраженных волн зависит от формы отражающей поверхности. Если выбрать поверхность в виде вогнутой или выпуклой чаши, то можно концентрировать (усиливать) или рассеивать звук в определенной точке или направлении («шепчущие» галереи, открытые эстрады, архитектурные формы – эркеры, ниши, купола и пр.) (рис.13.5).

Рис. 13.5. Фокусировка звуковых волн

Интересно отметить, что при падении сферической волны на отражающую плоскую поверхность появляется отраженная сферическая волна с центром, находящимся как бы за барьером. Этот центр называется «мнимый источник» (рис. 13.6). Метод мнимых источников используется при расчетах структуры звукового поля в архитектурной акустике.

Рефракция (преломление)

Рефракция – это изменение направления распространения звуковой волны при переходе из одной среды в другую. Как уже отмечалось, звуковая волна, падая на границу раздела двух сред, частично отражается от нее, частично переходит в другую среду. Если эта среда имеет другие физические свойства, значительно отличающиеся от свойств первой (плотность, температура и пр.), то скорость звука в ней меняется, и звуковая волна вследствие этого меняет направление своего распространения (рис. 13.7). Эффект рефракции имеет место и тогда, когда звуковая волна распространяется в одной среде (например, в атмосфере), физические свойства которой постепенно меняются. Примером может служить звуковая волна, распространяющаяся над поверхностью воды. Поскольку воздух над водой имеет более низкую температуру, чем в более высоких слоях, скорость звуковой волны в более холодных слоях становится меньше и направление распространения волны изменяется вниз (звуковые лучи изгибаются в сторону той среды, где скорость звука меньше) (рис. 13.8).

S

S`

Рис. 13.6. Мнимый источник звука

Воздух

Стекло

Рис. 13.7. Рефракция звуковых волн при вхождении в стекло

Температура выше

Температура ниже

S

Рис. 13.8. Рефракция звуковых волн над прохладной поверхностью

Соотношение изменения углов распространения звуковой волны (а₁ и а₂) и ее скоростей (С₁ и С₂) выражается следующей формулой:

sin a₁ / sin a₂ = с₁ / с₂.

Явление рефракции может приводить к различным звуковым эффектам (звуковым миражам, т.е. слышимости на больших расстояниях над морем, пустыней и пр.).

Дифракция звуковых волн

Звуковые волны обладают способностью огибать встретившиеся на их пути препятствия и проникать в область за ними. Эта способность к огибанию препятствий называется дифракцией. Благодаря этому явлению звуковые волны могут огибать углы, проникать через щели и отверстия и распространяться за ними. В противном случае звук можно было бы услышать только в пределах прямой видимости источника (рис. 13.9).

Препятствие

Источник шума

Дифракция

Рис. 13.9. Дифракция звуковых волн

Способность к дифракции зависит от соотношения длины волны (т.е. частоты) и размера препятствия:

- если длина волны много больше размеров препятствия (λ >>d), то звуковая волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя своей структуры и интенсивности. Так же она проходит и через отверстие, которое в этом случае становится как бы новым источником сферической волны (рис. 13.10);

Рис. 13.10. Дифракция звуковых волн на отверстии

- если длина волны сопоставима с размерами препятствия (λ ~ d), то звуковая волна огибает его частично (рис. 13.9), за препятствием ее интенсивность становится меньше, появляются области «акустической тени», в случае отверстия звуковая волна начинает концентрироваться вперед, при этом края ее становятся «размытыми»;

- если длина волны меньше размеров препятствия (λ << d), то звуковая волна отражается от него, и за препятствием образуется «акустическая тень», а через отверстие проходит только узкий звуковой пучок. Поэтому за балконом или колонной тембр звука меняется (низкие и средние частоты огибают их, а высокочастотные – нет).

Явление дифракции лежит в основе бинауральной локализации звука. Вся современная пространственная стереофония построена на использовании этого явления. Звуки разной частоты огибают голову и ушные раковин по-разному. В то время как низкочастотные звуки проходят без изменения интенсивности, среднечастотные и высокочастотные образуют «акустическую тень» (за счет дифракции), граница между ними находится примерно в области 2 кГц. В связи с этим интенсивность звука и тембр меняются в зависимости от расположения источника по отношению к голове, что и позволяет локализовать его в пространстве. Дифракция звука на корпусе микрофонов, на углах корпусов акустических систем и пр. также имеет существенное значение для качества воспроизведения звука и учитывается при их проектировании.

Рассеяние

Рассеяние – это процесс отражения части звуковой волны от препятствия, в то время как остальная ее часть это препятствие огибает. Например, для сферы радиуса a мощность рассеянной волны в области высоких частот равна

Р_а = 2πа²I₀, (13.11)

где I₀ интенсивность падающей плоской волны, а – ее радиус.

В общем случае под рассеянием звука понимается возникновение дополнительных звуковых полей на препятствиях, границах и неоднородностях среды.

Именно эти процессы, т.е. дифракция и рассеяние волны на поверхности микрофона приводят к значительному искажению структуры звукового поля вокруг него и изменению его чувствительности.