Отражение звуковой волны от плоской границы при нормальном падении

Рассмотрим плоскую границу двух сред. Пусть волновое сопротивление первой среды равно ρ₁с₁, а волновое сопротивление второй среды ρ₂с₂ (здесь ρ – плотность соответствующей среды, а с – скорость звука в данной среде). Выберем систему отсчета таким образом, что ось Ox направлена перпендикулярно границе, которая расположена при x=0, а ось Oy направлена вдоль границы (рисунок 5.1).

Пусть плоская гармоническая звуковая волна нормально падает на границу двух сред. Звуковое давление и колебательная скорость движения частиц в первой среде могут быть представлены в виде суммы соответствующих характеристик падающей и отраженной волны:

, (5.1)

. (5.2)

Здесь ω – циклическая частота колебаний в волне, k₁ = ω/c₁ – волновое число в первой среде.

Во второй среде будет распространяться только прошедшая волна:

, (5.3)

, (5.4)

где k₂ = ω/c₂ – волновое число во второй среде.

На границе раздела (при x = 0) в соответствии с третьим законом Ньютона звуковые давления должны быть равны:

. (5.5)

Кроме того, скорость движения частиц первой и второй среды на границе также равны (вследствие закона неразрывности):

. (5.6)

Подставляя выражения (5.1) – (5.4) в граничные условия (5.5) и (5.6), получаем:

(5.7)

(5.8)

Между давлением и колебательной скоростью частиц в звуковой волне существует соотношение:

(5.9)

где знак “+” соответствует волне, бегущей в положительном направлении оси, а знак “-“ – обратной волне.

С учетом соотношения (5.9) выражение (5.8) запишется в виде:

(5.10)

Решив совместно уравнения (5.7) и (5.10), получим формулы для коэффициентов отражения и прохождения звуковой волны (по давлению):

(5.11)

(5.12)

Аналогично, коэффициенты отражения и прохождения для колебательной скорости равны:

(5.13)

(5.14)

Проанализируем полученные выражения. Если ρ₂с₂ > ρ₁с₁, то есть вторая среда акустически более “жесткая”, чем первая, то r > 0, а r_v < 0. Это означает, что при отражении от более “жесткой” среды скорость частиц меняет фазу на противоположную, а фаза давления остается неизменной. Если отражение происходит от абсолютно жесткой поверхности (ρ₂с₂ → ∞), то амплитуда звукового давления на границе удваивается по сравнению с падающей волной, а амплитуда колебательной скорости равна нулю. Таким образом, на жесткой стенке имеет место пучность стоячей волны для давления и узел стоячей волны для колебательной скорости.

При ρ₂с₂ < ρ₁с₁ (вторая среда акустически более “мягкая”) фаза колебательной скорости не изменяется, а фаза давления изменяется на π. Это означает, что на абсолютно “мягкой” границе (ρ₂с₂ → 0) будет узел звукового давления и пучность колебательной скорости частиц.

Наконец, при ρ₂с₂ = ρ₁с₁ коэффициент отражения равен нулю. Это означает, что отраженной волны не возникает и звук беспрепятственно проходит во вторую среду. В этом случае говорят, что среды согласованы по акустическому сопротивлению.

Так как между звуковым давлением и интенсивностью звуковой волны существует соотношение:

(5.15)

то энергетический коэффициент отражения звука от границы равен:

(5.16)

Величина, равная отношению интенсивности звуковой волны, прошедшей во вторую среду, к интенсивности падающей на границу волны, называется коэффициентом звукопоглощения поверхности раздела двух сред:

(5.17)

При нормальном падении звуковой волны на плоскую поверхность коэффициент звукопоглощения с учетом формулы (5.11) равен:

(5.18)

Рассмотрим практически важный случай, когда звуковая волна из воздуха (ρ₁с₁ = ρ₀с ≈ 420 ) падает на плоскую поверхность материала с волновым сопротивлением R = ρ₂с₂. В этом случае формулы для коэффициента отражения (5.11) и коэффициента звукопоглощения (5.18) принимают вид:

(5.19)

(5.20)

Величина R₁ = R/ρ₀c называется волновым сопротивлением, выраженным в долях волнового сопротивления воздуха, или безразмерным волновым сопротивлением (импедансом) среды.

Если среда не является бесконечной и звуковая волна при распространении в ней поглощается, то волновое сопротивление среды является комплексным числом:

(5.21)

где R – активная часть импеданса, а Y – реактивная часть импеданса. Безразмерный импеданс:

(5.22)

Физически наличие реактивной составляющей импеданса означает, что между звуковым давлением и колебательной скоростью частиц среды существует фазовый сдвиг. Коэффициент отражения от среды с комплексным импедансом также является комплексным числом:

(5.23)

Коэффициент звукопоглощения при нормальном падении звуковой волны из воздуха на поверхность с комплексным импедансом равен:

(5.24)

Анализ формулы (5.24) показывает, что для достижения максимального значения коэффициента звукопоглощения (α = 1) необходимо, чтобы активная часть импеданса поверхности, на которую падает звуковая волна, была равна волновому сопротивлению воздуха (R = ρ₀c или R₁ = 1), а реактивная часть импеданса Y₁ должна стремиться к нулю. При разработке звукопоглощающих материалов и конструкций ориентируются именно на эти показатели.