Акустические явления. 
Основы теории звука

Акустических явления лежат в основе любых акустических измерений. Правильное понимание акустических явлений является залогом правильной постановки измерительных экспериментов, так же как и неверная оценка акустических явлений является одним из источников ошибок при акустических измерениях.

В основе всех без исключения акустических явлений лежат физические законы, к важнейшим их которых относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, интерференция и дифракция звука, эффект Допплера и многие другие. Соответственно действие этих законов как порознь, так и в совокупности порождает соответствующие акустические явления, такие как эхо, рефракция звука, реверберация звука, диффузное звуковое поле и ряд других. Рассмотрим вкратце лишь некоторые из них.

Эхо (от имени нимфы Эхо в древнегреческой мифологии). Причиной отражения звуковых волн от любой пространственной границы двух сред является неравенство (несогласованность) их волновых акустических сопротивлений.

Волна (акустическая, электромагнитная и др.), отражённая от какого-либо препятствия и принятая наблюдателем. Акустическое эхо можно наблюдать, например, при отражении звукового импульса (стука, короткого отрывистого крика и т. д.) от хорошо отражающих поверхностей.

Эхо различимо на слух, если принятый и посланный импульсы разделены интервалом времени t = 50—60 мсек. Эхо становится многократным, если имеется несколько отражающих поверхностей (вблизи группы зданий, в горах и т. д.), звук от которых приходит к наблюдателю в моменты времени, различающиеся на интервалы t = 50—60 мсек. Гармоническое эхо возникает при рассеянии звука с широким спектром частот на препятствиях, размеры которых малы по сравнению с длинами волн составляющих спектра. В помещении отдельные многочисленные эхо сливаются в сплошной отзвук — это называется реверберацией.

Эхо может служить средством измерения расстояния r от источника сигнала до отражающего объекта:

r = сt/2,.

где t — промежуток времени между посылкой сигнала и возвращением эхо, а с — скорость распространения волн в среде. На этом принципе основаны различные применения эхо-сигналов.

Акустическое эхо применяется в гидролокации, а также в навигации, где для измерения глубины дна применяют эхолоты. Упругие волны, распространяющиеся в земной коре, отражаясь от слоев различных горных пород, образуют сейсмическое эхо, этим пользуются для поиска месторождений ископаемых. При помощи эхо измеряется глубина буровых скважин («эхометрирование» скважин), высота уровня жидкости в баках (ультразвуковые уровнемеры). Эхо-методы широко применяются в ультразвуковой дефектоскопии.

Акустическое эхо для некоторых животных (летучих мышей, дельфинов, китов и др.) служит средством ориентировки и поиска добычи.

Рефракция звука — искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), скорость звука в которой зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и рефракция выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.

Рефракция звука в атмосфере обусловлена пространственными изменениями температуры воздуха, скорости и направления ветра. С высотой температура обычно понижается (до высот 15—20 км) и скорость звука уменьшается, поэтому лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху и звук, начиная с некоторого расстояния, перестаёт быть слышен. Если же температура воздуха с высотой увеличивается (температурная инверсия, часто возникающая ночью), то лучи загибаются книзу и звук распространяется на большие расстояния. При распространении звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру — к земной поверхности, что существенно улучшает слышимость звука во втором случае. Рефракция звука в верхних слоях атмосферы может привести к образованию зон молчания и зон аномальной слышимости.

Рефракция звука в океане связана с пространственными изменениями температуры, солёности и гидростатического давления. Рефракция в океане обусловливает сверхдальнее распространение звука, образование зон тени, фокусировку звука и ряд других особенностей распространения звука.

Зона молчания в акустике (зона акустической тени) область, в которой звук удалённых мощных источников (орудийная стрельба, взрыв и т. д.) не слышен, в то время как на больших расстояниях он снова появляется («зона аномальной слышимости»). Зоны молчания обычно имеют на земной поверхности форму неправильного кольца, окружающего источник звука. Иногда наблюдается две и даже три зоны молчания, разделённые зонами аномальной слышимости. Внутренний радиус 1-й зоны молчания обычно равен 20—80 км, иногда он достигает 150 км; внешний радиус может достигать 150—400 км.

Причиной образования зон молчания является рефракция звука в атмосфере: т к. температура в нижних слоях атмосферы убывает с высотой (до минус 50—75°С на высоте 15—20 км), звуковые лучи отклоняются вверх, уходя от поверхности Земли. На высоте 40—60 км температура снова повышается (до 0—30°С), лучи загибаются книзу и, огибая сверху зону молчания, возвращаются на земную поверхность, образуя зону аномальной слышимости, 2-я и 3-я зоны аномальной слышимости возникают вследствие 1- и 2-кратного отражения звуковых лучей от земной поверхности. Ветер изменяет форму звуковых лучей, что может привести к значительному искажению кольцеобразной формы зоны молчания и даже разомкнуть кольцо. Исследование аномального распространения звука является одним из методов определения температур в средней атмосфере. Аналогичное явление наблюдается часто и при распространении звука (ультразвука) в океане.

Реверберация звука. Реверберация (позднелат. reverberatio — отражение, от лат. reverbero — отбрасываю) — процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. В больших помещениях со слабым звукопоглощением стен наблюдается явление послезвучания. После прекращения действия источника звук исчезает не мгновенно, а постепенно замирая. Явление послезвучания называется реверберацией, время замирания звука — временем реверберации.

Воздушный объём помещения представляет собой колебательную систему с очень большим числом собственных частот. Каждое из собственных колебаний характеризуется своим коэффициентом затухания, зависящим от поглощения звука при его отражении от ограничивающих поверхностей и при его распространении. Поэтому возбуждённые источником собственные колебания различных частот затухают неодновременно.

Реверберация оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещении, т.к. слушатели воспринимают прямой звук на фоне ранее возбуждённых колебаний воздушного объёма, спектры которых изменяются во времени в результате постепенного затухания составляющих собственных колебаний. Влияние реверберации тем более значительно, чем медленнее они затухают. В помещениях, размеры которых велики по сравнению с длинами волн, спектр собственных колебаний можно считать непрерывным и представлять реверберацию как результат сложения прямого звука и ряда запаздывающих и убывающих по амплитуде его повторений, обусловленных отражением от ограничивающих поверхностей.

Длительность реверберации характеризуется временем реверберации, т. е. временем, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 10⁶ раз, а его уровень на 60 дб. Время реверберации — важнейший фактор, определяющий акустическое качество помещения. Оно тем больше, чем больше объём помещения (или время свободного пробега звука) и чем меньше поглощение на ограничивающих поверхностях. Измеряют время реверберации, записывая процесс убывания уровня звука после выключения его источника.

Реверберацией называется также послезвучание, наблюдаемое в море в результате отражения и рассеяния исходного звука от дна (донная реверберация), взволнованной поверхности (поверхностная реверберация) и неоднородностей водной среды, рыб и др. биологических объектов (объёмная реверберация).

Явление реверберации звука лежит в основе работы реверберационных камер, отличительной особенностью которых является наличие в них так называемого диффузного поля.

Диффузное звуковое поле. Звуковое поле помещения в каждой точке пространства можно представить как совокупность волн, приходящих непосредственно от источника и волн, попадающих в данную точку после нескольких отражений. При изменении соотношений между длиной волны и размерами помещения, структурой и формой отражающих поверхностей, характер звукового поля, направления потоков поверхности изменяются.

При условии что: 1) размеры помещения значительно превышают среднюю длину волны, 2) стены не сильно поглощают звуковую энергию, то через произвольный элемент объема при непрерывном источнике звука в каждый момент времени будет проходить большое число отдельных волн. В результате этого звуковое поле будет иметь свойства изотропии (направления потоков энергии волн равновероятны) и однородности (плотность акустической энергии поля по всему объему помещения постоянна).

Изотропное и однородное звуковое поле называется диффузным. Диффузное звуковое поле обладает тем свойством, что все элементарные волны этого поля некогерентны. Это означает отсутствие устойчивых явлений интерференции, что позволяет широко использовать свойства диффузного поля при акустических измерениях в реверберационных камерах.

Интерференция звука. Интерференция звука — это результат сложения двух или нескольких когерентных колебаний, воздействующих на одну и ту же точку пространства.

Явления интерференции существенным образом влияют на характер акустического поля в реальных условиях, определяют направленность распространения звука и могут серьезно изменить результаты акустических измерений. За счет интерференции в результат измерений могут быть внесены систематические ошибки, а также отсутствовать повторяемость результатов.

Наиболее сильно на результат измерений влияют используемые при измерениях синусоидальные сигналы. Это объясняется тем, что при общем источнике все синусоидальные звуковые волны (преломленные, отраженные, рассеянные) оказываются в определенной степени когерентными между собой. Поэтому непрерывные синусоидальные колебания не используют, за исключением случаев, когда можно убедиться, что в точке приема присутствует только одно колебание.

Недостаточная диффузность реверберационных камер объясняется в большинстве случаев интерференционными явлениями. Это объясняется тем, что при многократном отражении сигналов, приходящих с разных направлений со случайными фазами, из-за коррелированности фаз падающих и ораженных волн вблизи отражающих поверхностей возникают пространственные интерференционные картины.

Для повышения диффузности строят камеры непараллельными поверхностями, применяют рассеиватели (диффузоры), придают отражающим поверхностям формы нерегулярной неоднородности, изогнутости, используют сложные сигналы и т. д.

Дифракция звука. Явление дифракции широко распространено в акустике. Оно связано с тем, что в случае наличия в среде препятствий с размерами, соизмеримыми с длиной звуковой волны, уже нельзя рассматривать распространение звука на основе лучевых представлений. Необходимо рассматривать звук как волновое явление, так так звук может огибать препятствия, создавая акустическое поле там, куда не проникает прямолинейный луч от источника.

Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука и геометрическим размером D — размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром.

.

где r — расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

При акустических измерениях отчетливое представление о роли дифракции совершенно необходимо. В противном случае могут быть допущены серьезные ошибки как методического характера, так и при оценке результатов измерений. Например, при измерении звукоизоляции материалов дифракционные явления зависят от соотношения между размерами пластины испытуемого материала, длиной волны звука, акустическими характеристиками образца, от характера звукового поля, вида препятствия, взаимного расположения точки измерения и препятствия и т. д. Для уменьшения влияния дифракционных явлений существует различные способы, зависящие от конкретного вида измерения.

На практике явления дифракции и интерференции взаимно связаны и существуют одновременно, что является причиной сложной картины звукового поля при измерениях.

Ключевые слова: волны, звук, инфразвук, ультразвук, гиперзвук, интерференция, дифракция.

Контрольные вопросы

• 1. Укажите диапазон звуковых волн.
• 2. Что такое инфразвук?
• 3. Что такое ультразвук?
• 4. Что такое гиперзвук?
• 5. Охарактеризуйте явление интерференции звука.
• 6. Охарактеризуйте явление дифракции звука.