Музей истории изобретений Главная |   Музыкальные инструменты  | Устройства |

Категории раздела

Мои статьи [107]

Статистика


Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Форма входа

Каталог статей

Главная » Статьи » Мои статьи

Затухание звука

ГЛАВА XII

ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА

§ 116. Затухание звука

Тот факт, что звук распространяется с конечной скоростью, известен с незапамятных времен, например, по наблюдению эхо. Измерения скорости звука всегда были довольно точны. Еще в 1738 г. французская академия наук получила для скорости звука в воздухе при 0° С значение 337 м/сек, всего на 1,7% отличающееся от современных измерений (332,45 м/сек). Но другое фундаментальное свойство процесса распространения - затухание в результате поглощения звука (т. е. перехода звуковой энергии в тепловую) - привлекло внимание только в XIX веке, а экспериментальное обнаружение и измерение поглощения было выполнено только в нашем веке. Это объясняется тем, что при умеренных частотах поглощение звука в воздухе или в воде удивительно мало *) и поэтому полностью маскируется другими причинами затухания.

Если бы не было расхождения в стороны, рассеяния на препятствиях и других причин затухания звуковых волн, помимо поглощения, то, например, звук мужского голоса (основная частота 100-150 гц) при распространении в атмосфере ослабел бы вдвое по амплитуде только после пробега примерно 60 км, т. е. только через 3 минуты свободного распространения. Звук громкого разговора в Ленинграде можно было бы услышать в Москве (по прошествии получаса, требующегося для пробега звуком этой дистанции) при громкости еще заметно большей порога слышимости: потеря интенсивности составила бы всего 60 дб. Правда, слов разобрать бы не удалось, так как обертоны, отличающие речь от синусоидального звукового сигнала, затухают гораздо быстрее (поглощение звука растет с частотой).

Конечно, такое малое поглощение совершенно незаметно на фоне затухания, вызванного другими причинами, всегда сопровождающими реальное распространение звука в свободной среде.

*) В воде, в горных посадочных породах затухание звука (даже очень малой длины волны) ничтожно по сравнению с затуханием электромагнитных волн. Поэтому звуковые волны -- единственное средство исследования водоемов и глубинных слоев Земли. В воздухе затухание звука выше, чем для электромагнитных волн, но все же очень мало для не слишком коротких волн. ,

13 М. А. Исакович 385



Главная причина - расхождение звука во все стороны от источника. При удалении с расстояния в 1 м на расстояние 1 км от сферического источника расхождение вызывает затухание на 60 дб, так что заметить на фоне этого затухания добавочное ослабление звука умеренной частоты вследствие поглощения невозможно.

В свободной атмосфере есть и другие причины, изменяющие затухание звука при распространении. Так, при распространении над землей рассеяние звука вверх неровностями почвы увеличивает затухание. По этой причине звук затухает над землей сильнее, чем над зеркально-гладкой поверхностью воды. Далее, в § 57 мы видели, что в неоднородной среде звук уклоняется в сторону, где скорость звука меньше. Так как скорость звука в воздухе растет с температурой, то звук отклоняется в сторону более холодного воздуха. Поэтому, если, как обычно, температура воздуха убывает при поднятии над землей, звук отклоняется вверх и при наблюдении у земли затухание его окажется увеличенным. При «температурной аномалии» (повышении температуры с высотой) затухание уменьшится.

Ветер также может увеличивать и уменьшать затухание звука, распространяющегося вдоль земли: скорость звука складывается со скоростью ветра, скорость же ветра растет при поднятии над землей, так как вблизи земли ветер тормозится трением. Поэтому при противном ветре (дующем от приемника к источнику звука) эффективная скорость звука уменьшается при поднятии и звук отклоняется вверх: затухание увеличивается. При попутном ветре эффективная скорость звука растет при поднятии над поверхностью земли и наблюдается уменьшенное затухание звука. В направлениях, перпендикулярных к ветру, он практически не влияет на затухание.

Казалось бы, устранив расхождение звука в стороны, например, пустив звук по длинной трубе или наблюдая затухание звука с течением времени в закрытом помещении, стенки которого не дают звуку выходить наружу, можно было бы все-таки определить поглощение в среде. Однако в таких случаях поглощение в среде маскируется большим поглощением звуковой энергии в непосредственной близости от стенок трубы или помещения - в так называемом акустическом пограничном слое.

В самом деле, сравним относительную роль поглощения звука в пограничном слое и во всем объеме помещения. Для определенности рассмотрим поглощение, вызываемое вязкостью среды. Перемещение участков среды как целого не вызывает вязкого поглощения: такое поглощение имеет место только при наличии градиентов скоростей частиц среды. Градиенты скорости вдали от стенок пропорциональны волновому числу k звуковой волны для данной частоты звука. Вблизи стенок градиент гораздо больше, так как к самой стенке частицы прилипают, а на расстоянии (см. § 19) скорость частиц уже почти такая, как если бы прилипания вовсе не было. Это расстояние определяет толщину погра-



ничного слоя; градиент скорости в этом случае можно считать пропорциональным 1/6-

Силы вязкости, вызывающие поглощение, пропорциональны градиентам скорости, а их мощность, т. е. поглощенная в единицу времени энергия, пропорциональна еще скорости деформации частиц, которая в свою очередь также пропорциональна градиенту скорости. Таким образом, работа вязких сил, переводящая акустическую энергию в тепло и рассчитанная на единицу объема, пропорциональна в среде величине k, а в пограничном слое - величине l/6v- Объемы же, в которых происходит поглощение, - это соответственно объем помещения и объем пограничного слоя. По порядку величины эти объемы равны соответственно и ЬЬ, где L - линейный размер помещения. В итоге отношение энергий, поглощаемых в среде и в пограничном слое у стенок, будет равно по порядку величины

Например, для воздуха при частоте 100 гц имеем: k = 2 м~\ 6v = 0,0002 м. Для комнаты с линейными размерами порядка 10 м отношение вязких потерь в среде и у стенок составит, таким образом, по порядку величины 2-10" 10-22 0,01.

Примерно столько же, сколько вязкость, вносит в потери и теплопроводность, так что порядок отношения сохранится и при учете обоих механизмов.

При повышении частоты это отношение увеличивается; в нашем примере вязкие потери в среде и у стенок сравнялись бы при частоте около 2 кгц. В действительности доля поглощения в среде больше, чем дает приведенный расчет, потому что, помимо вязкого поглощения, в объеме среды имеется еще релаксационное поглощение (см. § 120), вызываемое наличием в воздухе водяного пара и углекислого газа. Поэтому поглощение у стенок и поглощение в объеме среды делаются равными при меньшей частоте. Тем не менее в малых помещениях (и уж во всяком случае в сосудах и в трубах) поглощение в пограничном слое играет главную роль в суммарных потерях звуковой энергии.

Маскировка поглощения звука в воздухе затуханием, вызываемым другими причинами, до сих пор не позволяет измерить непосредственно поглощение в воздухе звука низких частот, например звука человеческого голоса. Непосредственное измерение поглощения удается только для звуков высокой частоты - ультразвуков, а поглощение на низкой частоте вычисляпот по теоретическим формулам, проверенным на высоких частотах. Помимо того, что при высокой частоте поглощение звука в среде много больше, чем на низкой, на ультразвуковых частотах удается создавать слабо расходящиеся пучки, устраняя тем самым основную причину затухания, маскирующую поглощение.

Категория: Мои статьи | Добавил: i_elf (06.06.2013)
Просмотров: 1014 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0

Поиск

Музей

  • Ставропольский государственный историко-культурный и природно-ландшафтный музей-заповедник им. Г.Н. Прозрителева и Г.К. Праве
  • Адрес музея:
  • 355035, Ставропольский край, г. Ставрополь, ул. Дзержинского, 135 (площадь Ленина)
  • Официальный сайт
  • Полезные ссылки

  • Виртуальный музей Павла Богданова
  • Виртуальный музей Кавказа
  • Музей музыкальных инструментов
  • Музей советских игровых автоматов

  • НеПотеряйка