Распространение звуковых волн

В реальной среде происходит постепенное уменьшение уровня звукового давления (интенсивности) с расстоянием, т. е. происходит постепенное затухание звука из-за поглощения его энергии за счет вязкости и теплопроводности воздуха. При сжатии частиц воздуха часть энергии расходуется на преодоление внутреннего трения между молекулами («вязкое» трение). Кроме того, в области сжатия частиц воздуха в звуковой волне повышается давление и, следовательно, температура, а в области разрежения давление и температура понижаются, между слоями воздуха происходит теплообмен, и часть энергии необратимо затрачивается на нагревание воздуха.

Отражение, поглощение и прохождение звуковых волн:

когда звуковая волна достигает границы раздела среды, в которой она распространяется (например, падает на стену помещения или переходит из воздуха в воду и др.), происходят следующие процессы: часть звуковой энергии отражается, при этом угол падения волны равен углу отражения (рис. 2.3.5); часть звуковой энергии теряется на поглощение; часть проходит через границу раздела в другую среду.

коэффициент отражения — В=/ отраж/I пад;

коэффициент поглощения — a = I погл/I пад;

коэффициент прохождения — у = / прош/I пад,

где I пад, I отраж, I погл, I прош — интенсивность падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волны.

Общая сумма коэффициентов равна единице: В + а + у = 1. Коэффициенты В, у — величины безразмерные, однако для коэффициента а используется размерность «сэбин». Коэффициент поглощения в 1 сэбин равен поглощению звука открытым окном площадью 1 м2.

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 (для угла падения 90° он имеет максимальное значение).

Таким образом, при падении звуковой волны на препятствие (стену, например) 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 происходят от негладких (шероховатых) поверхностей, то отраженные волны распространяются в разных направлениях, и в помещении создается диффузное рассеянное звуковое поле (рис. 2.3.6), 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 т. д.) (рис. 2.3.7).

Интересно отметить, что при падении сферической волны на отражающую плоскую поверхность появляется отраженная сферическая волна с центром, находящимся как бы за барьером (рис. 2.3.8), этот центр называется «мнимый источник».