Что такое звуковое поле. Звук

Звуковое поле - область пространства, в которой распространяются звуковые волны, то есть происходят акустические колебания частиц упругой среды (твердой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. Понятие звукового поля применяется обычно для областей, размеры которых порядка или больше длины звуковой волны.

С энергетической стороны звукового поля характеризуется плотностью звуковой энергии (энергией колебательного процесса, приходящейся на единицу объема) и интенсивностью звука.

Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

· звуковым давлением p зв, Па;

· акустическим сопротивлением z А , Па*с/м.

Энергетическими характеристиками акустического поля являются:

· интенсивность I , Вт/м 2 ;

· мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое поле называютсвободным акустическим полем.

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн.

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии .

Если в помещении начинает действовать источник звука, то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

Звуковое поле, в котором возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю, называется диффузным полем.

После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 10 6 раз от уровня, существующего в момент его выключения. Любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

К линейным характеристикам звукового поля в жидкостях и газах относят звуковое давление, смещение частиц среды, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды.

Звуковым давлением в газах и жидкостях называют разность между мгновенным значением давления в точке среды при прохождении через нее звуковой волны и статическим давлением в той же точке, т. е.

Звуковое давление - величина знакопеременная: в моменты сгущения (уплотнения) частиц среды она положительная, в моменты разрежения (расширения) среды - отрицательная. Эту величину оценивают по амплитуде или по эффективному значению. Для синусоидальных колебаний эффективное значение составляет амплитудного.

Звуковое давление представляет собой силу, действующую на единицу поверхности: В системе его измеряют в ньютонах на квадратный метр Эта единица называется паскалем и обозначается Па. В абсолютной системе единиц звуковое давление измеряют в динах на квадратный сантиметр: Ранее эту единицу называли баром. Но так как единица атмосферного давления, равная , также называлась баром, то при стандартизации название «бар» осталось за единицей атмосферного давления. В системах связи, вещания и в подобных системах имеют дело со звуковыми давлениями, не превышающими 100 Па, т. е. в 1000 раз меньшими атмосферного давления.

Смещением называют отклонение частиц среды от ее статического положения под действием проходящей звуковой волны. Если отклонение происходит по направлению движения волны, то смещению приписывают положительный знак а при противоположном направлении - отрицательный знак. Смещение измеряют в метрах (в системе или сантиметрах (в абсолютной системе единиц).

Скоростью колебаний называют скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны: где смещение частиц среды; время.

При движении частицы среды в направлении распррстранения волны скорость колебаний считается положительной, а в обратном направлении - отрицательной. Заметим, что эту скорость нельзя путать со скоростью движения волны, которая постоянна для данных среды и условий распространения волн.

Скорость колебаний измеряют в метрах в секунду или в сантиметрах в

Удельным акустическим сопротивлением называют отношение звукового давления к скорости колебаний Это справедливо для линейных условий, в частности когда звуковое давление значительно меньше статического. Удельное акустическое сопротивление определяется свойствами среды материала и условиями распространения волн (см. § табл. 1.1 и 1.2 приведены значения удельного сопротивления для ряда сред и условий, а на рис. 1.1 дана зависимость удельного сопротивления от высоты над уровнем моря. В общем случае удельное Акустическое сопротивление - комплексная величина где активная и реактивная составляющие удельного акустического сопротивления. (Прилагательное «удельное» часто для краткости опускают.) Размерность удельного акустического сопротивления в системе а в абсолютной системе Если известно удельное сопротивление то пользуются собтношением

Звук - психофизиологическое ощущение, вызываемое механическими колебаниями частиц упругой среды. Звуковым колебаниям соответствует область частот в интервале 20...20 000 Гц. Колебания с частотой меньше 20 Гц называют инфразвуковыми , а больше 20 000 Гц - ультразвуковыми . Воздействие на человека инфразвуковых колебаний вызывает неприятные ощущения. В природе инфразвуковые колебания могут возникать при волнениях моря, колебаниях земной поверхности. Ультразвуковые колебания используются для лечебных целей в медицине и в радиоэлектронных устройств, например в фильтрах. Возбуждение звука вызывает колебательный процесс, изменяющий давление в упругой среде, в которой образуются чередующиеся слои сжатия и разрежения , распространяющиеся от источника звука в виде звуковых волн. В жидкой и газообразной средах частицы среды колеблются относительно положения равновесия в направлении распространения волны, т.е. волны являются продольными. В твердых телах распространяются поперечные волны, так как частицы среды колеблются в направлении, перпендикулярном линии распространения волны. Пространство, в котором происходит распространение звуковых волн, называют звуковым полем . Различают свободное звуковое поле, когда влияние ограждающих поверхностей, отражающих звуковые волны, мало, и диффузное звуковое поле, где в каждой точке звуковая мощность на единицу площади одинакова во всех направлениях. Распространение волн в звуковом поле происходит с определенной скоростью, которая называется скоростью звука . Формула (1.1)

с = 33l√Т/273, где Т - температура по шкале Кельвина.

В расчетах принимается с = 340 м/с, что приблизительно соответствует температуре 17°С при нормальном атмосферном давлении. Поверхность, соединяющую смежные точки поля с одинаковой фазой колебания (например, точки сгущения или разрежения), называют фронтом волны. Наиболее часто встречаются звуковые волны со сферическим и плоским фронтами волны . Фронт сферической волны имеет форму шара и образуется на небольшом расстоянии от источника звука, если его размеры малы по сравнению с длиной излучаемой волны. Фронт плоской волны имеет форму плоскости, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны (звуковому лучу). Волны с плоским фронтом образуются на больших по сравнению с длиной волны расстояниях от источника звука. Звуковое поле характеризуется звуковым давлением , колебательной скоростью , интенсивностью звука и плотностью звуковой энергии .

Звуковое давление - это разность между мгновенным значением давления р ам в точке среды при прохождении через нее звуковой волны и атмосферным давлением р ас в той же точке, т.е. р = р ас - р ам. Единица измерения звукового давления в системе СИ - ньютон на квадратный метр: 1 Н/м 2 = 1 Па (паскаль). Реальные источники звука создают даже при самых громких звуках звуковые давления в десятки тысяч раз меньше нормального атмосферного давления.

Колебательная скорость представляет собой скорость колебаний частиц среды около своего положения покоя. Колебательная скорость измеряется в метрах в секунду. Эту скорость не следует путать со скоростью звука. Скорость звука - величина постоянная для данной среды, колебательная скорость - переменная. Если частицы среды перемещаются по направлению распространения волны, то колебательную скорость считают положительной, при обратном перемещении частиц - отрицательной. Реальные источники звука даже при самых громких звуках вызывают колебательные скорости в несколько тысяч раз меньше скорости звука. Для плоской звуковой волны формула колебательной скорости имеет вид (1.2)

V = p/ρ·с, где ρ - плотность воздуха, кг/м 3 ; с - скорость звука, м/с.

Произведение ρ·с для данных атмосферных условий есть величина постоянная, ее называют акустическим сопротивлением .

Интенсивность звука - количество энергии, проходящей в секунду через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения звуковой волны. Интенсивность звука измеряется в ваттах на метр квадратный (Вт/м 2).

Плотность звуковой энергии есть количество звуковой энергии, находящейся в единице объема звукового поля: ε = J/c.

4. Контрольные вопросы

Глоссарий

Литература

Упругие волны, распространяющиеся в сплошных средах, называются звуковыми волнами. Собственно звуком называются волны, частоты которых лежат в пределах восприятия человеческим органом слуха. Ощущение звука возникает у человека, если на его слуховой аппарат воздействуют волны с частотой примерно от 16 до 20 000 гц. Волны с частотой, лежащей за пределами этих границ, не слышны, так как не создают слуховых ощущений. Упругие волны с частотой ниже 16 гц называются инфразвуком, а с частотой от 20 000 гц до 10 8 -10 9 гц - ультразвуком. Область физики, которая изучает способы возбуждения звуковых волн, их распространение и взаимодействие со средой, называется акустикой.

Полученные нами в предыдущих главах общие закономерности колебательного и волнового видов механического движения применимы и к изучению акустических явлений. Однако ряд специальных вопросов, связанных с особенностями восприятия звука и его технического использования, привел к выделению акустики в особую область физики.

Для возникновения и распространения звуковых волн необходимо наличие упругой среды (твердое тело, воздух, вода). Чтобы убедиться в этом, поместим обычный электрический звонок под воздушный колокол. Пока из-под колокола воздух не откачан, звонок отчетливо слышен. По мере откачивания воздуха звук ослабевает и наконец пропадает вовсе. Воздушная среда под колоколом становится настолько разреженной, что уже не может передавать звуковые колебания. Разрежение должно быть таким, чтобы молекулы газа находились друг от друга на расстояниях больших, чем расстояния, на которых проявляются силы молекулярного взаимодействия. Тогда молекулы, получившие от молоточка звонка некоторое количество движения, не могут передать его направленно соседним молекулам, а рассеивают при случайных соударениях, которыми обмениваются в тепловом движении.

Как мы видели, возникновение волн возможно, если среда оказывает упругое сопротивление деформациям и обладает инерцией.

Твердое тело оказывает сопротивление деформациям как продольным - растяжению и сжатию, так и сдвигу. Поэтому в твердом теле звуковые волны могут быть и продольные, и поперечные. В жидкостях и газах, которые не оказывают в обычных условиях сопротивления сдвигу, звуковые волны только продольные.

Звуковые волны в среде создаются колеблющимся телом. Например, колебание мембраны телефона создает в прилегающем слое воздуха последовательно сжатия и разрежения, распространяющиеся во все стороны.

Для изучения состояния среды, в которой распространяется звуковая волна, можно прибегнуть к способу, который мы использовали при изучении движения жидкости. В каждой точке пространства, заполненного средой, находящейся в состоянии звукового движения, происходят периодические изменения: а) положения частицы относительно равновесного, б) скорости смещения частицы, в) величины давления (сжатия и разрежения) относительно среднего их значения, существующего в невозмущенной среде. Изменение давления в этом случае называется избыточным или звуковым давлением. Если мы представим себе, что в каждой точке среды находятся миниатюрные датчики приборов, измеряющих эти величины, то их одновременные показания дадут нам мгновенную картину состояния среды. Ряд следующих друг- за другом таких мгновенных картин даст изменение состояния среды со временем. Поскольку волновое движение периодично и во времени, и в пространстве, то, зная скорость распространения звуковой волны" и пронаблюдав изменение указанных выше характеристик в одной точке изотропной среды с малым затуханием, можно найти их для всего пространства, занятого средой, в которой распространяются звуковые волны. Пространство, заполненное средой в состоянии звукового движения, называется звуковым полем.

В среде. Понятие «З. п.» применяется обычно для областей, размеры к-рых порядка или больше длины звук. волны. С энергетич. стороны З. п. характеризуется плотностью звук. энергии (энергией колебат. процесса, приходящейся на ед. объёма); в тех случаях, когда в З. п. происходит , он характеризуется интенсивностью звука.

Картина З. п. в общем случае зависит не только от акустич. мощности и хар-ки направленности излучателя - источника звука, но и от положения и св-в границ среды и поверхностей раздела разл. упругих сред, если такие поверхности имеются. В неограниченной однородной среде З. п. одиночного источника явл. полем бегущей волны. Для измерения З. п. применяют микрофоны, гидрофоны и др. ; их размеры желательно иметь малыми по сравнению с длиной волны и с характерными размерами неоднородностей поля. При изучении З. п. применяются также разл. методы визуализации звуковых полей. Изучение З. п. разл. излучателей производят в заглушённых камерах.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ

Совокупность пространственно-временных распределений величин, характеризующихрассматриваемое звуковое возмущение. Важнейшие из них: звуковое давление р, колебательная частиц v, колебательное смещение частиц x, относительное изменение плотности (т. н. акустич. ) s=dr/r (где r - среды), адиабатич. изменение темп-ры d Т, сопровождающее сжатие и разрежение среды. При введении понятия 3. п. среду рассматривают как сплошную и молекулярное строение вещества во внимание не принимают. 3. п. изучают либо методами геометрической акустики, либо на основе теории волн. давление удовлетворяет волновому ур-нию

А при известном р можно определить остальные характеристики 3. п. по ф-лам:

где с - скорость звука, g=c p /c V - отношение теплоёмкости при пост. давлении к теплоёмкости при пост. объёме, а - коэф. теплового расширения среды. Для гармонич. 3. п. волновое ур-ние переходит в ур-ние Гельмгольца: D р +k 2 р = 0, где k= w/c - волновое число для частоты w, а выражения для v и x принимают вид:

Кроме того, 3. п. должно удовлетворять граничным условиям, т. е. требованиям, к-рые налагают на величины, характеризующие 3. п., физ. свойства границ - поверхностей, ограничивающих среду, поверхностей, ограничивающих помещённые в среду препятствия, и поверхностей раздела разл. сред. Напр., на абсолютно жёсткой границе компонента колебат. скорости v n должна обращаться в нуль; на свободной поверхности должно обращаться в нуль звуковое давление; на границе, характеризующейся импедансом акустическим, p/v n должно равняться удельному акустич. импедансу границы; на поверхности раздела двух сред величины р и v n по обе стороны от поверхности должны быть попарно равны. В реальных жидкостях и газах имеется дополнит. граничное условие: обращение в нуль касательной колебат. скорости на жёсткой границе или равенство касательных компонент на поверхности раздела двух сред. p=p(x6ct), бегущие вдоль оси х в положительном (знак "-") и отрицательном (знак "+") направлениях. В плоской волне p/v = br с , где r с - волновое сопротивление среды. В местах положит. звукового давления направление колебат. скорости в бегущей волне совпадает с направлением распространения волны, в местах отрицат. давления - противоположно этому направлению, а в местах обращения давления в нуль колебат. скорость также обращается в нуль. Гармонич. плоская имеет вид: p =p 0 cos(wt -kx+ j), где р 0 и j 0 - соответственно амплитуда волны и её нач. в точке х=0. В средах с дисперсией скорости звука скорость гармонич. волны с =w/k зависит от частоты.2) Колебания в огранич. областях среды в отсутствие внеш. воздействий, напр. 3. п., возникающее в замкнутом объёме при заданных нач. условиях. Такие 3. п. можно представить в виде суперпозиции стоячих волн, характерных для данного объёма среды.3) 3. п., возникающие в неогранич. среде при заданных нач. условиях - значениях р и v в нек-рый нач. момент времени (напр., 3. п., возникающие после взрыва).4) 3. п. излучения, создаваемые колеблющимися телами, струями жидкости или газа, захлопывающимися пузырьками и др. естеств. или искусств. акустич. излучателями (см. Излучение звука). Простейшими по форме поля излучениями являются следующие. Монопольное - сферически симметричная расходящаяся волна; для гармонич. излучения она имеет вид: р = -i rwQехр (ikr )/4pr , где Q - производительность источника (напр., скорость изменения объёма пульсирующего тела, малого по сравнению с длиной волны), помещённого в центр волны, а r - расстояние от центра. Амплитуда звукового давления при монопольном излучении изменяется с расстоянием как 1/r , а

в неволновой зоне (kr <<1) v изменяется с расстоянием как 1/r 2 , а в волновой (kr >>1) - как 1/r . Сдвиг фаз j между р и v монотонно убывает от 90° в центре волны до нуля на бесконечности; tg j=1/kr . Дипольное излучение - сферич. расходящаяся волна с "восьмёрочной" характеристикой направленности вида:

где F - сила, приложенная к среде в центре волны, q - угол между направлением силы и направлением на точку наблюдения. Такое же излучение создаётся сферой радиуса a <u=F/2 prw ехр (ikr)R (q, j)/r , где А - постоянная, q и j - углы сферич. системы координат, R (q, j) - характеристика направленности излучения. Т. поле убывает обратно пропорционально расстоянию точки наблюдения от области расположения источника звука. Началом дальней зоны обычно считают расстояние r =D 2 /l, где D - поперечные размеры излучающей системы. В т. н. ближней зоне (френелевская зона) для 3. п. излучения в общем случае нет к.-л. определённой зависимости от r, а угл. r - характеристика направленности ещё не сформирована.5) 3. п. фокусировки - поля вблизи фокусов и каустик фокусирующих устройств, характеризующиеся повыш. значениями звукового давления, обращающегося (при пользовании приближениями геом. акустики) в бесконечность в фокусах и на каустиках (см. Фокусировка звука). 6) 3. п., связанные с наличием в среде ограничивающих поверхностей и препятствий. При отражении и преломлении плоских волн на плоских границах возникают также плоские отражённые и преломлённые волны. В волноводах акустических, заполненных однородной средой, суперпозиция плоских волн образует . При отражении гармонич. плоских волн от плоских границ образуются стоячие волны, причём результирующие поля могут оказаться стоячими в одном направлении и бегущими - в другом.7) 3. п., затухающие вследствие неидеальности среды - наличия вязкости, теплопроводности и т. п. (см. Поглощение звука). Для бегущих волн влияние такого затухания характеризуют множителем ехр a х, где a - амплитудный пространственный коэф. затухания, связанный с добротностью Qсреды соотношением: a=k/2 Q. В стоячих волнах появляется множитель ехр (-dt ), где d = с a=w/2Q - амплитудный временной коэф. затухания звука.
Измерение параметров 3. п. производят разл. приёмниками звука: микрофонами - для воздуха, гидрофонами - для воды. При исследовании тонкой структуры 3. п . следует пользоваться приёмниками, размеры к-рых малы по сравнению с длиной волны звука. Визуализация звуковых полей возможна путём наблюдения дифракции света на ультразвуке, методом Теплера ( теневой метод), методом электронно-оптич. преобразования и др. Лит.: Бергман Л.. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М.. 1957; Р ж е в к и н С. Н., Курс лекций по теории звука, М., 1960; Исакович М. А., Общая , М., 1973. М. А. Исакович.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ" в других словарях:

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны. Понятие З. п. обычно используется для областей, расположенных вдали от источника звука, размеры которых существенно больше длины волны (λ) звука. Уравнение, описывающее… … Энциклопедия техники Fizikos terminų žodynas

звуковое поле Энциклопедия «Авиация»

звуковое поле - звуковое поле область пространства, в которой распространяются звуковые волны. Понятие З. п. обычно используется для областей, расположенных вдали от источника звука, размеры которых существенно больше длины волны λ звука. Уравнение,… … Энциклопедия «Авиация»

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, т. е. происходят акустические колебания частиц упругой среды (твёрдой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. З. п. определено полностью, если для каждой его… … Большая советская энциклопедия

Область пространства, в к рой распространяются звук. волны … Естествознание. Энциклопедический словарь

звуковое поле отражённых волн (при акустическом каротаже) - — Тематики нефтегазовая промышленность EN secondary sound field … Справочник технического переводчика

Возможно, будет полезно почитать: