Поглощение (акустика)

Пример материала, в котором можно наблюдать поглощение: звукопоглощающая пена, также известная как акустическая пена .

В акустике звуковую поглощение относится к процессу, посредством которого материал, конструкция или объект поглощает энергию при встрече со звуковыми волнами , а не отражает ее. Часть поглощенной энергии преобразуется в тепло , а часть передается через поглощающее тело. Говорят, что энергия, преобразованная в тепло, «потерялась » .

Когда звук из громкоговорителя сталкивается со стенами комнаты, часть энергии звука отражается обратно в комнату, часть передается через стены, а часть поглощается стенами. Точно так же, как акустическая энергия передавалась через воздух в виде перепада давления (или деформации), акустическая энергия таким же образом проходит через материал, из которого состоит стена. Деформация вызывает механические потери за счет преобразования части звуковой энергии в тепло, что приводит к затуханию звука стены , в основном из-за вязкости . Аналогичные механизмы затухания применимы к воздуху и любой другой среде, через которую распространяется звук.

Доля поглощенного звука определяется акустическим сопротивлением обеих сред и является функцией частоты и угла падения. Размер и форма могут влиять на поведение звуковой волны, если они взаимодействуют с ее длиной, вызывая такие волновые явления , как стоячие волны и дифракция .

Акустическое поглощение представляет особый интерес для звукоизоляции . Целью звукоизоляции является поглощение как можно большего количества звуковой энергии (часто на определенных частотах), преобразование ее в тепло или передача ее из определенного места.

В целом, мягкие, податливые или пористые материалы (например, ткань) служат хорошими акустическими изоляторами, поглощая большую часть звука, тогда как плотные, твердые и непроницаемые материалы (например, металлы) отражают большую часть звука.

Насколько хорошо комната поглощает звук, количественно определяется эффективной площадью поглощения стен, также называемой общей площадью поглощения. Это рассчитывается с учетом его размеров и коэффициентов поглощения стен. Полное поглощение выражается в единицах Сэбинса и полезно, например, для определения времени реверберации зрительного зала . Коэффициенты поглощения можно измерить с помощью реверберационной комнаты , которая является противоположностью безэховой камеры (см. ниже).

Коэффициенты поглощения обычных материалов

Коэффициенты поглощения обычных материалов

Материалы	Коэффициенты поглощения по частоте ( Гц )
	125	250	500	1,000	2,000
Акустическая плитка (потолок)	.80	.90	.90	.95	.90
Кирпич	.03	.03	.03	.04	.05
Ковер на бетоне	.08	.25	.60	.70	.72
Тяжелые шторы	.15	.35	.55	.75	.70
Мрамор	.01	.01	.01	.01	.02
Окрашенный бетон	.10	.05	.06	.07	.09
Штукатурка по бетону	.10	.10	.08	.05	.05
Фанера на шпильках	.30	.20	.15	.10	.09
Гладкий бетон	.01	.01	.01	.02	.02
Деревянный пол	.15	.11	.10	.07	.06

Приложения

Звукопоглощение имеет решающее значение в таких областях, как:

• Звукоизоляция
• Запись и воспроизведение звука
• громкоговорителя Дизайн

  

  Безэховая камера

• Акустические линии передачи
• Акустика помещения
• Архитектурная акустика
• Сонар
• Шумозащитные стены

Безэховая камера

Акустическая безэховая камера – это помещение, предназначенное для поглощения как можно большего количества звука. Стены состоят из нескольких перегородок из материала с высокой поглощающей способностью, расположенных таким образом, что часть звука, который они отражают, направляется к другой перегородке, а не обратно в комнату. Благодаря этому камера практически лишена эха , что полезно для измерения уровня звукового давления источника и для различных других экспериментов и измерений.

Безэховые камеры дороги по нескольким причинам и поэтому не распространены.

Они должны быть изолированы от внешних воздействий (например, самолетов, поездов, автомобилей, снегоходов, лифтов, насосов и т. д., а также любого источника звука, который может мешать измерениям внутри камеры) и должны быть физически большими. Первый — экологическая изоляция — требует в большинстве случаев специально построенных, почти всегда массивных и столь же толстых стен, полов и потолков. Такие камеры часто строятся как изолированные помещения на пружинах внутри более крупного здания. Национальный исследовательский совет Канады располагает современной безэховой камерой и разместил в Интернете видео, в котором отмечены как эти, так и другие детали конструкции. Двери должны быть изготовлены специально, их герметизация должна быть акустически полной (без протечек по краям), тщательно организована вентиляция (если таковая имеется), а освещение выбрано бесшумным.

Второе требование частично вытекает из первого и из необходимости предотвращения реверберации внутри помещения, скажем, от испытуемого источника звука. Предотвращение эха почти всегда осуществляется с помощью клиньев из поглощающего пенопласта на стенах, полах и потолках, и чтобы они были эффективными на низких частотах, они должны быть физически большими; чем ниже поглощаемые частоты, тем больше они должны быть.

Поэтому безэховая камера должна быть большой, чтобы вместить эти поглотители и схемы изоляции, но при этом оставлять место для экспериментальной аппаратуры и испытуемых агрегатов.

Электрическая и механическая аналогия

Энергия, рассеиваемая в среде при прохождении через нее звука, аналогична энергии, рассеиваемой в электрических резисторах или в механических демпферах систем механической передачи движения. Все три эквивалентны резистивной части системы резистивных и реактивных элементов. Резистивные элементы рассеивают энергию (необратимо в тепло), а реактивные элементы накапливают и выделяют энергию (обратимо, пренебрегая малыми потерями). Реактивные части акустической среды определяются ее объемным модулем и плотностью, аналогично соответственно электрическому конденсатору и электрическому индуктору и аналогично соответственно механической пружине , прикрепленной к массе.

Обратите внимание: поскольку рассеивание зависит исключительно от резистивного элемента, оно не зависит от частоты. Однако на практике резистивный элемент меняется в зависимости от частоты. Например, вибрации большинства материалов меняют их физическую структуру и, следовательно, их физические свойства; результатом является изменение эквивалентности «сопротивления». Кроме того, цикл сжатия и разрежения в большинстве материалов демонстрирует гистерезис волн давления, который является функцией частоты, поэтому для каждого сжатия существует разрежение, и общее количество энергии, рассеиваемой из-за гистерезиса, меняется с частотой. Более того, некоторые материалы ведут себя неньютоновским образом, что приводит к изменению их вязкости в зависимости от скорости деформации сдвига, испытываемой во время сжатия и разрежения; опять же, это зависит от частоты. Газы и жидкости обычно обладают меньшим гистерезисом, чем твердые материалы (например, звуковые волны вызывают адиабатическое сжатие и разрежение) и ведут себя, главным образом, ньютоновским образом.

В совокупности резистивные и реактивные свойства акустической среды образуют акустический импеданс . Поведение звуковых волн, встречающихся в другой среде, определяется разным акустическим сопротивлением. Как и в случае с электрическими импедансами, существуют совпадения и несоответствия, и энергия будет передаваться для определенных частот (почти до 100%), тогда как для других она может в основном отражаться (опять же, до очень больших процентов).

В конструкции усилителя и громкоговорителя электрические импедансы, механические импедансы и акустические импедансы системы должны быть сбалансированы таким образом, чтобы частотная и фазовая характеристика минимально изменяли воспроизводимый звук в очень широком спектре, в то же время обеспечивая адекватные уровни звука для слушателя. Моделирование акустических систем с использованием тех же (или аналогичных) методов, давно используемых в электрических цепях, дало проектировщикам акустики новый и мощный инструмент проектирования.

См. также

• Звукоизоляция
• Акустическое затухание
• Коэффициент затухания
• Безэховая камера
• Акустическая волна
• Акустический импеданс